網絡渲染對虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的作用

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本文作者：張亭、高樹清 單位：天津美術學院

虛擬現(xiàn)實是指采用多媒體技術為核心的現(xiàn)代化高科技手段創(chuàng)造逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，相互影響，從而產生親臨真實環(huán)境的感受，并體驗技術形式。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實產生的藝術作品越來越復雜。傳統(tǒng)的單個服務器進行虛擬現(xiàn)實藝術作品渲染的方式已經不能很好地完成復雜渲染要求，本文通過提出建立計算機集群化網絡渲染方式對渲染工作進行了改進。

一、虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作的特點

虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作就是要創(chuàng)造一種虛擬環(huán)境，在此虛擬環(huán)境中實現(xiàn)交互的效果，不管虛擬環(huán)境是現(xiàn)實世界本身存在的還是想象出來的。虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作與傳統(tǒng)意義上的藝術形式創(chuàng)作相比，有以下幾個特點：

1．沉浸感：是指特定環(huán)境提供的感覺通道和人獲取感覺信息的廣度和深度。虛擬現(xiàn)實藝術利用三維軟件技術及交互設備的支撐，產生一種身臨其境的真實感，實現(xiàn)逼真的藝術效果。使觀眾沉浸在虛擬空間中，通過與虛擬環(huán)境產生的交互作用，實現(xiàn)像在現(xiàn)實生活中一樣與虛擬事物進行交流，從而更加直接地接觸虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作所要表達的信息。

2．交互性：指人對虛擬環(huán)境內物體的可操作程度和事物之間有反饋的相互作用，凡是某一方所采取的行動、所表達的意愿或所傳播的信息得到另一方的應答，這一過程就構成了交互。虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作把傳統(tǒng)和現(xiàn)代的藝術形式結合起來，利用現(xiàn)代化交互技術可以讓藝術作品與更多的觀眾進行直接的交流。

3．構想性：虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作可以對藝術家的想象力無限突破，不僅可以隨著藝術創(chuàng)作改變客觀存在的真實環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境，這使得藝術家可以拓展想象，打開更廣闊的創(chuàng)作空間。虛擬現(xiàn)實藝術形式的創(chuàng)作通過虛擬現(xiàn)實技術的介入將會大大提升藝術作品的層次和水平。虛擬現(xiàn)實藝術形式創(chuàng)作能夠生成一個能產生視、聽、觸等感受的動態(tài)的、交互的環(huán)境，可以滿足藝術創(chuàng)作對表現(xiàn)感受的追求，它所具有的對感官世界的強大沖擊力，吸引著藝術家去體驗和創(chuàng)作。

二、建立計算機集群化網絡渲染系統(tǒng)

1．集群化網絡渲染系統(tǒng)的應用

作為一種新興的藝術創(chuàng)作形式，同時也是對多學科的技術進行融合應用，集群化網絡渲染在重視藝術創(chuàng)作思維的同時，要有技術上的輔助，來完成最終的藝術作品的創(chuàng)作。渲染(Rendering)是一種計算機圖形生成技術，首先根據在計算機內建立所需場景的幾何模型，附上一定的材質、紋理及色彩，再加上光源，然后根據一定的光照條件，計算并生成具有真實感效果場景圖形的方式。所有利用虛擬現(xiàn)實藝術形式的創(chuàng)作，都需要對最終效果進行實時或整體的渲染，作為藝術創(chuàng)作過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，渲染是一個在計算機中對大量數(shù)據運算的過程，對于大規(guī)模復雜場景和實時渲染成像要求，普通單機渲染遠遠不能達到要求，則需要建立集群化網絡渲染系統(tǒng)。

2．集群化網絡渲染系統(tǒng)的建立

在網絡環(huán)境中，由于網絡中每個節(jié)點的獨立CPU和GPU渲染能力十分有限，因此采用并行集群網絡渲染系統(tǒng)可充分利用網絡資源連接，進一步提升渲染效率。集群網絡渲染系統(tǒng)主要由渲染服務器、文件分發(fā)服務器、中央存儲系統(tǒng)、渲染管理軟件Enfuzion等組成。圖1顯示了渲染管理軟件Enfuzion任務提交的流程。首先用戶在客戶端上提交任務給控制計算機，由控制計算機根據負載平于衡向不同的工作節(jié)點分發(fā)任務，同時控制計算機也要存儲由工作節(jié)點產生的渲染結果，最后將渲染結果返回給用戶。

3．渲染算法性能分析

表1中列出了三種常用的影視數(shù)字媒體圖像尺寸，圖像越大，實時傳輸?shù)臄?shù)據量也越大，需要的網絡速率也越大，但是對于一個具體網絡，其數(shù)據傳輸能力是一定的。表1中假設網絡穩(wěn)定持續(xù)的有效數(shù)據傳輸能力為200Mbps，這個假設是合理的，是在實際集群網絡平臺上充分考慮冗余之后提出的。表1根據網絡承受力計算出合理的渲染復雜度門限(最低值)，就能保證在網絡承載力允許的范圍內，充分利用并行系統(tǒng)，有效提高渲染效率。假定集群網絡中參與渲染運算的節(jié)點為5個。從表1可看出，圖像越大，能發(fā)揮集群優(yōu)勢的渲染效率也相應增加。

