集群渲染技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

崔建偉

摘要：“集群渲染系統(tǒng)”，這是一種利用電腦CPU、以太網(wǎng)和操作系統(tǒng)構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它使用主流的商業(yè)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備達(dá)到或接近超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。使用集群渲染能夠大大縮短渲染時(shí)間、減輕渲染勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)為高效完成后續(xù)合成工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這一點(diǎn)在復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、中大型建筑模型設(shè)計(jì)和影視動(dòng)畫等多媒體制作領(lǐng)域中表現(xiàn)得尤為明顯。目前，隨著工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和影視動(dòng)畫節(jié)目制作要求越來(lái)越高，在此過(guò)程中渲染所需要的時(shí)間越來(lái)越多，而利用PC工作站來(lái)進(jìn)行渲染的方式必定無(wú)法滿足如此龐大的計(jì)算量，而最好的解決辦法就是采用集群渲染技術(shù)。集群渲染系統(tǒng)中的渲染分發(fā)管理器通過(guò)一系列分布式工作命令，借助大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)CPU渲染節(jié)點(diǎn)，形成強(qiáng)大的渲染能力來(lái)幫助設(shè)計(jì)師高效率地完成三維作品的最后生成。借助于網(wǎng)絡(luò)分布式渲染器，設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)完成三維模型場(chǎng)景以后，將渲染任務(wù)遠(yuǎn)程的導(dǎo)入云端集群渲染系統(tǒng)，從而迅速地對(duì)動(dòng)畫或靜止幀進(jìn)行渲染，高效地完成制作任務(wù)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；集群渲染；三維仿真；分布式渲染

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0096-02

Abstract： Cluster rendering system is a super computer constructed of computer CPU， Ethernet and operating system. It can reach or approach coomputing power of a super computer with mainstream commercial hardware device. The use of cluster rendering can significantly reduce the rendering time and the rendering of labor intensity， and at the same time lay a solid foundation for the follow-up generated work efficiently， which perfoms obviously in the field of complex industrial product design， large scale architectural model design and film and television animation and other multimedia production. At present， with the increasing demanding of industrial product design and television animation program production， much more time is needed in the process of rendering. While rendering with PC workstations fails to meet such a large amount of calculation， the best solution is the use of cluster rendering technology. Rendering distribution manager in cluster rendering system rendering forms a powerful rendering ability to help designers complete 3D works efficiently through a series of distributed work orders， with the help of large-scale network CPU rendering nodes. Based on the distributed network renderer， designers can import rendering tasks to cloud cluster rendering system remotely after designing the 3D models， rendering tasks remote into cloud cluster rendering system， thus render animations or still frames rapidly and complete production tasks efficiently.

Key words： industrial product design； cluster rendering； 3D simulation； distributed rendering

目前，大型工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的模型生成和影視動(dòng)畫節(jié)目制作過(guò)程中，“渲染”是最后的圖像生成工序，工業(yè)產(chǎn)品的真實(shí)質(zhì)感光影體現(xiàn)、影視動(dòng)畫中酷炫特效都要用最終的渲染來(lái)實(shí)現(xiàn)，這往往需要很長(zhǎng)的計(jì)算生成時(shí)間，而利用個(gè)人PC工作站來(lái)進(jìn)行渲染的方式必定無(wú)法滿足如此龐大的計(jì)算量。目前最好的解決方案就是使用“集群渲染技術(shù)”?！凹河?jì)算系統(tǒng)”，是一種利用電腦CPU、以太網(wǎng)和操作系統(tǒng)構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它使用主流的商業(yè)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備達(dá)到或接近超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。集群渲染系統(tǒng)中的渲染分發(fā)管理器通過(guò)特定的分布式工作命令借助大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)CPU渲染節(jié)點(diǎn)，形成強(qiáng)大的渲染能力來(lái)幫助設(shè)計(jì)師高效率地完成三維作品的最后生成。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)速不斷提高，借助于網(wǎng)分布式渲染服務(wù)器，設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)完成三維模型場(chǎng)景以后，遠(yuǎn)程的將渲染任務(wù)發(fā)布到云端的集群渲染系統(tǒng)中，通過(guò)強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)集群渲染處理能力，迅速地按需求對(duì)動(dòng)畫或靜止幀進(jìn)行渲染或預(yù)覽，高效地完成復(fù)雜制作任務(wù)。

