云計算技術(shù)在3D動畫渲染中的應(yīng)用

魏三強

(1．宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機信息系，安徽 宿州 234101；2．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

0 引言

在3D動畫的創(chuàng)作過程中，作品的渲染是十分重要的最后環(huán)節(jié)．若沒有計算機的渲染，動畫創(chuàng)作者的創(chuàng)意將不能完美的展現(xiàn)出來．在3D動畫產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，3D動畫作品渲染所需要的時間卻呈現(xiàn)出爆炸式增長的趨勢．現(xiàn)代的動畫電影大片其渲染耗時量非常驚人，例如2013年上映的3D動畫片《瘋狂原始人》，其中僅3D模型的渲染就花費了超過8000萬小時進行，同年上映的3D動畫片《冰雪奇緣》，渲染所需的時間則更長[1]．隨著3D動畫電影對畫面越來越細膩、畫面質(zhì)量越來越高的發(fā)展要求，渲染量更是與之劇增，傳統(tǒng)動畫渲染技術(shù)已根本無法滿足這個需求．如何運用高新技術(shù)從而有效降低3D動畫渲染的時間，已成為學(xué)界研究的熱點問題之一[2-3]．據(jù)此，本文通過梳理和歸納現(xiàn)有的3D動畫渲染技術(shù)應(yīng)用研究成果，并探索云計算技術(shù)在3D動畫渲染行業(yè)中的應(yīng)用，以期能為助推3D動畫云渲染產(chǎn)業(yè)發(fā)展奉上個人的綿薄之力．

1 動畫渲染平臺面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)下動畫渲染平臺所面臨的挑戰(zhàn)是：(1)網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸．千兆的局域網(wǎng)環(huán)境能夠滿足教學(xué)的需求，然而在千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行大規(guī)模甚至是超大規(guī)模渲染計算的效率是非常低下的，因而需要更高的帶寬及低延時的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境．(2)存儲I/O性能瓶頸．在對動畫進行渲染時，很多個渲染節(jié)點同時對某個共享的文件進行讀寫，然而單臺服務(wù)器的磁盤I/O不能滿足此需求，因此致使動畫渲染出現(xiàn)瓶頸，效率不高．(3)缺乏足夠的靈活性．因動畫渲染應(yīng)用需求具有較強的時效性和較高的復(fù)雜性，而不同的動畫渲染任務(wù)對操作系統(tǒng)、渲染軟件、渲染引擎及插件都有不同的要求，這就要求動畫渲染平臺必須具備較強的“隨需應(yīng)變”能力．(4)系統(tǒng)管理與維護較為困難．動畫渲染應(yīng)用的用戶往往都是動畫界的藝術(shù)家，和專業(yè)系統(tǒng)管理員的差距較大；另外，因缺乏針對用戶使用習(xí)慣、實際需求而定制研發(fā)的系統(tǒng)管理軟件，故用戶更難于對系統(tǒng)進行有效的管理、更新與維護，致使動畫渲染平臺系統(tǒng)不能夠長期穩(wěn)定的運行．(5)“孤島式”運營方式使得使用率低下．目前動畫渲染平臺大多數(shù)均采用“孤島式”的運營模式，因本部門動畫渲染任務(wù)數(shù)量有限，致使動畫渲染平臺閑置率較高，而有相關(guān)影視動畫片渲染需求的外單位人員，卻不知哪兒有這種空閑的動畫渲染平臺資源可以共享使用．一邊是動畫渲染平臺閑置無人問津，而另一邊卻是動畫渲染用戶“踏破鐵鞋無覓處”，從而造成了極大的資源浪費[4]．

如何應(yīng)用新技術(shù)進而有效地整合現(xiàn)有的計算資源、數(shù)據(jù)資源和軟件資源，為用戶提供一個便捷的、可靠的、高效的動畫渲染平臺，正是學(xué)界需要積極探索、亟待解決的問題．

