音乐彩灯的设计

音乐彩灯的设计
摘要
本文基于计算机控制系统和音乐彩灯控制特点，使用音乐彩灯控制系统的分层控制结构。

系统的上位机采用工业PC几控制板卡输出和下层结构，中间级采用单片机控制跑马灯的变化；现场级采用电控柜和驱动板来控制彩灯、电机等执行元件。

采用矩阵式控制原理，即开关量输出控制就是将一组一维的空间变量按照时间间隔输出的过程，完成对跑马灯和开关板的控制。

为实现灯形变化和音乐的同步，首先对音乐作品的节拍、旋律等音乐要素进行理论分析，在作品曲式结构分析的基础上对音乐进行分段；并且同过找音乐与灯光对应关系（主要是二者之间表达的感情之间的联系），最终利用软件把不同的音乐旋律、节拍等特征匹配不同类型的灯光变化和彩灯颜色，从而实现灯形变化和音乐的协调控制。

关键词：计算机控制，矩阵控制，波形文件，音乐彩灯
Music Lantern Design
Abstract
Based on the computer control system control features lights and music, music lights control system using the hierarchical control structure.
Systems using industrial PC host computer control boards of several output and lower structures, the middle-level changes using SCM Marquee; field level by cabinet and the driver board to control lights, motors and other actuators.
Using matrix control theory, which switch output control is a set of one-dimensional space variable output in accordance with the process time interval to complete the marquee and switch board control.
Shape changes to achieve the light and music synchronization, the first beat of the music, melodies and other elements of music theory, musical structure in the works based on the analysis carried out on the music section; and had to find the same correspondence between music and light ( between the two main link between the expression of feelings), and ultimately use the software to different music melodies, rhythms and other characteristics match the different types of lighting changes and lights color, light shape change and to achieve coordinated control of music.
Keywords: computer control, matrix control, wave files, music, light
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录 (i)
第1章绪论 (1)
1.1 灯光艺术的发展历史 (1)
1.1.1 从客观存在到人工照明 (1)
1.1.2 可控光的启蒙 (1)
1.1.3 光的审美功能的实现 (2)
1.2 电气时代设备的多样化发展 (2)
第2章硬件电路设计 (3)
2.1总体方案设计 (3)
2.1.1 现场灯的类形和分布 (3)
2.1.2 硬件结构功能 (4)
2.1.3 控制对象的选择 (4)
2.1.4 系统方案的选择 (5)
2.2 矩阵式控制原理 (7)
2.3 硬件结构 (7)
2.4 跑马灯控制器 (13)
第3章控制系统软件设计 (15)
3.1 软件工作流程 (15)
3.1.1 声音的产生 (16)
3.1.2 花形的产生 (16)
3.2 波形文件结构 (16)
3.2.1 RIFF文件格式 (17)
3.2.2 WAVE文件格式 (18)
3.3 音乐文件的分析 (24)
3.3.1 音的概念和性质 (24)
3.3.2 音乐的基本要素 (24)
3.3.3 音乐的曲式 (26)
3.3.4 《卡门序曲》 (27)
3.3.5《卡门序曲》波形曲线 (28)
3.4 基本灯形 (29)
3.4.1 灯光与音乐的对应关系 (29)
3.4.2 音乐要素表达的情感 (29)
3.4.3 灯光表达的情感 (32)
第4章灯光艺术的发展前景 (34)
4.1 舞台灯光 (34)
4.1.1 科技发展是舞台技术发展的必由之路 (34)
4.1.2 科技发展是舞台技术持续发展的核心动力 (35)
4.2 起居生活灯光 (35)
4.2.1 住宅灯光 (36)
4.2.2 酒店灯光 (37)
参考文献 (38)
致谢 (39)
附录1 (40)
附录2 (52)
第1章绪论
1.1灯光艺术的发展历史
人类认识事物总是从实际需要开始的，每当灯光技术有所前进或革新时，总是首先应用于生活当中，且仅仅作为日常照明工具来使用。

