基于DSP的大型焰火燃放控制信號(hào)集成系統(tǒng)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于DSP的大型焰火燃放控制信號(hào)集成系統(tǒng)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告大型焰火燃放活動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景一般情況下會(huì)有多種形式，例如北京奧運(yùn)會(huì)焰火、2014年APEC焰火、2012年的中部投資貿(mào)易博覽會(huì)焰火等政府舉辦的大型演出活動(dòng)，各種地方性慶典活動(dòng)以及商業(yè)演出活動(dòng)中也會(huì)應(yīng)用到焰火燃放，根據(jù)多年參與各種大型焰火燃放活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)各種大型焰火活動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景的研究中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較突出的問(wèn)題，在某一場(chǎng)大型的演出活動(dòng)中，往往會(huì)綜合多種演出元素如燈光、激光、焰火、水幕、音樂(lè)、LED大屏、視頻等進(jìn)行表演，而不同的演出單元分別有自己獨(dú)立的演出控制系統(tǒng)以及與之配套的信號(hào)控制系統(tǒng)，如何在一場(chǎng)演出活動(dòng)中對(duì)所有表演元素進(jìn)行統(tǒng)一控制，是目前大型綜合演出領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題，為更好的滿足演出活動(dòng)相關(guān)演出元素同步控制的技術(shù)需求，隨著對(duì)已有的焰火燃放控制系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究發(fā)現(xiàn)，一種基于DSP運(yùn)算平臺(tái)下的大型焰火燃放控制信號(hào)集成系統(tǒng)能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

如何有效的綜合所有表演元素，進(jìn)行統(tǒng)一控制，關(guān)鍵需要解決兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，第一個(gè)難點(diǎn)是，在各表演元素中，每個(gè)獨(dú)立的表演系統(tǒng)都有其自身所具有的一套獨(dú)立的時(shí)間碼控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)，如燈光系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)，一般都是使用標(biāo)準(zhǔn)的DMX512時(shí)間碼來(lái)進(jìn)行控制，而焰火燃放點(diǎn)火系統(tǒng)則普遍使用FSK或者是SMPTE時(shí)間碼進(jìn)行點(diǎn)火控制，在每個(gè)不同的表演單元中，這些控制系統(tǒng)是完全獨(dú)立且無(wú)法兼容的;第二個(gè)難點(diǎn)是，每個(gè)表演元素都有獨(dú)立的編輯軟件和控制系統(tǒng)，在前期的編排設(shè)計(jì)中，因?yàn)楦飨到y(tǒng)的獨(dú)立性，很容易導(dǎo)致整個(gè)演出的編排設(shè)計(jì)出現(xiàn)表演時(shí)間節(jié)點(diǎn)的重疊，甚至可能會(huì)出現(xiàn)激光、焰火和燈光同時(shí)在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行表演，從而破壞了整個(gè)演出的效果，而且在演出過(guò)程中，因?yàn)榇嬖诟鱾€(gè)演出單元控制系統(tǒng)的獨(dú)立性，很容易出現(xiàn)因?yàn)楦骺刂茊卧谋镜貢r(shí)間差異所導(dǎo)致的演藝設(shè)備控制不同步的問(wèn)題。