2 云計算技術(shù)和云渲染理論基礎(chǔ)

2.1 云計算技術(shù)概述

云計算(Cloud Computing)是在分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是一種新興的商業(yè)計算模型．狹義的云計算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的資源(如硬件、平臺、軟件)．廣義的云計算是指服務(wù)的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的服務(wù)，該服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是任意其它的服務(wù)．云計算從本質(zhì)上來說就是一個用于海量數(shù)據(jù)處理的計算平臺．一般來說，云計算的五個基本特質(zhì)是：(1)自助式服務(wù)；(2)無所不在的網(wǎng)絡(luò)訪問；(3)劃分獨立資源池；(4)快速彈性；(5)服務(wù)可計量．云計算技術(shù)的4個優(yōu)點是：(1)云計算提供了最可靠、最安全的數(shù)據(jù)存儲中心，用戶不用再擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等麻煩；(2)云計算對用戶端的設(shè)備要求最低，使用起來也最方便；(3)云計算能夠輕松地實現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享；(4)云計算為用戶使用網(wǎng)絡(luò)提供了幾乎無限多的可能，很少有一種技術(shù)能夠像云計算一樣，在短短的幾年內(nèi)就產(chǎn)生如此巨大的影響力[5]．

云計算架構(gòu)主要可以分為四層，其中有三層是橫向的，分別是顯示層、中間件層和基礎(chǔ)設(shè)施層，通過這三層技術(shù)可以提供非常豐富的云計算能力及友好的用戶界面，還有一層是縱向的，稱為管理層，它是為了更好地管理與維護橫向的三層而存在的[5]．云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．近年來，云計算技術(shù)在3D動畫渲染行業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用．

圖1 云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)圖

2.2 云渲染理論及關(guān)鍵技術(shù)

渲染是3D動畫制作的最后一道工序，是將三維模型變成真實可見的視覺效果的過程．在三維模型中加入材質(zhì)、陰影和燈光效果以模擬現(xiàn)實世界，這就需要非常復(fù)雜的計算機運算過程．渲染的應(yīng)用特點是：(1)CPU計算量大．渲染通常占用大量的CPU資源，渲染耗時量大．(2)內(nèi)存帶寬高．渲染任務(wù)中的圖像分辨率越高、材質(zhì)貼圖越多，內(nèi)存帶寬要求越高．(3)網(wǎng)絡(luò)帶寬高．在執(zhí)行渲染任務(wù)時，各個渲染節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)共享存儲中讀取渲染文件．高帶寬的網(wǎng)絡(luò)能極大地縮短預(yù)讀數(shù)據(jù)的時間，從而提高渲染的效率．(4)存儲系統(tǒng)I/O能力強．渲染時各個渲染節(jié)點會產(chǎn)生大量的、近乎同時的I/O請求，故需配備具有超強I/O性能的存儲系統(tǒng)，才能確保系統(tǒng)高效地運行．現(xiàn)代的3D動畫電影大片的制作，其渲染耗時量非常大，通常要使用數(shù)千臺計算機，渲染運行時間為幾個月甚至一兩年[6]．