其后才被其他领域所应用，随着时间的推进灯光技术的成熟，其应用领域的也不断的扩大，人们对灯光意识的要求也越来越高，审美诉求也越来越丰富。

1.1.1从客观存在到人工照明
公元前20世纪至公元13世纪，人们对光的理解主要来源于对自然世界的观察由于许多自然现象以当时的德科学水平无法做出清楚地解释，所以人们对于光的理解涉及到两个范畴：一是代表着神迹的自然光；二是日常生活中不可缺少的生活照明措施。

随着科学的发展，特别是西方哲学家和科学家用各种研究方式对光进行剖析，于是发展出光学、人体功能学等自然学科范畴的理论，光的折射与衍射、透射等这些基础学科的研究位置后来的灯光在技术上的发展奠定了理论基础。

而随着人类生活的实际需要逐步改进，从原始人类粗糙的火把，到利用各种油脂的可燃性制造的油灯，再到复合材质加工的提灯，最后到经过加工制成的蜡烛，其实用性和光源特性在各个领域一直沿用了数千年。

“神之光”与“人之光”在现在看来虽然都是“光”，但在当时却有着截然不同的现实意义，这无疑与当时社会的发展、美学思潮、哲学思潮以及科学的研究水平有着密切的关系。

从古至今光的最基本的功能——使事物可见。

除去日常生活中的照明外，人们通过各种方式对灯光进行应用，如节日里的各种彩灯，舞台上华丽的灯光等。

然而在相当一段长的时间里人们对灯光的认识里它只是完成照明任务，而没有意识到它的价值，特别是舞台上的灯光。

在戏剧发展的十几个世纪中，人们只从实际出发使用这些光，在脑海中认为光智能照明，而不存在艺术价值。

1.1.2可控光的启蒙
“舞台灯光是戏剧演出中不可缺少的一个组成部分”这样的主观意识，在14世纪文艺复兴时期的意大利才初露端倪。

随着人们对艺术的追求与时代的进步，人们对自然和人体价值越来越重视，这是艺术家和科学家们对人和自然做出了新的评价，艺术不在为宗教服务，而科学也有了更为贴切实际需要的进展，光学的研究是人们对光有了更加客观的认识，并且制成了一些简单或者复杂的光学仪器，这些都为后来各种照明器材的发明铺平了道路；通过
科学家的不断发明与创新，人们对光的产生方式有更多的选择，特别是电的普及使得灯光艺术逐渐发展成为一门独立的学科。

1.1.3光的审美功能的实现
审美是除去照明以外灯光必须具备的第二个基本功能，不管是视觉的享受还是对事物及人物的体现都离不开灯光的点睛作用。

几乎在所有有灯光应用的地方，设计师们总是绞尽脑汁寻求各种照明方法来控制光的效果，画面效果的美观与否已成为评价灯管效果的基础标注之一。

可以说，审美功能的实现，是灯光艺术在其整个发展历史中迈上的第一个台阶。

随着科学的发展和人类的进步，瓦斯灯、灰光灯和弧光灯等化学照明设备已经取代了油灯和蜡烛。

新技术带来的更为有效的光量输出以及更为丰富的灯光表现效果，价值化学照明设备的特性使对灯光的远程控制成为可能，艺术家们实现模拟自然光的愿望终于实现了。

1.2电气时代设备的多样化发展
科学发展的越为快速，人们对审美追求的跟迭越来越快，自从人类社会进入资本主义的发展阶段，现代工业文明改变了人与人之间的关系，他也改变了传统的生活方式，加速了生活节奏。

在这样的社会条件下，灯光艺术在其所在的领域中从再现走向了表现。

而此时灯光设备也越来越多样化和自动化，灯光设备的多样化使得灯光的表现形式也各有不同。

科学的发展和人民对灯光效果的新要求导致了光源、灯具和控制设备的多样化：化学灯、白炽灯等不同输出效果的光源逐渐被分门别类的采用；泛光灯、聚光灯等灯具从不同角度的投射也被归为面光、脚光、逆光等光位，形成一定的表现规则和方法；从盐水调光器到电阻式调光器，控制设备在逐渐向着更便捷、可控性更高的方向发展。