使用集群渲染能夠大大縮短渲染時(shí)間、減輕渲染勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)為高效完成后續(xù)合成工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這一點(diǎn)在中、大型工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑模型應(yīng)用和影視動(dòng)畫等多媒體制作領(lǐng)域中的作用尤為明顯[1]。

國(guó)內(nèi)各高校、大中專院校在工業(yè)設(shè)計(jì)群中的各專業(yè)（如工業(yè)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，廣告設(shè)計(jì)與制作，動(dòng)漫設(shè)計(jì)與制作）開(kāi)辦多年，雖然積累了大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，但在高端項(xiàng)目制作方面還存在硬件不足和技術(shù)不足等缺點(diǎn)，集群渲染可以很大程度提高我們的動(dòng)畫制作能力，解決教育水平提高和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的瓶頸。

1 集群渲染技術(shù)

1.1 集群渲染系統(tǒng)的組成

根據(jù)集群渲染的基本架構(gòu)以及渲染計(jì)算的特點(diǎn)和需求，搭建一套教學(xué)級(jí)的渲染集群大致包含下列部分：

分發(fā)管理/文件服務(wù)器：部署渲染分發(fā)管理軟件，用于渲染節(jié)點(diǎn)和渲染任務(wù)的分發(fā)和管理，外接外置存儲(chǔ)，為渲染節(jié)點(diǎn)提供高帶寬共享存儲(chǔ)。常用的管理軟件包括：Autodesk Backburner， Frantic Film Deadline，Vray-DR Spawner等等。目前Deadline是其中最為廣泛應(yīng)用的一款網(wǎng)絡(luò)渲染管理軟件[2]。

渲染節(jié)點(diǎn)：部署渲染器，執(zhí)行分發(fā)管理服務(wù)器派發(fā)渲染任務(wù)的服務(wù)器，一般為體積非常小的刀片式服務(wù)器，通常每個(gè)刀片服務(wù)器可以安裝兩個(gè)至強(qiáng)CPU ，如果每個(gè)CPU是4核8線 線程，那么在一個(gè)具有40個(gè)刀片的集群渲染系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用640線程進(jìn)行渲染。服務(wù)器的CPU線程數(shù)與計(jì)算速度對(duì)渲染的速度有很大的影響。

外置存儲(chǔ)：用于存儲(chǔ)渲染任務(wù)所需的材質(zhì)文件和渲染完成的各種圖片。一般是具有磁盤陣列的電腦，或是專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器，如群暉（Synology）NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器。

42U工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜：用于安裝刀片式服務(wù)器，外置存儲(chǔ)器，管理監(jiān)視等。

1.2 集群渲染系統(tǒng)的搭建

首先是環(huán)境的搭建。集群渲染系統(tǒng)最好放置在專業(yè)的恒溫空調(diào)機(jī)房中，并要做隔音處理，因?yàn)榈镀椒?wù)器的電源風(fēng)扇都在萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，工作起來(lái)噪音相當(dāng)大。

硬件的安裝。將刀片式服務(wù)器和電源安裝到工業(yè)機(jī)柜中，并通過(guò)路由器將多組刀片式服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備連接好。

軟件的安裝。首先要將每一個(gè)刀片式服務(wù)器安裝調(diào)試成功，包括三維軟件（3dsMax，Maya等），插件（Vray渲染器，建筑插件，動(dòng)畫插件等），渲染管理軟件（如Deadline），遠(yuǎn)程控制軟件等。

網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。設(shè)置每臺(tái)刀片式服務(wù)器的IP地址，保證不能互相沖突；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的訪問(wèn)權(quán)限，使其共享的素材、文件夾能夠被其他刀片式服務(wù)器完全控制。安裝渲染管理軟件（如Deadline）的數(shù)據(jù)庫(kù)，同樣設(shè)置其能被其他刀片式服務(wù)器完全控制訪問(wèn)。

制作安裝管理服務(wù)器（可以是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，也可以由其中一臺(tái)刀片式服務(wù)器來(lái)充當(dāng)，這由具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)已決定），軟件安裝要與刀片式服務(wù)器相同，用來(lái)管理、分發(fā)渲染任務(wù)；并在這臺(tái)服務(wù)器上安裝渲染管理軟件（如Deadline）的數(shù)據(jù)庫(kù)，同樣設(shè)置其能被其他刀片式服務(wù)器完全控制訪問(wèn)。

