網(wǎng)絡(luò)渲染對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)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(shù)學(xué)院

虛擬現(xiàn)實(shí)是指采用多媒體技術(shù)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(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受，并體驗(yàn)技術(shù)形式。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的藝術(shù)作品越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的單個(gè)服務(wù)器進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)作品渲染的方式已經(jīng)不能很好地完成復(fù)雜渲染要求，本文通過提出建立計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染方式對(duì)渲染工作進(jìn)行了改進(jìn)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作就是要?jiǎng)?chuàng)造一種虛擬環(huán)境，在此虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互的效果，不管虛擬環(huán)境是現(xiàn)實(shí)世界本身存在的還是想象出來(lái)的。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作與傳統(tǒng)意義上的藝術(shù)形式創(chuàng)作相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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(shí)藝術(shù)利用三維軟件技術(shù)及交互設(shè)備的支撐，產(chǎn)生一種身臨其境的真實(shí)感，實(shí)現(xiàn)逼真的藝術(shù)效果。使觀眾沉浸在虛擬空間中，通過與虛擬環(huán)境產(chǎn)生的交互作用，實(shí)現(xiàn)像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣與虛擬事物進(jìn)行交流，從而更加直接地接觸虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作所要表達(dá)的信息。

2．交互性：指人對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)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(dòng)、所表達(dá)的意愿或所傳播的信息得到另一方的應(yīng)答，這一過程就構(gòu)成了交互。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作把傳統(tǒng)和現(xiàn)代的藝術(shù)形式結(jié)合起來(lái)，利用現(xiàn)代化交互技術(shù)可以讓藝術(shù)作品與更多的觀眾進(jìn)行直接的交流。

3．構(gòu)想性：虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作可以對(duì)藝術(shù)家的想象力無(wú)限突破，不僅可以隨著藝術(shù)創(chuàng)作改變客觀存在的真實(shí)環(huán)境，也可以隨意構(gòu)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(shù)家可以拓展想象，打開更廣闊的創(chuàng)作空間。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式的創(chuàng)作通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介入將會(huì)大大提升藝術(shù)作品的層次和水平。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式創(chuàng)作能夠生成一個(gè)能產(chǎn)生視、聽、觸等感受的動(dòng)態(tài)的、交互的環(huán)境，可以滿足藝術(shù)創(chuàng)作對(duì)表現(xiàn)感受的追求，它所具有的對(duì)感官世界的強(qiáng)大沖擊力，吸引著藝術(shù)家去體驗(yàn)和創(chuàng)作。

二、建立計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)

1．集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)的應(yīng)用

作為一種新興的藝術(shù)創(chuàng)作形式，同時(shí)也是對(duì)多學(xué)科的技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用，集群化網(wǎng)絡(luò)渲染在重視藝術(shù)創(chuàng)作思維的同時(shí)，要有技術(shù)上的輔助，來(lái)完成最終的藝術(shù)作品的創(chuàng)作。渲染(Rendering)是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)，首先根據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立所需場(chǎng)景的幾何模型，附上一定的材質(zhì)、紋理及色彩，再加上光源，然后根據(jù)一定的光照條件，計(jì)算并生成具有真實(shí)感效果場(chǎng)景圖形的方式。所有利用虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式的創(chuàng)作，都需要對(duì)最終效果進(jìn)行實(shí)時(shí)或整體的渲染，作為藝術(shù)創(chuàng)作過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，渲染是一個(gè)在計(jì)算機(jī)中對(duì)大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的過程，對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景和實(shí)時(shí)渲染成像要求，普通單機(jī)渲染遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，則需要建立集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)。

2．集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)的建立

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立CPU和GPU渲染能力十分有限，因此采用并行集群網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)可充分利用網(wǎng)絡(luò)資源連接，進(jìn)一步提升渲染效率。集群網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)主要由渲染服務(wù)器、文件分發(fā)服務(wù)器、中央存儲(chǔ)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(wù)提交的流程。首先用戶在客戶端上提交任務(wù)給控制計(jì)算機(jī)，由控制計(jì)算機(jī)根據(jù)負(fù)載平于衡向不同的工作節(jié)點(diǎn)分發(fā)任務(wù)，同時(shí)控制計(jì)算機(jī)也要存儲(chǔ)由工作節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的渲染結(jié)果，最后將渲染結(jié)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(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也越大，需要的網(wǎng)絡(luò)速率也越大，但是對(duì)于一個(gè)具體網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸能力是一定的。表1中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定持續(xù)的有效數(shù)據(jù)傳輸能力為200Mbps，這個(gè)假設(shè)是合理的，是在實(shí)際集群網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上充分考慮冗余之后提出的。表1根據(jù)網(wǎng)絡(luò)承受力計(jì)算出合理的渲染復(fù)雜度門限(最低值)，就能保證在網(wǎng)絡(luò)承載力允許的范圍內(nèi)，充分利用并行系統(tǒng)，有效提高渲染效率。假定集群網(wǎng)絡(luò)中參與渲染運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)為5個(gè)。從表1可看出，圖像越大，能發(fā)揮集群優(yōu)勢(shì)的渲染效率也相應(yīng)增加。

集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)是解決大規(guī)模渲染的有效途徑，利用高速網(wǎng)絡(luò)將高性能工作站或電腦通過網(wǎng)絡(luò)相互連接起來(lái)，通過實(shí)時(shí)調(diào)用分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)渲染任務(wù)分發(fā)軟件程序設(shè)計(jì)，以及可視化人機(jī)交互集成開發(fā)環(huán)境支持下，統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)高效并行處理的集群化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)，使用現(xiàn)有分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的單機(jī)電腦，通過網(wǎng)絡(luò)相互進(jìn)行，發(fā)揮整體計(jì)算能力，其成本大大低于傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。建立計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)有節(jié)約系統(tǒng)整體資源、擴(kuò)展性好、接入實(shí)時(shí)方便、用戶操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(diǎn)進(jìn)行聯(lián)機(jī)渲染，效率和質(zhì)量都大大提高，使實(shí)時(shí)觀看虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作的最終效果成為可能。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)與集群化網(wǎng)絡(luò)渲染技術(shù)的關(guān)系