云渲染的模式和云計算的模式相類似，它是將3D程序放在遠程的服務(wù)器中渲染，用戶終端通過Web軟件并借助高速互聯(lián)網(wǎng)接入訪問資源，指令從用戶終端中發(fā)出，服務(wù)器根據(jù)指令執(zhí)行對應(yīng)的渲染任務(wù)，最終的渲染結(jié)果畫面會被傳送回用戶終端中加以顯示[7]．在云渲染實驗平臺中應(yīng)用的云計算關(guān)鍵技術(shù)主要有：(1)虛擬化技術(shù)．虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個虛擬機在同一物理機上獨立并行運行．每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件(如RAM、CPU、網(wǎng)卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序[8]．(2)云存儲．云存儲是通過集群應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的系統(tǒng)．云存儲的簡易結(jié)構(gòu)圖如圖2所示．(3)云服務(wù)．云服務(wù)讓用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)存儲和讀取數(shù)據(jù)．云服務(wù)的類型主要有IaaS、PaaS和SaaS三類，云服務(wù)的部署模型主要有公共云、私有云、社區(qū)云和混合云四種．(4)面向云計算的工作流和負載均衡集群技術(shù)．在云計算中對虛擬資源池進行劃分、安裝和部署等工作需要應(yīng)用工作流技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的自動調(diào)度、資源的優(yōu)化和管理；負載均衡集群技術(shù)則通過應(yīng)用負載均衡算法(每個節(jié)點都可以處理一部分負載，并且可以在節(jié)點之間動態(tài)分配負載，以實現(xiàn)均衡)，能夠?qū)⒁粋€或多個渲染任務(wù)分割成若干部分，然后通過集群中各個渲染節(jié)點同時進行渲染，因而降低了動畫整體渲染的時間[9-10]．

圖2 云存儲簡易結(jié)構(gòu)圖

3 云渲染平臺及渲染工作流程

國外的常用的云渲染農(nóng)場有：Respower、Renderrocket、Rebusfarm等等，國內(nèi)也有自主研發(fā)的云渲染平臺Renderbus、Foxrenderfarm、渲云等等，目前國內(nèi)第三代全自動云渲染平臺CSRender也已經(jīng)上線運營．下面以國內(nèi)研發(fā)的幾個常用的云渲染平臺為例，分別介紹其渲染的工作流程．

3.1 Renderbus渲染平臺

Renderbus網(wǎng)絡(luò)渲染平臺是國內(nèi)第一家云渲染農(nóng)場，也是國內(nèi)最大的渲染農(nóng)場，該渲染平臺部署了海量的計算資源．渲染機器集群的主要配置是12核CPU、64G內(nèi)存、數(shù)百TB的高速存儲設(shè)備，隨時待機可用．Renderbus云渲染與傳統(tǒng)渲染平臺相比的最大優(yōu)勢是自助式服務(wù)和集中式規(guī)模化．傳統(tǒng)渲染農(nóng)場的服務(wù)器空置率高，系統(tǒng)容易出現(xiàn)空跑現(xiàn)象，而Renderbus能將海量的計算資源集中在云端，提供眾多的公共服務(wù)給數(shù)以千計的CG制作公司，由于云端所有服務(wù)器的有效負載率很高，使得CG制作公司節(jié)約了大量的渲染服務(wù)器投資費用，能夠把更多的人力、財力資源投入在影視動畫的創(chuàng)作上[6]．Renderbus自助式渲染的主要工作流程是：(1)壓縮上傳待渲染的動畫場景文件；(2)在線解壓縮；(3)設(shè)置輸出文件格式、長寬等渲染參數(shù)后，開始渲染；(4)下載渲染結(jié)果．

3.2 Foxrenderfarm渲染平臺

和面向國內(nèi)服務(wù)的Renderbus云渲染平臺類似，F(xiàn)oxrenderfarm是Renderbus的兄弟品牌．Foxrenderfarm是中國瑞云科技有限公司提供的一個云渲染服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)平臺，在該平臺背后，有數(shù)千臺集群服務(wù)器每天24 h不間斷地運行，組成了一臺“超級計算機”，F(xiàn)oxrenderfarm運用世界頂尖渲染集群技術(shù)，方便在任意時間自動處理用戶發(fā)送的渲染處理請求，并在渲染任務(wù)完成后，通過直接點擊下載鏈接，用戶便可以從云端下載渲染后的結(jié)果．Foxrenderfarm目前已經(jīng)是世界上規(guī)模最大的云端渲染服務(wù)平臺之一，該云渲染平臺一天的計算能力，大約等同于普通電腦20年的計算能力．