1.3 集群渲染管理軟件介紹

Autodesk Backburner：是Autodesk產(chǎn)品（Max，F(xiàn)lame，F(xiàn)lint，Inforno等）的網(wǎng)絡(luò)渲染工具，優(yōu)點(diǎn)是安裝Autodesk產(chǎn)品時(shí)它會(huì)以組件的形式安裝，每臺(tái)機(jī)器都可以作為主機(jī)，也可以成為其他機(jī)器的服務(wù)器，對(duì)于Autodesk的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)使用非常方便；缺點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求比較高，在一般網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下調(diào)試時(shí)會(huì)比較困難，不支持其他軟件[3]。

Frantic Film Deadline：是目前國(guó)內(nèi)最為常有的集群渲染管理軟件，要比Autodesk Backburner使用更加方便，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試容易，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力也比較強(qiáng)。

Deadline是著名的Frantic Films電影特效制作公司開(kāi)發(fā)的基于Windows 的網(wǎng)絡(luò)渲染管理系統(tǒng)，允許用戶在Windows上排列和分配，管理電影序列的渲染工作，提供強(qiáng)大高效的3D和2D網(wǎng)絡(luò)渲染解決方案。Deadline是一些中小型工業(yè)設(shè)計(jì)公司和CG制作團(tuán)隊(duì)的最佳的渲染方案，特別3dsMax用戶來(lái)說(shuō)，是不錯(cuò)的選擇。當(dāng)然其用戶除此以外，還有著名的暴雪游戲公司等知名企業(yè)。Deadline其優(yōu)勢(shì)：

（1）支持幾乎所有的渲染引擎，Deadline包括已經(jīng)定制了Maya、3dsMax、Softimage XSI 、After Effects、 Shake、Mental ray、Vray等應(yīng)用提交腳本。

（2）支持Real Flow流體計(jì)算軟件。

（3）Deadline整合了Render Pass Manger管理軟件，使它能夠?yàn)?dsMax提供最優(yōu)秀的支持。比如在同一臺(tái)機(jī)器上調(diào)用多個(gè)3dsMax版本進(jìn)行渲染，進(jìn)行良好的用戶體驗(yàn)。

（4）工作優(yōu)先權(quán)、機(jī)器Pools、限制組、特別工作黑名單、等功能允許明確控制分配了的渲染任務(wù)，管理不同部門的資源。Deadline提供了非常詳細(xì)和精確的任務(wù)日志，不僅可以很方便地找到問(wèn)題的原因，以最快的速度解決問(wèn)題。而且可以為項(xiàng)目管理人員提供詳細(xì)的工作數(shù)據(jù)。

（5）Deadline支持遠(yuǎn)程控制軟件，如Realvnc等，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)操作維護(hù)系統(tǒng)。

（6）Deadline新版本支持半幀分割渲染[4]。

Vray-DR Spawner：是Vray渲染器的網(wǎng)絡(luò)分布渲染軟件。在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑裝飾與建筑漫游項(xiàng)目制作中，非常多的使用3dsMax安裝Vray渲染器進(jìn)行渲染，Vray-DR Spawner可以幫助用戶利用機(jī)房或閑置電腦一起進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)渲染，提高工作效率，優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單方便，不需要很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求不高；缺點(diǎn)是不支持其它軟件。

1.4 網(wǎng)絡(luò)機(jī)房集群渲染

在具有高性能的機(jī)房條件下的場(chǎng)合，可以架構(gòu)教學(xué)級(jí)的集群渲染系統(tǒng)，如高校的機(jī)房、實(shí)訓(xùn)室里，配置高效網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的每臺(tái)工作機(jī)，都可以作為集群渲染的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。利用渲染管理軟件可以將這些節(jié)點(diǎn)集合為一套集群渲染系統(tǒng)?？赡茉谛阅苌?、效率上相對(duì)于刀片式服務(wù)器要低一些，但可以充分課余時(shí)間進(jìn)行任務(wù)分配。由于集群渲染對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、服務(wù)器的一致性要求比較高，所以對(duì)于機(jī)房軟硬件環(huán)境的要求也比較高，調(diào)試維護(hù)都相對(duì)要麻煩。

2 集群渲染技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 集群渲染技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)設(shè)計(jì)面對(duì)的產(chǎn)品種類很多，有非常多的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件繁多，在對(duì)成品圖的渲染表現(xiàn)中，一般的計(jì)算機(jī)難以完成這樣的復(fù)雜的渲染計(jì)算，而集群渲染可以很大程度提高產(chǎn)品的渲染、甚至動(dòng)畫制作能力，解決發(fā)展的瓶頸。在各高校的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生往往在學(xué)習(xí)過(guò)程中由于學(xué)校硬件的限制，不能進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，而使得他們?cè)谄髽I(yè)崗位中不能適應(yīng)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任務(wù)[5]。