这些技术和理论的成形除了可以达到比先前更有效、更美观的照明目的和审美目的，在受到象征主义、立体主义等艺术思潮的影响后，灯光还具有了渲染气氛，抽象地表现人物心理特征的新功能。

新时期对电子设备和投影设备的探索使得灯光艺术的可利用手段更加多元化。

为了得到更加多样的光束及光影效果，人们将聚光灯分为聚光效果的凸透镜聚光灯和柔光效果的螺纹聚光灯，通过调节焦距还可以得到不同光束角的光效；人们还通过对灯泡表面进行不同处理得到窄光束、柔光束、大面积很早名等不同的光效。

第2章硬件电路设计
2.1总体方案设计
总体方案的设计首先要明确用户对灯光控制系统的功能要求，还有就是根据自身的技术条件来设计。

对于我们已经掌握的技术，能够实现的功能我们可以先应用在系统中；对于我们还没完全掌握的，不成熟的技术，我们可以先不放入系统，但要继续研究，等一定时间内完成后，再补充道系统中区。

2.1.1 现场灯的类形和分布
跑马灯
摇摆
彩灯
主
彩
灯
图2-1 现场灯得分布图
如上图2-1所示，图中显示了音乐彩灯所采用的主要彩灯形式和位置分布。

主要包括以下几种类形：
主彩灯：在彩灯中央设计了一个主彩灯，是彩灯中变化的主要表现，随着音乐的变换而变化，带动现场的气氛。

摇摆彩灯：在主彩灯的外围设计了两圈摇摆彩灯。

主彩灯变化时，许多摇摆彩灯在摇摆电机的作用下摆动，发射出的光线在音乐节奏的带动下能很好表现出特殊的艺术效果。

跑马灯：在摇摆彩灯的周围安装了两组跑马灯，在播放音乐时启动，两组彩灯以几十毫秒的时间间隔轮流闪烁，形成一种气势磅礴的动感效果。

另外还能通过跑马的流动形成各种图案。

2.1.2 硬件结构功能
经过考虑，和自身情况。

制定了此次音乐彩灯控制系统的方向：音乐彩灯控制系统的上位机有多媒体工业PC机组成的现场控制系统。

该系统有音频与灯形的同步功能，能实现预编程曲目播放功能；自行识别乐曲旋律、节奏、乐感和音频的强弱度；以及全程实时音控功能。

具体描述如下：
1) 手动功能：在灯光表演间歇时，可以点击鼠标独立打开关板上的开关控制灯形变换。

用于设备调试和试运行等工作。

2）程序功能：如果需要有不同的作何造形变化，则可打开程序功能，使灯形按设定的程序变化，出现不同的造形，使人感受不同景色的美妙。

3）乐曲编辑功能：通过对音频信号的处理，绘制波形曲线，从而分析乐曲的各个音乐要素的主要特征。

对人工编曲、音乐与灯形的同步起主导作用。

4）预编程序控制：灯光变换的主要表现形式。

根据某一首乐曲的情感与意境，人工编制各种灯形、动作开关的开启和闭合，使灯光的表现与音乐的情感和意境相吻合。

2.1.3 控制对象的选择
音乐彩灯控制系统所要进行的工作，一是音乐播放，二是控制灯光表演动作；所要解决的主要问题是音乐和灯形变换同步的问题。

1.音乐：
(1)采用什么样的音乐播放方式，功率放大和扬声器等扩声系统。

(2)如何进行音乐信号处理，达到音乐和彩灯配合，音乐旋律和灯光状态，高度同步的要求。

2.彩灯：
(1)对于主彩灯：把输入的音乐信号分为高，中，低三个频段，分别控制彩灯的各种颜色，并让它们分别通过三个带通滤波器通道，得到了放大的音乐信号，再通过一个放大及整流电路，得到一个直流信号，最后利用一个光耦合电路，实现音乐对灯光的调节。

