Время, вперед! Или как работает SMPTE
Одним из важных направлений деятельности компании gst.moscow является обучение. Множество пользователей светового и сценического оборудования уже неоднократно посетили семинары и мастер-классы в шоу-руме компании. Совместно с журналом «Шоу-Мастер» запускается серия обучающих статей по теме «синхронизация» — «Sync New Level of Show». Автор статей — художник по свету Роман Вакулюк, у которого за плечами большое количество проектов с использованием различных технологий синхронизации систем управления шоу.
В каждой статье будет рассмотрен один из проектов, где была применена та или иная технология синхронизации. Главная задача этих публикаций — дать теоретическую базу и понимание идей и принципов, которые существуют на данный момент. Данные материалы не сделают из вас инженера или специалиста по этому направлению. Чтобы научиться разбираться в этом, знания необходимо подкреплять практикой и опытом.
С чего все началось
Современное техническое обеспечение шоу включает в себя довольно сложный комплекс оборудования: звук, свет, видео, механика сцены, пиротехника, спецэффекты. Всем этим управляют контроллеры, пульты, а самое главное, люди.
Технология ручного управления шоу возникла в 1960-е годы. В те времена еще не существовало сложных систем управления, почти на каждом приборе, на каждом узле сидел отдельный человек, который отвечал за его функционирование, а главный стейдж-менеджер давал им голосовые команды. Один из американских стейдж-менеджеров вспоминает, как ставились мюзиклы на Бродвее: «В шоу было занято от 40 до 50 техников, бегающих за сценой, как сумасшедшие. Я использовал вспышки света, чтобы дать команду на запуск определенной сцены, давал команды операторам через головные гарнитуры и работал по сценарию, записанному на листке бумаги».
В настоящее время технология управления шоу — это целая индустрия со своими стандартами и протоколами. Приборы одного типа объединены в системы. Каждая система состоит из контроллера и конечных приборов. Эти системы сами по себе лишь отдельные составляющие шоу. Но только когда все звенья системы объединены в одну цепь, возникает полноценная система управления шоу.
Время, вперед! Или как работает SMPTE
Любое шоу или представление можно поделить на составные части, из которого оно состоит. На концерте это номера представления, в театре — эпизоды и акты. В любом случае каждая такая часть имеет начало и конец и длится определенное время. Внутри каждой части происходит ряд изменений со светом, звуком, механикой сцены и т.п. Один из вариантов синхронизации всех систем — это синхронизирование по времени.
К примеру, в световом пульте создают Cue и в его настройках прописывают конкретное время его старта. Как только на световой пульт приходит время, совпадающее со временем, которое содержит ключевое Cue, световая программа запускается. Чтобы все устройства «понимали», в каком моменте времени находится шоу, они принимают специальный адресно-временной код, или Time Code.
Time Code в шоу-индустрию пришел с телевидения. И называется он SMPTE. Аббревиатура расшифровывается как Society of Motion Picture and Television Engineer. Это ассоциация, которая приняла единый стандарт кодирования времени в 1971 г. Чуть позже к ним присоединился EBU (European Broadcasting Union).
Много лет назад звук на телевидении писался на магнитную ленту с несколькими звуковыми дорожками. Одну из этих аудиодорожек занимал Time Code, где в аналоговом формате был записан временной код. Это было необходимо, чтобы при монтаже синхронно сводить аудио и видео. Такой способ записи SMPTE называется Longitudinal Time Code (LTC), или линейный Time Code. Называется он так потому, что информация пишется в этом формате бит за битом последовательно.
SMPTE — это время, которое начинается с нуля. Так же как и в обычной жизни, в SMPTE есть часы, минуты и секунды. Максимальное значение SMPTE — 24 часа, как и в сутках. Но есть и отличие от привычного для нас измерения времени — это кадры. Терминология пришла с телевидения. Так как в одной секунде видео есть определенное количество кадров, то и временной код определяется видеокадрами.
Но количество кадров может быть разное в зависимости от формата видео. Все эти различия также применимы для SMPTE, поэтому он может быть разным. Есть несколько форматов SMPTE: 24fps (frames per second – кадров в секунду), 25 fps, 30 fps, 29.9 fps (он же 30 fps drop). Все эти значения были обусловлены форматом телевещания в конкретной стране: PAL, SECAM, NTSC, которые, в свою очередь, были обусловлены частотой электросети 50 Гц и 60 Гц.
Простейшей единицей информации в LTC является блок данных, передающей каждый кадр реального времени, поэтому он так и называется — кадр SMPTE. Для кодирования битов в LTC сигнале используется схема под названием Bi-Phase Mark: нули кодируются одиночным переворотом фазы на границе периода, единицы — двумя переворотами (один на границе периода, другой в половине периода). LTC-кадр имеет длину 80 бит. Структура кадра показана на рисунке.
