高性能计算与数字媒体技术实验教学平台建设初探

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摘要：建立高性能计算与数字媒体技术实验教学平台可将传统的数字媒体教学与高端虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）有机地结合，在综合资源、设备资源共享的基础上，围绕新世纪我国动画、影视和计算机游戏等数字媒体技术对专业设计制作人才的需求，以及石油勘探开发领域信息可视化与多媒体数字技术相结合的迫切要求，以完善、配套数字媒体专业各门专业基础课的实验教学为出发点，优化实验教学结构，提高教学水平和学生创新动手能力。

关键词：高性能计算；数字媒体技术

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）30-6889-03

1 现状及存在的主要问题

高性能计算与数字媒体技术实验教学平台是以我校计算机学院2009年申办的“数字媒体技术”新专业和“油气信息系统工程研究中心”为支撑进行建设的。

数字媒体技术专业隶属西安石油大学计算机学院，是2009年申办的新专业。专业定位是培养“技术为主导，技术与艺术相结合”的中高级复合型人才。因此，本专业的学生不仅将学习数字媒体技术和艺术的基本理论及专业知识，还需要接受数字媒体开发所需要的软件技术与艺术设计的基本训练，借助于计算机的广告动画、电子商务网站设计、电子出版、多媒体及远程教育软件的设计与制作、电视电影的特技制作、电子游戏设计制作、虚拟现实中的各种媒体表现，掌握必备的网络多媒体技术和编程技术，能进行网站整体形象设计与策划、网络动画、网络广告、网络视音频艺术设计与制作，掌握面向网络环境、新型交互数字媒体研究与开发的综合知识和技能，形成具有现代意识的复合型高级人才。学生来自全国20多个省、市、自治区，毕业后可服务于与IT有关的各大门户网站、网络公司、电视台或电台网站、广告制作公司、电子音像出版社、多媒体软件开发与制作公司、电脑视音频娱乐产品开发与制作公司、交互式多媒体应用开发与制作公司等与各种数字设计、媒体制作和传播等工作。

“油气信息系统工程研究中心”主要研究石油行业各类信息系统建设和管理信息系统基本理论、建模方法、系统开发、系统集成和系统支撑技术等规律性问题，为以计算机和其他信息技术为手段的石油行业各类信息系统提供科学的开发方法、管理手段及有关的工具、标准、规范等。经过近八年的努力，实现了研究中心（实验室）在科研项目和经费（包括纵向课题）、科研文章（包括核心期刊）、专著和教材等各个方面的快速发展，形成了人员稳定、结构合理、师资力量较强的学术梯队和有一定特色的较为稳定的研究方向。

2 建设的指导思想

高性能计算与数字媒体技术实验平台建设本着坚持“拓宽专业、加强基础、提高能力、注重素质”的教改思路，在处理好教学与科研、学科与学科、长远和当前的关系的基础上，搞好整体设计布局，进行实验教学内容体系的改革，增加设计型、综合型的实验项目；通过实验室的扩容、改造和建设，提升实验条件，提高实验室建设层次，力争实验设备达到国内同类院校的平均水平，提升学生的基本实验技能和创新能力，实现产学研协调发展，建成省级实验教学示范中心。

3 建设目标

3.1 项目建设目标

“高性能计算与数字媒体技术实验平台”是将传统的数字媒体教学与高端虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）有机地结合，建立一个集教学和科研于一体，使用户具有身临其境的感觉和实时交互能力的综合性高性能计算与数字媒体技术实验教学平台，从而将教学与科研环境提升到一个具有技术创新水平的平台高度。立足于本科教学，兼顾研究生教育，提升教师科研能力。专业的培养目标、知识结构、教学思想和方法始终与社会需求相紧密联系，强化工程实践环节的建设，使毕业生具有较强的实践动手能力。

在计算机教学方面满足计算机图形学、数字图像处理、动画设计、三维动画技术、数字摄影与摄像技术、数字视音频技术、多媒体技术与应用、游戏设计与开发、虚拟现实、人机交互、数字媒体设计、视频特技与非线性编辑、动画广告创意与设计等相关专业课程的实验教学、课程设计和毕业实习的需要；在艺术方面通过色彩构成、平面构成、场景设计 、角色形象设计等知识渗透，为学生提供一个专业学习环境，更好地培养学生的实践能力，为其以后从事广告设计、网站设计、计算机图像处理、媒体视频处理、电影特效处理、游戏艺术设计开发等工作奠定基础。

