網絡渲染對虛擬現實藝術創作的作用
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本文作者：張亭、高樹清 單位：天津美術學院
虛擬現實是指采用多媒體技術為核心的現代化高科技手段創造逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環境，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境的感受，并體驗技術形式。隨著虛擬現實技術的發展，虛擬現實產生的藝術作品越來越復雜。傳統的單個服務器進行虛擬現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。
虛擬現實藝術形式創作就是要創造一種虛擬環境，在此虛擬環境中實現交互的效果，不管虛擬環境是現實世界本身存在的還是想象出來的。虛擬現實藝術形式創作與傳統意義上的藝術形式創作相比，有以下幾個特點：
1．沉浸感：是指特定環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，實現逼真的藝術效果。使觀眾沉浸在虛擬空間中，通過與虛擬環境產生的交互作用，實現像在現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實藝術形式創作所要表達的信息。
2．交互性：指人對虛擬環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。虛擬現實藝術形式創作把傳統和現代的藝術形式結合起來，利用現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：虛擬現實藝術形式創作可以對藝術家的想象力無限突破，不僅可以隨著藝術創作改變客觀存在的真實環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境，這使得藝術家可以拓展想象，打開更廣闊的創作空間。虛擬現實藝術形式的創作通過虛擬現實技術的介入將會大大提升藝術作品的層次和水平。虛擬現實藝術形式創作能夠生成一個能產生視、聽、觸等感受的動態的、交互的環境，可以滿足藝術創作對表現感受的追求，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作。
二、建立計算機集群化網絡渲染系統
1．集群化網絡渲染系統的應用
作為一種新興的藝術創作形式，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。所有利用虛擬現實藝術形式的創作，都需要對最終效果進行實時或整體的渲染，作為藝術創作過程中不可缺少的重要環節，渲染是一個在計算機中對大量數據運算的過程，對于大規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。
2．集群化網絡渲染系統的建立
在網絡環境中，由于網絡中每個節點的獨立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。集群網絡渲染系統主要由渲染服務器、文件分發服務器、中央存儲系統、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點分發任務，同時控制計算機也要存儲由工作節點產生的渲染結果，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字媒體圖像尺寸，圖像越大，實時傳輸的數據量也越大，需要的網絡速率也越大，但是對于一個具體網絡，其數據傳輸能力是一定的。表1中假設網絡穩定持續的有效數據傳輸能力為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，有效提高渲染效率。假定集群網絡中參與渲染運算的節點為5個。從表1可看出，圖像越大，能發揮集群優勢的渲染效率也相應增加。
集群化網絡渲染系統是解決大規模渲染的有效途徑，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，在網絡渲染任務分發軟件程序設計，以及可視化人機交互集成開發環境支持下，統一調度，協調處理，實現高效并行處理的集群化計算機網絡渲染系統，使用現有分布在各個實驗室的單機電腦，通過網絡相互進行，發揮整體計算能力，其成本大大低于傳統的超級計算機。建立計算機集群化網絡渲染系統有節約系統整體資源、擴展性好、接入實時方便、用戶操作簡單等特點。渲染系統中分發軟件可以使并行集群系統上各節點進行聯機渲染，效率和質量都大大提高，使實時觀看虛擬現實藝術創作的最終效果成為可能。
三、虛擬現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實藝術創作相結合
建立計算機集群化網絡渲染是一種對渲染技術的提升，可以提高虛擬現實藝術創作的效率，但單純的依靠技術形成的復雜的環境是不會使人融入其中的效果的，對于藝術創作來說，作品不能只是單單崇尚于技術的發揮，也應該考慮到應用于實際的藝術創作，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展，能幫助人們有目的創造人們需要的事物。藝術能為人們展示世界的豐富性和多樣性，能為我們的世界創造主觀性、個體性及情感性。在虛擬現實領域應共同發揮技術與藝術各自的優勢。目前大部分虛擬現實藝術作品的實現最后要借助渲染平臺進行輸出服務，實現對一個虛擬環境的創造和在這種情況下完成的藝術創作交互。此過程中不論是對現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實藝術創作相結合的意義。
2．集群化網絡渲染解決虛擬現實藝術創作的實際需要
目前，很多藝術專業都涉及虛擬現實藝術形式的創作，比如環境藝術專業，通過設計和建造虛擬的環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；工業設計藝術專業，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，可以直觀表現出視覺作品的呈現效果；數字媒體藝術專業，可以通過虛擬現實藝術創作的交互性，進一步使作品和觀眾進行互動，更好的理解創作者的思路；動畫藝術專業，可以創造出虛擬的情景來進一步展現自己的作品。虛擬現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，既然虛擬現實藝術是要創造一種虛擬環境讓觀眾去感受和體驗，就必須利用相應的技術手段，作為其創作實現的方式。藝術與技術不是各自孤立的兩種形態，技術與藝術的融合非常重要。在虛擬現實創造藝術作品時我們應該適當的將技術引入其中。而藝術與技術的融合正是虛擬現實藝術創作最顯著的特征，集群化網絡渲染可以快速、完美地把靜態藝術轉換成觀眾可以探索的動態藝術，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自己的奇思妙想，創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實藝術創作的輔助作用
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。虛擬現實藝術作為一種跨學科的藝術創作形式，作品是實現對一個虛擬環境的創造和在這種情況下完成的藝術創作的交互效果。集群化網絡渲染系統的建立作為一種虛擬現實的技術手段，在藝術創作輸出時提供技術上的支持，使技術在藝術創作中發揮作用。正是由于藝術創作者意識到渲染技術對虛擬現實藝術的重要輔助作用，利用技術與藝術的優勢共同作用到作品創作中，從而能夠獲得作品的成功。藝術和技術都發揮了在虛擬現實藝術創作過程中所發現的美，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作提供輔助作用。