正是在中國動畫電影“走出去”低迷之際，中國的云計算平臺卻以優(yōu)異的表現(xiàn)走出了國門，獲得2014年第86屆奧斯卡“最佳動畫短片獎”的動畫短片《哈布洛先生》(英文名《Mr Hublot》)，正是瑞云公司擔(dān)任制片中云渲染的技術(shù)服務(wù)角色，使用Foxrenderfarm在線渲染服務(wù)平臺歷時半年之久而渲染出來的精品(如圖3所示)，它的畫面制作得難以置信的細膩和藝術(shù)美感，代表了電腦動畫藝術(shù)的最高水準(zhǔn)，堪稱技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物[11]．

圖3 動畫短片《哈布洛先生》場景截圖

3.3 渲云渲染平臺

渲云是國內(nèi)領(lǐng)先的圖形云集群渲染服務(wù)平臺，它由贊奇科技資助研發(fā)，它突破了渲染農(nóng)場傳統(tǒng)模式，無論在哪兒都能夠滿足3D動畫的渲染需求，真正意義上的實現(xiàn)線上渲染的服務(wù)模式，并構(gòu)建了低成本云渲染平臺．它的渲染工作流程是：(1)把待渲染的3D動畫文件壓縮為zip格式文件，上傳到客戶端；(2)通過客戶端創(chuàng)建渲染任務(wù)，在完成渲染任務(wù)的基本信息錄入后提交；(3)在線支付可通過在網(wǎng)頁端安全便捷地進行；(4)在網(wǎng)頁端能夠隨時查看用戶的任務(wù)的渲染狀態(tài)，當(dāng)高速渲染完成后便可以下載渲染結(jié)果．

使用渲云平臺進行渲染的具體操作步驟是：(1)以3ds Max2013為例，在3ds Max軟件里，點擊File(文件)菜單-Save As(另存為)，執(zhí)行Archive命令，并選擇壓縮包保存的路徑，點擊Save(保存)，3ds Max能夠自動把場景及全部相關(guān)貼圖壓縮至ZIP包中．在檢查壓縮包無問題后，便能夠進行上傳文件的操作；(2)通過渲云網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://www.renderincloud.com/)注冊并下載PC客戶端，登錄客戶端后在“上傳中的文件”頁面單擊“上傳渲染文件”按鈕，選擇文件類型，選中待上傳的3ds Max場景zip文件開始進行上傳．在“我上傳的文件”頁面，在此項目類型下，單擊“新建渲染任務(wù)”按鈕，選擇任務(wù)類型后，選中渲染文件，接著錄入任務(wù)基本信息，并選擇渲染方式(“試渲第一幀”和“全速渲染”)，最后點擊“提交渲染”按鈕提交渲染(可以在渲云客戶端“我的渲染任務(wù)”頁面查看已提交成功的渲染狀態(tài))；(3)單擊“支付并下載”按鈕支付渲染費，若用戶的渲云賬戶余額不足，能夠直接使用銀聯(lián)支付．在渲染費用支付完后，“支付并下載”按鈕自動變成“下載渲染結(jié)果”；(4)單擊“下載渲染結(jié)果”按鈕，通過使用“迅雷”或瀏覽器自帶的下載工具對渲染完成后的文件進行高速下載[12]．

4 云渲染平臺系統(tǒng)架構(gòu)

一種渲染云的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4所示．它的工作流程是：用戶把制作好的待渲染文件上傳至用戶創(chuàng)建的工程目錄下面，依靠Muster Explorer GUI把渲染任務(wù)傳至于分發(fā)節(jié)點服務(wù)器(Dispatcher Server Service)，Dispatcher Server Service節(jié)點服務(wù)器再把渲染任務(wù)分發(fā)給系統(tǒng)中的各個渲染節(jié)點，在渲染任務(wù)完成后，各個節(jié)點再把渲染結(jié)果返回至Dispatcher Server Service節(jié)點服務(wù)器，并將渲染結(jié)果保存至用戶創(chuàng)建的工程目錄下，最后用戶通過FTP下載渲染文件[13]．