在科研上重在突出油气信息高性能计算在计算智能的油藏表征与描述、基于软计算的石油地质建模理论与方法、计算智能与石油测井数据分析与评价、计算智能与地震资料的数据处理、计算智能在钻井故障诊断中的应用、计算智能与油气藏描述、计算智能与油气开采的风险评估、地质网格计算与油藏模拟、有限元法与油藏模拟、流线式油藏模拟、空间数据库与空间数据挖掘、地质统计学及其应用、数字油田等方面的科研应用，适应信息技术发展的需要，适应石油工业海量数据存储和计算能力不断增长的需求。

3.2 项目建设的意义和可行性分析

3.2.1 建设意义

随着计算机技术、网络技术和数字通信技术的高速发展，传统的广播、电影快速地向数字音频、数字视频、数字电影方向发展，与日益普及的电脑动画、虚拟现实等构成了新一代的数字传播媒体。数字媒体技术专业致力于培养能适应传媒业所需和参与数字媒体、网络媒体设计与制作的创意人才与技术人才。毕业生要求能熟练掌握数字媒体应用技术和数字媒体艺术设计理论，适应新媒体艺术创作、网络多媒体制作、广告、影视动画、大众传媒等。

同时，为了适应西北地区能源这一人才市场的需求，随着石油单位以及社会对数字媒体技术人才应用的增加，我系新申办了数字媒体技术专业，该专业前景发展十分广阔。高性能计算与数字媒体技术实验平台作为数字媒体技术专业的唯一专业实验室，它的发展前景也和专业发展前景一样广阔，在教学和科研上该实验平台能够提升学校办学的整体水平，培养出更多的能适应于社会需求的专业人才。

目前学校的教学实验平台较落后，阻碍了教师的教学研究工作和学生专业技能培养，为此拟申请共建专项资金用于科研实验平台的建设，使数字媒体技术专业的科研条件达到国内先进技术水平，从而为数字媒体技术专业的教学、科学研究和科技创新提供支持。

3.2.2 可行性分析

数字媒体技术是计算机科学技术、网络技术、数字通信技术及艺术等多学科交叉的高新技术，我院数字媒体技术专业的人才培养主要围绕新世纪我国动画和计算机游戏等数字媒体产业对专业设计制作人才的需求，以及石油勘探开发领域信息可视化与多媒体数字技术的应用迫切需求，以技术为主、技术与艺术并重，以培养学生的动画和计算机游戏等数字文化艺术作品的设计、制作和技术创新能力为核心，强调数字媒体制作和软件开发能力的培养，其目标是培养应用型高级专门人才。因此，需加强实践教学和学生的数字媒体的开发设计能力，实现大众知识体系与产业需求之间无障碍对接。

虚拟现实技术是一种全新的数字化人机接口技术，也是数字媒体技术的高级阶段。它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等多感知的三维虚拟环境，用户可通过使用各种交互设备身临其境地与虚拟环境进行交互、仿真和信息交流。

高性能计算作为第三大科学方法和第一生产力的地位与作用被广泛认识，并开始走出原来的科研计算向更为广阔的商业计算和信息化服务领域扩展。更多的典型应用在电子政务、石油物探、分子材料研究、金融服务、教育信息化和企业信息化中得以展现。由于商品化趋势使得大量生产的商品部件接近了高性能计算机专有部件，标准化趋势使得这些部件之间能够集成在一个系统中。高性能计算走向普及已是大势所趋。

高性能计算与数字媒体技术实验教学平台的建立正是立足于凸显虚拟现实和高性能计算技术，从教学和科研两个环节的紧密结合来培养学生的实践动手能力。通过该平台学生参与媒体作品的设计与开发，能够很直观、真实地体验媒体开发的整个过程，对提高实验教学水平具有重要意义。

从以上分析可看出，高性能计算与数字媒体技术实验教学平台室项目建设符合我校学科发展规划要求，在技术上是先进的、经济上是合理的、教学上是适用的。对于转变实验教学思想、优化学科结构、改善实验条件、提高专业实验教学水平是有利的，其建设是必要的。

4 主要建设内容

该项目建立的实验平台主要由九个组成部分：开发与渲染平台、三维沉浸式显示系统、桌面型开发子系统、6自由度实时交互系统、集成控制系统、高性能集群服务器、快速网络交换机、负载共享系统软件Platform LSF、非PC环境的嵌入式实时网络音视频接口装置等，使各部分协同工作，共同组成一套完整的高性能计算与数字媒体技术实验教学平台。

1）开发与渲染平台。即三维图像生成与处理系统，包括虚拟现实工作站和虚拟现实软件平台两部分。采用高性能专业虚拟现实工作站作为图像生成处理的硬件开发平台，负责虚拟现实应用的开发、运算、渲染和显示输出；虚拟现实软件平台部分作为二次开发的高层API，用于建立三维图形场景驱动和软件开发环境。