現(xiàn)在由于計(jì)算硬件技術(shù)發(fā)展迅速，教學(xué)級(jí)的集群渲染系統(tǒng)價(jià)格不再昂貴，已經(jīng)開(kāi)始普及。學(xué)?？梢越Y(jié)合本校的機(jī)房實(shí)訓(xùn)的情況搭建自己的集群渲染系統(tǒng)。集群渲染可運(yùn)用在復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品表現(xiàn)設(shè)計(jì)中大幅面單幀渲染中。如果在集群渲染中以Deadine為管理軟件，可以非常方便地將渲染方式設(shè)置為單幀分割渲染，把一個(gè)畫面不同區(qū)塊分配給各個(gè)服務(wù)器進(jìn)行渲染，可以輕松地完成上萬(wàn)像素幅面的設(shè)計(jì)圖，特別適合建筑產(chǎn)品效果圖的設(shè)計(jì)表現(xiàn)，而且支持目前最為流行的Vray渲染器。

2.2 集群渲染技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品虛擬展示中的應(yīng)用

集群渲染還可運(yùn)用在復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品以交互或動(dòng)畫的方式進(jìn)行虛擬表示表現(xiàn)的渲染中。制作動(dòng)畫首先要把大量的序列幀畫面渲染出來(lái)，這個(gè)工作量是非常大的，在校學(xué)生是無(wú)法在課堂上使用單機(jī)完成一個(gè)成品動(dòng)畫制作的，如果使用集群渲染，可以非常方便地將渲染任務(wù)完成。

2.3在工業(yè)設(shè)計(jì)軟件中設(shè)置集群渲染的流程

工業(yè)設(shè)計(jì)軟件在使用集群渲染時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的場(chǎng)景設(shè)置，才能正確地提交渲染任務(wù)。

（1）首先要正確的設(shè)置網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)共享，如果使用單機(jī)保存，要建立完全共享文件夾，貼圖確保每臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)都能流暢訪問(wèn)貼圖路徑、光域網(wǎng)文件、模型代理等文件，同時(shí)可以保存渲染文件。這里的文件夾和貼圖等文件盡量使用字母命名，避免渲染器不支持中文字符而造成的訪問(wèn)錯(cuò)誤問(wèn)題。

（2）貼圖路徑、光域網(wǎng)文件、模型代理的訪問(wèn)路徑都要采用網(wǎng)路徑的方式，如“＼＼Net-host＼share＼map”。在3dsMax中可以通過(guò)“貼圖/光度學(xué)路徑”工具批量的來(lái)設(shè)置更改路徑；也可以用“文件/資源追蹤”命令來(lái)管理和設(shè)置路徑。如果使用Vray渲染器進(jìn)行渲染時(shí)，要注意光子圖的路徑問(wèn)題，計(jì)算完光子圖以后，同樣要以網(wǎng)絡(luò)路徑的方式進(jìn)行加載訪問(wèn)。

（3）提交渲染任務(wù)。不同的渲染管理軟件提交的方式有所不同。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，集群渲染也會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及教學(xué)中，現(xiàn)在已經(jīng)有很多大型設(shè)計(jì)軟件加入了云渲染的功能，來(lái)提高渲染效率，使得普通的用戶也可以很方便的遠(yuǎn)程使用軟件廠商為他們提供的專業(yè)的集群渲染硬件，幫助他們快速地完成任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳海彪.集群渲染在三維動(dòng)畫項(xiàng)目課程中的教學(xué)探討[J]. 美術(shù)教育研究， 2013（10）：92.

[2]李謙.渲染農(nóng)場(chǎng)研究進(jìn)展綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2015（3）：652-656.

[3]梁永文，陳天生.大型場(chǎng)景建筑動(dòng)畫制作的探索與實(shí)踐[J].蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（3）：29-30.

[4]強(qiáng)氧科技.強(qiáng)氧Deadline集群渲染解決方案—適于中小企業(yè)、專業(yè)院校的Render Farm搭建[J]. 電視字幕（特技與動(dòng)畫），2007（10）：64-65.

[5]周慶.復(fù)雜工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀輪廓合理性的模型研究[J].科技資訊，2015（4）：355-357.