集群化網絡渲染系統(tǒng)是解決大規(guī)模渲染的有效途徑，利用高速網絡將高性能工作站或電腦通過網絡相互連接起來，通過實時調用分布式存儲系統(tǒng)，在網絡渲染任務分發(fā)軟件程序設計，以及可視化人機交互集成開發(fā)環(huán)境支持下，統(tǒng)一調度，協(xié)調處理，實現(xiàn)高效并行處理的集群化計算機網絡渲染系統(tǒng)，使用現(xiàn)有分布在各個實驗室的單機電腦，通過網絡相互進行，發(fā)揮整體計算能力，其成本大大低于傳統(tǒng)的超級計算機。建立計算機集群化網絡渲染系統(tǒng)有節(jié)約系統(tǒng)整體資源、擴展性好、接入實時方便、用戶操作簡單等特點。渲染系統(tǒng)中分發(fā)軟件可以使并行集群系統(tǒng)上各節(jié)點進行聯(lián)機渲染，效率和質量都大大提高，使實時觀看虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的最終效果成為可能。

三、虛擬現(xiàn)實藝術與集群化網絡渲染技術的關系

1．建立計算機集群化網絡渲染與虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作相結合

建立計算機集群化網絡渲染是一種對渲染技術的提升，可以提高虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的效率，但單純的依靠技術形成的復雜的環(huán)境是不會使人融入其中的效果的，對于藝術創(chuàng)作來說，作品不能只是單單崇尚于技術的發(fā)揮，也應該考慮到應用于實際的藝術創(chuàng)作，是技術與藝術相互融合。技術給人的感覺往往是理性的、冷漠的、客觀的。而藝術是感性的、主觀的、親切的。藝術給人們帶來了美的享受，它為我們描繪了主觀美好的生活圖像。技術能推動社會的發(fā)展，能幫助人們有目的創(chuàng)造人們需要的事物。藝術能為人們展示世界的豐富性和多樣性，能為我們的世界創(chuàng)造主觀性、個體性及情感性。在虛擬現(xiàn)實領域應共同發(fā)揮技術與藝術各自的優(yōu)勢。目前大部分虛擬現(xiàn)實藝術作品的實現(xiàn)最后要借助渲染平臺進行輸出服務，實現(xiàn)對一個虛擬環(huán)境的創(chuàng)造和在這種情況下完成的藝術創(chuàng)作交互。此過程中不論是對現(xiàn)實情況的虛擬還是臆斷構想的模擬都需要完成與人的交流與互動，這也是計算機集群化網絡渲染的建立與虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作相結合的意義。

2．集群化網絡渲染解決虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的實際需要

目前，很多藝術專業(yè)都涉及虛擬現(xiàn)實藝術形式的創(chuàng)作，比如環(huán)境藝術專業(yè)，通過設計和建造虛擬的環(huán)境可以讓觀眾主動的去感受理解設計者的思路和觀看效果；工業(yè)設計藝術專業(yè)，可以直觀顯示出作品整體的效果進行隨時修改；視覺傳達藝術專業(yè)，可以直觀表現(xiàn)出視覺作品的呈現(xiàn)效果；數(shù)字媒體藝術專業(yè)，可以通過虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的交互性，進一步使作品和觀眾進行互動，更好的理解創(chuàng)作者的思路；動畫藝術專業(yè)，可以創(chuàng)造出虛擬的情景來進一步展現(xiàn)自己的作品。虛擬現(xiàn)實藝術是藝術的一種新的形式，集群化網絡渲染技術是一種客觀存在，既然虛擬現(xiàn)實藝術是要創(chuàng)造一種虛擬環(huán)境讓觀眾去感受和體驗，就必須利用相應的技術手段，作為其創(chuàng)作實現(xiàn)的方式。藝術與技術不是各自孤立的兩種形態(tài)，技術與藝術的融合非常重要。在虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造藝術作品時我們應該適當?shù)膶⒓夹g引入其中。而藝術與技術的融合正是虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作最顯著的特征，集群化網絡渲染可以快速、完美地把靜態(tài)藝術轉換成觀眾可以探索的動態(tài)藝術，使觀眾更好地欣賞與理解作者的藝術思想。同時，使藝術家在虛擬空間自由地實現(xiàn)自己的奇思妙想，創(chuàng)造出更多靈動而富想象力的藝術作品，從而帶給人們新的藝術體驗。

3．集群化網絡渲染對虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作的輔助作用

技術和藝術之間存在很大的差異，甚至覺得技術和藝術是完全對立的兩個方面，但正是因為技術與藝術之間的差異，才能共同為我們構成一個完美的世界，所以技術和藝術也是兩個相互補充的個體，藝術和技術向我們共同展示了感性和理性的世界。虛擬現(xiàn)實藝術作為一種跨學科的藝術創(chuàng)作形式，作品是實現(xiàn)對一個虛擬環(huán)境的創(chuàng)造和在這種情況下完成的藝術創(chuàng)作的交互效果。集群化網絡渲染系統(tǒng)的建立作為一種虛擬現(xiàn)實的技術手段，在藝術創(chuàng)作輸出時提供技術上的支持，使技術在藝術創(chuàng)作中發(fā)揮作用。正是由于藝術創(chuàng)作者意識到渲染技術對虛擬現(xiàn)實藝術的重要輔助作用，利用技術與藝術的優(yōu)勢共同作用到作品創(chuàng)作中，從而能夠獲得作品的成功。藝術和技術都發(fā)揮了在虛擬現(xiàn)實藝術創(chuàng)作過程中所發(fā)現(xiàn)的美，在這些不同類型的美中獲得不同的審美經驗。合理高效地利用技術可以對藝術創(chuàng)作提供輔助作用。