圖4 渲染云的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)圖

一種建立在數(shù)字校園私有云基礎(chǔ)上的云渲染公共平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示．該平臺主要包含用戶服務(wù)接口、渲染任務(wù)管理、渲染節(jié)點、資源存儲等四個部分，其中渲染任務(wù)管理是該渲染平臺的軟件核心，渲染節(jié)點是整個集群渲染系統(tǒng)的硬件核心和計算核心，主要功能就是執(zhí)行渲染計算．其渲染的總體流程是：上傳渲染工程文件→提交渲染任務(wù)→設(shè)置文件輸出路徑、渲染器、渲染參數(shù)等常用參數(shù)→渲染→從Web頁面下載渲染結(jié)果[14]．

圖5 云渲染公共平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

一種超級渲染云計算平臺架構(gòu)圖如圖6所示[4]．它是虛擬化、網(wǎng)格計算、軟件即服務(wù)SaaS三者的有機結(jié)合，其中虛擬化技術(shù)為該平臺提供了必需的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)格計算技術(shù)為該平臺提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，軟件即服務(wù)SaaS為該平臺提供了一種完全創(chuàng)新的軟件使用模式[15]．該超級渲染云計算平臺主要包括基礎(chǔ)架構(gòu)層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、服務(wù)管理和訪問接口五個組成部分．(1)基礎(chǔ)架構(gòu)層：提供了必要的IT基礎(chǔ)設(shè)施，包括硬件設(shè)備和相關(guān)的系統(tǒng)軟件，它包括計算子系統(tǒng)、互聯(lián)子系統(tǒng)、存儲子系統(tǒng)、虛擬化子系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和集群管理系統(tǒng)．(2)平臺服務(wù)層：包括基礎(chǔ)網(wǎng)格服務(wù)、數(shù)據(jù)資源管理、計算資源管理、軟件資源管理和渲染作業(yè)管理等子系統(tǒng)．(3)應(yīng)用服務(wù)層：包括各種渲染軟件(如Avid Softimage XSI，Sumatra，3ds Max，Alias/Wavefront Maya，Houdini，Lightwave 3D，Poser等)、引擎和插件，充分確保用戶復(fù)雜多樣渲染任務(wù)的順利進行．(4)服務(wù)管理：提供了用戶管理、權(quán)限管理、項目管理、會員管理和計費管理等后臺支撐服務(wù)．(5)訪問接口：包含門戶站點、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)和編程接口三部分，其中門戶站點提供了各種公共信息，還給用戶訪問各種渲染服務(wù)提供統(tǒng)一的入口；應(yīng)用網(wǎng)關(guān)把平臺上的渲染服務(wù)對外映射成一個Web服務(wù)，它降低了業(yè)務(wù)系統(tǒng)及渲染平臺集成的難度；編程接口提供了C/C++、Python、Shell、Perl等方式的編程接口，提供該超級渲染云計算平臺系統(tǒng)進一步定制研發(fā)的能力．

圖6 超級渲染云計算平臺架構(gòu)圖

5 結(jié)語

云渲染可以通過互聯(lián)網(wǎng)提供全球化的在線自助式、隨時隨地渲染服務(wù)．與傳統(tǒng)的3D動畫渲染技術(shù)相比，基于云計算的3D動畫云渲染技術(shù)的應(yīng)用，極大地節(jié)省了3D動畫渲染的時間和降低了渲染的成本．但是，云渲染同樣存在可靠性不高的致命缺陷：服務(wù)器總會遭遇宕機，或者網(wǎng)絡(luò)線路因某種原因中斷，這些偶然因素都會導(dǎo)致云渲染服務(wù)無法正常提供．隨著云計算技術(shù)的不斷進步，3D動畫云渲染技術(shù)也將隨之革新，云渲染將能克服自身技術(shù)上的一些缺陷，正朝著可靠性更高、渲染速度更快的方向發(fā)展，云渲染已標(biāo)志著一個嶄新時代的到來．

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