技术指标：
音乐信号分为三个频段，分别控制红、绿、蓝三种颜色的彩灯。

A)高频段控制灯变为蓝色。

B)中频段控制灯变为绿色。

C) 低频段控制灯变为红色。

D) 每组彩灯的亮度随各路输入信号的大小分八个等级。

输入信号最大时，彩灯最亮。

(2) 对于跑马灯：需要在直接启动电磁阀和彩灯后，通过控制器快速的控制大量的电磁阀的开闭，使得彩灯已种方式进行变化，控制点数多，速度要求非常快。

(3) 对于摇摆彩灯：可通过电脑输出信号通过驱动板直接控制电机要被达到预期目的。

2.1.4 系统方案的选择
1) 音乐处理：
一种方案如图2-2所示，利用计算机软件直接播放声音WA VE 文件或MIDJ 文件，通过声卡输出到功率放大器，扬声器等扩声系统：同时，用软件对声音文件进行处理，编辑生成控制代码控制开关板输出到放大器，再到现场控制开关动作。

此方法可以利用分析软件对声音文件直接进行分析，编曲，生成的控制文件更容易和乐曲同步，从而控制效果更好；而且随着计算机的发展，由16位声卡输出的音频信号已经能够达到CD 机播放的效果。

方案一
图2-2 声音文件作为音源的控制方式 方案二
音乐的处理有多种方式，一种较为传统的方式。

由CD 音源发出信号道延时器，声源 CPU 控制软
件 开关板 外围设 备
灯形
功
放 音乐
延时后到功率放大器，在通过扩声系统到现场的扬声器播放。

声音需要延时在播放出来，这是因为灯光变化的动作时经过一系列电子程控机械动作才表现出来，他比声音播放要缓慢0.3~0.5秒左右。

图2-3 CD 作为音乐源的控制方式
如图2-3所示，音乐信号还要经过变换电路放大、滤波、限幅和检波，变成与音乐幅度的对数比例的包络检波信号送到采集卡，通过A/D 转换成计算机可识别的信号，然后通过软件进行编曲生成控制文件，再由控制文件控制电磁阀动作。

这种方式优点是由CD 音源播放的乐曲效果非常好，现场感很强。

缺点是声音信号通过A/D 转换后可能造成失真，生成的控制灯形的文件会有可能会有不同程度的变形。

2) 彩灯的处理
彩灯采用直接驱动开关板开光来那个输出的方式配合灯形变化：
1) 对于主彩灯：用变频器模拟信号控制，要计算机通过D/A 卡进行控制；
2) 对于摇摆彩灯：在控制光束转动的同时，可以通过直接驱动开关板控制摇摆电机动作；
3) 对于跑马灯：由于跑马灯控制点数多，要求响应速度快，采用分级控制，采用单片机制作的“跑马灯控制器”，计算机调用控制器中预存的灯形，要跑马灯控制器控制跑马灯的变化，达到控制灯形的变化；
由上可知，控制方式可归结为：
a) 开关量输出控制问题
b) 音乐编辑分析与灯形同步的问题；
c) 跑马灯控制器控制问题；
d) 变频器模拟量输出控制问题；
本次论文主要就前3个问题进行说明。

CD A/D CPU 控
制
软
件 开关 外围设 备 灯形
延迟 功放 扬声器 音乐
2.2 矩阵式控制原理
音乐彩灯开关量输出控制，从计算机的控制角度来看就是将一组一维的空间变量 {}12,,.........,n e e e e =按照T ∆时间间隔顺序输出的过程。

我们可以用一个控制矩阵ij A ⎡⎤⎣⎦来进行表述，如公式(2.1)：
1112
12122212
.....................n n ij m m mn e e e e
e e A e e e ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤=⎣⎦⎢⎥
⎢
⎥⎣⎦
（2.1）
对于控制矩阵处理是整个控制程序的核心，由于硬件驱动板卡为216⨯路输出，
ij A ⎡⎤⎣⎦的列数为16的整数倍。