Время SMPTE кодируется методом BCD (Binary Coded Decimal). В этом методе под каждую десятичную цифру отводятся четыре бита. В кадре на запись времени отводятся 26 бит, между ними присутствуют дополнительные данные, а завершается все синхрословом (последние 16 бит). Синхрослово используется для определения границы кадра, значение которого фиксировано: 0011 1111 1111 1101.
Время прошло, и на телевидение SMPTE стали писать уже в других форматах: VITC, CTL, BITC, Keykode. Но аналоговый формат по-прежнему остался.
Поговорим теперь о другом формате работы с SMPTE, следующий интерфейс пришел из мира музыки. Мы говорим о MIDI (Musical Instrument Digital Interface), используемом для работы с разными форматами данных. Но сейчас мы затронем только формат работы со временем. И называется он MTC (MIDI Time Code).
Первое отличие его от LTC в том, что этот формат полностью цифровой и кодируется в шестнадцатеричной системе исчисления.
Второе — этот формат нельзя записать на носитель как LTС, этот формат генерируется программно или аппаратно.
И третье — формат MTC отличается от формата LTC тем, что один кадр SMPTE поделен на восемь частей и в одном сообщении MTC передается, только четверть кадра(Quarter Frame).
Теперь подробнее затронем последнее отличие. Не будем углубляться в обширную теорию MIDI, рассмотрим лишь основы работы MTC.
Длина MIDI time codec составляет 32 бит, из которых используются только 24, а 8 оставшихся не используются или всегда равняются нулю. Каждый компонент Time Code кодируется одним байтом.
Byte 0
0rrhhhhh: Rate (0–3) and hour (0–23).
rr = 00: 24 fps
rr = 01: 25 fps
rr = 10: 29.99 fps
rr = 11: 30 fps
Byte 1
00mmmmmm: Minute (0–59)
Byte 2
00ssssss: Second (0–59)
Byte 3
000fffff: Frame (0–30)
Когда Time Code воспроизводится непрерывно, 32 бит временного кода делится на восемь четырехбитных частей, и одна часть передается каждую «четверть кадра» (Quarter Frame). Каждый Quarter Frame содержит статус байт 0xF1, за ним следует 7 бит информации, из которых 3 бит идентифицируют Quarter Frame и 4 бит кодируют часть сообщения времени.
Восемь MIDI time code сообщений одного кадра
Таким образом, на передачу информации об одном кадре SMPTE затрачивается время, равное двум кадрам (8 х 1/4). А значит, при преобразовании SMPTE в MTC только каждый второй кадр попадает в MIDI-таймкод. Это несколько снижает скорость реакции ведомого устройства — для того, чтобы среагировать, ему нужно «прочитать» восемь сообщений Quarter Frame. В реальном времени это может занять от двух до четырех кадров в зависимости от момента начала считывания. Теперь пара тонкостей. В SMPTE (в варианте LTC) приемник считает за начало кадра момент получения первого бит 80-битного пакета.
В MTC за начало кадра считается момент прихода первого и пятого сообщения Quarter Frame в серии, то есть 0xF1 0x0n и 0xF1 0x4n. Но время можно прочитать только после того, как будут получены все восемь сообщений серии. К этому моменту полученное значение времени устареет на два кадра. Для отображения на дисплее правильного времени приемное устройство прибавляет к считанному значению поправку в эти самые два кадра. И помимо этого принимающее устройство само генерирует недостающие кадры.
LTC и MTC – это основные форматы при работе с синхронизацией по времени. Time Code также можно передавать через ArtNet, MSC. Но на сегодняшней день практически нет устройств, которые работают с Time Code по этим протоколам.
Вышеизложенной информации вполне достаточно, чтобы грамотно разбираться в форматах и особенностях SMPTE.
В следующих главах мы более подробно расскажем о практических особенностях, проблемах и способах решения при работе с Time Code.
Как пример простейшей схемы синхронизации по времени можно рассмотреть проект gst.moscow Word of Drum & Basse 2016 в RayJustArena.
Все шоу проходило в Live режиме, но на первый трек каждого диджея было записано шоу. Когда начинал играть новый диджей, мы запускали его стартовый трек на QLab, который транслировал Time Code через внешнюю звуковую карту на световой пульт, на котором уже, в свою очередь, был написан CueList c привязкой к Time Code.
Остались вопросы? Тогда пиши. Facebook, Instagram, Behance, Telegram
Журнал Шоу Мастер. от 3 2016 (86)