我們研發(fā)的這套大型焰火燃放控制信號(hào)集成系統(tǒng)，針對(duì)上述兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)各個(gè)表演元素的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)在所有的控制信號(hào)中，有模擬信號(hào)，也有數(shù)字信號(hào)，且各個(gè)演出單元的系統(tǒng)控制都有一個(gè)重要的共性技術(shù)，既以時(shí)間碼為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備動(dòng)作的可控性，每個(gè)演出單元的時(shí)間碼格式可能不是完全一致，有的使用DMX512信號(hào)，有的使用SMPTE信號(hào)等，考慮到所有表演元素各系統(tǒng)的不兼容性以及在各獨(dú)立終端部分的可控性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初，主要通過(guò)以下兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題，首先需要解決是多個(gè)獨(dú)立信號(hào)的集成控制問(wèn)題，根據(jù)這個(gè)思路，我們提出了兩種解決方案，這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一個(gè)方案是我們可以通過(guò)對(duì)每個(gè)通道單獨(dú)應(yīng)用A/D（數(shù)字/模擬）信號(hào)轉(zhuǎn)換的形式來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一控制，采用該方法時(shí)，對(duì)于各演出單元的終端設(shè)備（燈具、噴火機(jī)等）還需要進(jìn)行動(dòng)作的系統(tǒng)控制，所有的控制信號(hào)都需要進(jìn)行重復(fù)處理，雖然硬件設(shè)備的成本投入比較低，但在對(duì)表演單元終端設(shè)備控制的過(guò)程中容易造成數(shù)據(jù)丟失或終端設(shè)備不可控的情況，這對(duì)于演出活動(dòng)效果來(lái)說(shuō)，就無(wú)法提供有效的技術(shù)保障，第二個(gè)方案則是通過(guò)在所有控制系統(tǒng)前端增加一個(gè)多通道信號(hào)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一控制，而采用這種方法，則需要研發(fā)一個(gè)基于DSP平臺(tái)的技術(shù)設(shè)備，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還能將不同控制信號(hào)分別發(fā)送個(gè)各個(gè)對(duì)應(yīng)的演出單元控制系統(tǒng)，且完全跟隨原有的控制系統(tǒng)編排動(dòng)作，不會(huì)對(duì)終端設(shè)備動(dòng)作產(chǎn)生任何不良影響，但因?yàn)樾枰匦麻_(kāi)發(fā)軟硬件平臺(tái)，需要投入成本比較大;其次，針對(duì)第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，我們還需要對(duì)所有表演元素制定一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間碼編碼標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)作為所有表演元素編排設(shè)計(jì)的統(tǒng)一時(shí)間節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，在演出前將此時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn)分發(fā)到每個(gè)不同的表演單元，要求按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編排設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能控制，這樣就能有效避免因?yàn)榉珠_(kāi)編排設(shè)計(jì)導(dǎo)致可能重疊的表演動(dòng)作。

基于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，我們最終采用了第二種方案進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用目前通用的安卓系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，使用DSP（DigitalSignalProcessing）技術(shù)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用自主研發(fā)的多通道信號(hào)集成控制設(shè)備形成一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)控制中心，通過(guò)開(kāi)發(fā)一套控制信號(hào)集中處理軟件，將所有控制信號(hào)（無(wú)論是模擬信號(hào)或者是數(shù)字信號(hào)）調(diào)制成可以被各個(gè)演出單元識(shí)別和接收的數(shù)字信號(hào)，利用控制中心的多個(gè)通道獲取與其相連接的N個(gè)演出單元的接口信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步各個(gè)演出單元的時(shí)間碼同步功能，由該控制中心總控所有的時(shí)間碼控制信號(hào)。因?yàn)椴捎昧硕鄠€(gè)控制通道，每個(gè)控制通道都將對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的演出元素控制單元，每個(gè)獨(dú)立演出元素的控制單元?jiǎng)t應(yīng)當(dāng)有對(duì)應(yīng)的多媒體控制數(shù)據(jù)。當(dāng)演出開(kāi)始時(shí)，所有的控制信號(hào)統(tǒng)一由控制中心發(fā)送給多通道信號(hào)集成控制設(shè)備，并由該設(shè)備進(jìn)行解調(diào)之后，變成各個(gè)演出單元控制系統(tǒng)本身能識(shí)別的信號(hào)，并發(fā)送給各個(gè)演出單元終端進(jìn)行系統(tǒng)控制。針對(duì)可能存在演出場(chǎng)景和地點(diǎn)的變化問(wèn)題，例如有主會(huì)場(chǎng)和分會(huì)場(chǎng)的不同，控制中心也可以設(shè)計(jì)為可堆棧的模式，參考了比較先進(jìn)的CAN—BUS總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)光纖或者無(wú)線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步功能。

為解決各個(gè)演出單元可能在演出時(shí)間節(jié)點(diǎn)的重疊問(wèn)題，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就已經(jīng)約定了一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間碼編碼標(biāo)準(zhǔn)，所有表演元素的編碼時(shí)間節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了有效的編排設(shè)計(jì)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)確定，不會(huì)出現(xiàn)表演動(dòng)作重疊或沖突的情況。因?yàn)椴捎昧硕嗤ǖ赖慕y(tǒng)一時(shí)間碼控制技術(shù)，由控制中心發(fā)送唯一標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間碼給各個(gè)獨(dú)立通道，在整體控制過(guò)程中，控制中心負(fù)責(zé)通過(guò)調(diào)制解調(diào)控制信號(hào)來(lái)觸發(fā)各個(gè)獨(dú)立表演元素啟動(dòng)或停止，通過(guò)對(duì)所有表演元素的時(shí)間碼控制信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一分配和控制，從而達(dá)到所有演出單元的時(shí)間軸統(tǒng)一，在各個(gè)演出單元終端設(shè)備動(dòng)作的時(shí)間性上達(dá)到完全