目前系统主控变量设计最大为256n =，行数数量不受限
制。

所以，控制矩阵最大可以做到256m ⨯,m 可以取任意自然数。

实际控制矩阵中，行数m 时乐曲的播放时间和间隔T ∆取值之比。

矩阵ij A ⎡⎤⎣⎦中行代表音乐输出时间，第i 行元素对应某时间段T ∆里一个确定控制输出点排列。

T ∆的取值范围是10ms~1s ，按1ms 间隔可调。

矩阵ij A ⎡⎤⎣⎦中列代表输出地址码排列，第j 列的每个元素对应控制该点部件的一个时间间隔为T ∆的输出序列，于是ij A ⎡⎤⎣⎦的每个元素ij A 对应第j 个被控件在第i 个时段的输出状态，ij A =1为开始，反之为关闭。

如果木夯元素全为零，表明此时段这个系统无输出，某列元素全为零表明该部件在工作时间无输出（可能是备用通道）。

一首乐曲有许多时间段T ∆组成，这样可以在音乐同步播放时，用ij A ⎡⎤⎣⎦控制开关量输出，就会形成不同灯形的变化。

矩阵控制原理在系统控制上的主要应用，在于音乐处理方面，乐曲编辑和生成控制文件的方法都是依据此原理。

而且，在跑马灯控制器的软件设计方面也依据此原理。

2.3 硬件结构
根据设计本控制系统采用了分层控制结构。

主控计算机作为上位机；二层中间级是跑马灯控制器，其作用是扩充控制点，能控制上百个跑马灯动作；第三层是位于现场的电控柜、驱动板，用来控制彩和电磁阀的执行元件。

具体说明如下：
1 第一级：上位机是本控制系统的核心。

由于现场电磁干扰很大，使用环境比
较恶劣，主机采用标准的工控机。

上位机的任务是实现人机交互界面，播放音乐文件，对音频信号进行分析、处理，对下级输出模块进行操作和控制整个系统的启停等功能。

为完成上位机对各类功能部件的控制，机箱内配置了声卡、D/A卡和多个开关量功率输出办，而且还要保证有足够的扩展能力。

如下图所示，主板卡配置如下：
1.1声卡：选用标准16位声卡，通过其音频信号输出端子，给功率放大器输出信号，其输出效果相当于CD音频的效果。

1.2D/A卡：用来输出模拟信号控制变频调速器，12位的分辨率和100KHz的转换速率，输出控制信号幅度为0~10V，一般有8~16个通道，为提高抗干扰能力采用光电隔离输出。

1.3D/D卡：开关量输出卡，选用32位通道的光电隔离功率输出板，驱动能力达到24V，500mA，但是由于彩灯的设备都有三相的交流供电，所有后面还要加上一级固态继电器的驱动板来驱动220V的交流继电器或电磁阀门。

2中间级：对于如跑马灯的阀门和循环彩灯等花色比较单一、控制点数多、但要求响应速度又很快的输出量，采用下位机分级控制，即由主控机发出控制命令送至下位分机，再由分机根据接受的命令输出不同的花色信号来驱动阀门和彩灯。

3现场控制级
电气控制级是现场控制级的重要组成部分，它起到承上启下的作用，其接收电脑信号后通过内部继电器、接触器变换处理，使电机、彩灯做出相应的变化，从而达到预期的目的，勾画出一幅优美动人的花色画面，供人们观赏享受。