2）三维沉浸式显示系统。采用双通道沉浸式柱面立体投影显示系统，构成一个完整的具有高度沉浸感的沉浸式显示环境，用户利用必要的交互设备即可从不同角度和方位实现与虚拟场景的实时交互、操纵，漫游。

3）桌面型开发子系统。为个人或小组单独用于学习和科研的小型数字媒体VR系统。建设30套，可满足30-60人规模的班级同时开展实验。该子系统与大屏幕沉浸式柱面立体投影系统相结合，将构成一个集教学与科研为一体的高性能计算与数字媒体技术实验教学平台教学系统。

4）6自由度实时交互系统。实时交互性是虚拟现实技术与三维动画及多媒体技术的根本区别之处，因此，实时交互是高性能计算与数字媒体技术实验教学平台的必备功能。配置6自由度空间模型交互系统作为主要的交互系统设备，作为虚拟现实交互技术的实现载体。该交互系统是虚拟现实应用中的人机交互接口，利用它可获得非常逼真的人机交互感觉。

5）集成控制系统。是高性能计算与数字媒体技术实验教学平台的管理与控制中心，采用无线触摸屏中央控制系统，使整个平台的各部分顺利地运行并能够协同工作。

6）高性能集群服务器。随着计算机网络的不断发展，全球信息化已成为人类发展的大趋势。但由于基于服务器和终端机的计算机网络具有联结形式多样性、终端分布不均匀性和网络的开放性、互连性等特征，同时种类繁杂的各种应用程序自身的代码缺陷导致的漏洞致使网络整体易受黑客、恶意软件和其他不轨的攻击，而黑客的攻击行为也从单纯的能力炫耀转变为利益驱使的不法商业行为，所以网络中整体信息的安全和保密是一个至关重要的问题，其承载和处理信息的服务器安全和保密技术保障尤为重要。高性能集群服务器一方面能全方位地针对各种不同的威胁和脆弱性，确保网络信息的保密性、完整性和可用性。另一方面提高海量数据信息的计算效率。

7）快速网络交换机。EN-3408SVW 11英寸铁壳WEB管理型快速以太网交换机，提供8个10/100/1000Mbps RJ45自适应端口。所有端口均支持自动翻转功能（Auto MDI/MDIX），既可用作普通口，也可用作Uplink口。EN-3408WVW提供了一个简单、经济、高性能、无缝隙、标准的迁移到1000M网络的解决方法，提供全中文Web管理和通过 Console口进行的带外管理，提供线路检测功能，为线路故障排除提供方便。支持端口限速、端口镜像、端口汇聚、基于802.1x的端口安全控制和基于端口的VLAN管理等功能，在提高工作组性能上提供了很大的灵活性，具有使用简单灵活，安装方便，性能优越，性价比高的特点。

8）负载共享系统软件Platform LSF。随着计算机网络化的发展，许多传统大型计算机的客户都纷纷将自己的计算业务和数据处理转到分布式计算环境之中，这种转向无疑增强了工作站的计算能力，降低了成本，但同时却带来了如何使分布和异构计算机网络形成协调一致的计算环境问题。负载共享系统软件LSF（Load Sharing Facility）可使分布式计算机系统实现负载共享，使用户最大限度地利用分布式异构网络环境中的各种资源，提高效率、降低成本。

9）非PC环境的嵌入式实时网络音视频接口装置。非PC环境的嵌入式实时网络音视频接口装置主要由嵌入式实时网络音视频系统硬件平台、嵌入式实时网络音视频系统软件平台、实时音视频采集与监控接口、实时音视频网络用户及控制接口四大部分所组成；通过实时音视频采集与监控接口，连接的音频采集、视频采集设备，连接音频监控、视频监控的设备及实施音视频监控的用户；通过实时音视频网络用户接口，连接网络上的不同用户，包括局域网、广域网和无线网的用户；通过RS-232接口，连接PC控制和解码平台。本装置采用嵌入式媒体处理器的单片集成解决方案，将控制逻辑、通信协议处理与多媒体处理运算联合实现，提高了集成度和可靠性，减少了元器件和功耗、缩减了体积、大大降低了成本。

参考文献：

[1] 蔡忠发.刘大健，章安元.基于虚拟现实的汽车驾驶模拟训练系统方案研究[J].系统仿真学报，2002（6）.

[2] Gruenling J.Bernard J.Clover C.Hoffm-Eister K Driving Simulation Sae Paper 980223.