1．建立計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染與虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作相結(jié)合

建立計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染是一種對(duì)渲染技術(shù)的提升，可以提高虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作的效率，但單純的依靠技術(shù)形成的復(fù)雜的環(huán)境是不會(huì)使人融入其中的效果的，對(duì)于藝術(shù)創(chuàng)作來(lái)說，作品不能只是單單崇尚于技術(shù)的發(fā)揮，也應(yīng)該考慮到應(yīng)用于實(shí)際的藝術(shù)創(chuàng)作，是技術(shù)與藝術(shù)相互融合。技術(shù)給人的感覺往往是理性的、冷漠的、客觀的。而藝術(shù)是感性的、主觀的、親切的。藝術(shù)給人們帶來(lái)了美的享受，它為我們描繪了主觀美好的生活圖像。技術(shù)能推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，能幫助人們有目的創(chuàng)造人們需要的事物。藝術(shù)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(gè)體性及情感性。在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)共同發(fā)揮技術(shù)與藝術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)。目前大部分虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)作品的實(shí)現(xiàn)最后要借助渲染平臺(tái)進(jìn)行輸出服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)虛擬環(huán)境的創(chuàng)造和在這種情況下完成的藝術(shù)創(chuàng)作交互。此過程中不論是對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的虛擬還是臆斷構(gòu)想的模擬都需要完成與人的交流與互動(dòng)，這也是計(jì)算機(jī)集群化網(wǎng)絡(luò)渲染的建立與虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作相結(jié)合的意義。

2．集群化網(wǎng)絡(luò)渲染解決虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作的實(shí)際需要

目前，很多藝術(shù)專業(yè)都涉及虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)形式的創(chuàng)作，比如環(huán)境藝術(shù)專業(yè)，通過設(shè)計(jì)和建造虛擬的環(huán)境可以讓觀眾主動(dòng)的去感受理解設(shè)計(jì)者的思路和觀看效果；工業(yè)設(shè)計(jì)藝術(shù)專業(yè)，可以直觀顯示出作品整體的效果進(jìn)行隨時(shí)修改；視覺傳達(dá)藝術(shù)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(shù)專業(yè)，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作的交互性，進(jìn)一步使作品和觀眾進(jìn)行互動(dòng)，更好的理解創(chuàng)作者的思路；動(dòng)畫藝術(shù)專業(yè)，可以創(chuàng)造出虛擬的情景來(lái)進(jìn)一步展現(xiàn)自己的作品。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)是藝術(shù)的一種新的形式，集群化網(wǎng)絡(luò)渲染技術(shù)是一種客觀存在，既然虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)是要?jiǎng)?chuàng)造一種虛擬環(huán)境讓觀眾去感受和體驗(yàn)，就必須利用相應(yīng)的技術(shù)手段，作為其創(chuàng)作實(shí)現(xiàn)的方式。藝術(shù)與技術(shù)不是各自孤立的兩種形態(tài)，技術(shù)與藝術(shù)的融合非常重要。在虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造藝術(shù)作品時(shí)我們應(yīng)該適當(dāng)?shù)膶⒓夹g(shù)引入其中。而藝術(shù)與技術(shù)的融合正是虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作最顯著的特征，集群化網(wǎng)絡(luò)渲染可以快速、完美地把靜態(tài)藝術(shù)轉(zhuǎn)換成觀眾可以探索的動(dòng)態(tài)藝術(shù)，使觀眾更好地欣賞與理解作者的藝術(shù)思想。同時(shí)，使藝術(shù)家在虛擬空間自由地實(shí)現(xiàn)自己的奇思妙想，創(chuàng)造出更多靈動(dòng)而富想象力的藝術(shù)作品，從而帶給人們新的藝術(shù)體驗(yàn)。

3．集群化網(wǎng)絡(luò)渲染對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)創(chuàng)作的輔助作用

技術(shù)和藝術(shù)之間存在很大的差異，甚至覺得技術(shù)和藝術(shù)是完全對(duì)立的兩個(gè)方面，但正是因?yàn)榧夹g(shù)與藝術(shù)之間的差異，才能共同為我們構(gòu)成一個(gè)完美的世界，所以技術(shù)和藝術(shù)也是兩個(gè)相互補(bǔ)充的個(gè)體，藝術(shù)和技術(shù)向我們共同展示了感性和理性的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)作為一種跨學(xué)科的藝術(shù)創(chuàng)作形式，作品是實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)虛擬環(huán)境的創(chuàng)造和在這種情況下完成的藝術(shù)創(chuàng)作的交互效果。集群化網(wǎng)絡(luò)渲染系統(tǒng)的建立作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)手段，在藝術(shù)創(chuàng)作輸出時(shí)提供技術(shù)上的支持，使技術(shù)在藝術(shù)創(chuàng)作中發(fā)揮作用。正是由于藝術(shù)創(chuàng)作者意識(shí)到渲染技術(shù)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)的重要輔助作用，利用技術(shù)與藝術(shù)的優(yōu)勢(shì)共同作用到作品創(chuàng)作中，從而能夠獲得作品的成功。藝術(shù)和技術(shù)都發(fā)揮了在虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)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(jīng)驗(yàn)。合理高效地利用技術(shù)可以對(duì)藝術(shù)創(chuàng)作提供輔助作用。