电控柜：主要功能是接收电脑输出的控制讯号，控制相应的彩灯、电机动作，对执行工况进行测量及指示。

驱动板：主要的功能是电脑输出的弱点控制信号置换成能与电器控制柜相连控制相应的功率继电器的信号，并具有光电隔离功能，以防止强电网络对控制微机的干扰。

驱动器部分采用大功率固态继电器使系统运行无噪音、无触点、无火花、无电磁干扰，增加回路工作的可靠性，大大减少了主回路的故障，延长了使用寿命。

总体硬件原理图如图2-4所示：
图2-4 音乐彩灯总体硬件结构图
主彩灯控制器如图2-5所示：
图2-5 音乐彩灯主彩灯电路系统设计框图
驱动板 声卡
D/A
卡
开关板
开关板
开关板
V AG
IPC CPU
键盘
显示器
功放
扬声器
主彩灯控制
彩灯摇摆电机
驱动板
驱动板 跑马灯控制器
跑马灯控制器
跑马灯
驱动板
变频器
电机
上位机
中间级
现场级
电气控制柜
高频段通道
中频段通道
低频段通道
放大器
放大器
放大器
整流
整流
整流
耦合 驱动器
耦合 驱动器 耦合 驱动器
音乐信号
双向 晶闸管
彩灯
双向 晶闸管
双向 晶闸管
彩灯
彩灯
1) 带通滤波器
带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。

一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。

这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。

工作原理：
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减， 并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。

这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB 来表示。

通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。

然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现―波纹‖。

这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。

图2-6 带通滤波器
图2-6中，1A,2A 分别为低通和高通滤波器，二者串联构成带通滤波器，其上限截止频率取决于低通滤波器，下限截止频率取决于高通滤波器。

1h= 3.14152F RC ⨯
(2.2)
''1h= 3.14152
F R C ⨯
(2.3)
根据技术指标中给定的截止频率，只要给出合理电容C ，C ′的值，即可求得电阻 R ，R ′的值。

这样根据课题中的要求就得到了音乐信号的三个通道。

图中低通滤波器和高通滤波器的增益可分别由式子（2.4），（2.5）决定。

11f
R Ah R =+
(2.4)
'
'
11f R Ah R =+
(2.5)
这样就得到了整个带通滤波器对音乐信号的放大增益。

在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。

2) 放大整流电路
图2-7 放大整流电路
如图2-7所示，3A,4A 可对信号实现放大功能，D1,D2为整流二极管整流。

当3A 的同相输入端输入信号为正半周时D1导通并通过R2形成强的负反馈，使3A 工作在电压跟随状态，其输出为正。

4A 的同相输入端通过 R4 接地，D2因反向而截止，4A 工作在电压跟随状态，其输出为零。

当3A 的同相输入端输入负半周时，D1截止，D2导通，并通过R3与4A 串联组成两及极电压跟随器，使4A 为负半周波形。

由于运用了理想运放的输入端虚断，虚短和开环放大倍数无限大的理论，时整流输出电压克服了二极死区电压的影响即使输入电压的幅度小于0.7V ，只要不为零，该电路就可以进行整流。

音乐信号经整流后就会在RP 上形成于音乐信号的幅度成正比的直流电压。

途中C1为滤波电容，以减小输出波形的脉动。

图2-8 灯光控制电路
以选用管压降小。

工作频率高的锗管为宜，如2AP9.R2,R3 的作用主要是在输入正半波时，限制通过D1 流入4A 输出端的电流，这两个电阻的阻值应该在10k以上。

D1 和C2 组成滤波电路，以减小整流电路的纹波电压，选C1 为10 uF ，R4 为20k。

3)灯光亮暗程度的控制（光耦合驱动电路）
如图2-8所示，在光耦合器的初级回路中接入三极管T1，来自音乐传感电路的音乐信号控制T1中电流的大小，信号越强，电流越大，经光耦的耦合使双向晶闸管的触发电路产生相应的相移，其导通角增大，这样流经灯的电流就会增加，灯的亮度就会增强。

反之，信号越弱，双向晶闸管的导通角就越小，彩灯的亮度就会减小。

这样才彩灯就会随音乐信号的强弱而闪烁，实现了音乐对灯光的调节。

光耦合器是一种完成电——光，光——电转换的器件，用在电压和阻抗不同的电路之间，抑制传输系统的噪声和消除接地回路的噪声，使电路得到简化。

该器件反应快体积小，耐冲击。

高速光耦合的基极引出端相当于天线，将会导致噪声增大，所以我们在这里使用无基极的光耦合器
4)直流稳压电源
220V的交流电压经变压，整流，滤波，稳压后得到稳定的直流电压。

其电路图
如下：。