談云計算在三維動畫渲染系統(tǒng)設(shè)計中的運(yùn)用

摘 要：渲染是三維動畫制作過程中重要的一個步驟，不僅需要大量的計算機(jī)計算資源，還會耗費(fèi)不少的時間。本文對云計算在三維動畫渲染系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了云計算渲染的優(yōu)勢與關(guān)鍵技術(shù)，并為三維動畫渲染的云計算提出了一些思路，希望能為動畫渲染工作提供助力。

關(guān)鍵詞：三維動畫;渲染;云計算

動畫產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展非常迅速，其中三維動畫占有很大的份額，不僅數(shù)量上在不斷地增加，質(zhì)量也向著更高的方向發(fā)展。許多的三維動畫的清晰度已經(jīng)向高清甚至4k超高清和3D等方向發(fā)展，而且場景和畫面也越來越復(fù)雜。這些都對動畫渲染的效率和性能提出了更高的要求，而云計算正是滿足這種高效率、高質(zhì)量需求的有效方法。

0 概述

第一，云計算。云計算是通過網(wǎng)絡(luò)提供客戶計算機(jī)所需要的計算資源，并實現(xiàn)可用而便捷的訪問。云計算包括了許多內(nèi)容，目前主要包含分布式計算、網(wǎng)絡(luò)計算、虛擬化技術(shù)以及并行計算等技術(shù)手段。其特點如下：

一是云計算的規(guī)模龐大。云計算用“云”來形容計算的規(guī)模就從一個側(cè)面反映了其規(guī)模的龐大。一般的企業(yè)私有云至少擁有成百上千的服務(wù)器，大型的如亞馬遜、谷歌、微軟的“云”服務(wù)器規(guī)模都超過百萬。

二是服務(wù)的虛擬化，提供了便捷的使用方式。云計算可以通過各種各樣的終端來使用云服務(wù)，對用戶來說，所有的資源都可以從云得到，而不用固定在某處。

三是可靠性高。由于“云”采用分布式存儲和容錯等設(shè)計，眾多的節(jié)點可以通過各種措施提供非常高的容錯性，可靠性遠(yuǎn)超本地計算機(jī)。

四是拓展性良好。事實上，高度的可拓展性是云計算的重要特點之一，可以非常方便地擴(kuò)大云的規(guī)模，提供更加強(qiáng)大的計算和存儲服務(wù)。

五是價格相對低廉。由于云的規(guī)模性和很高的容錯性，可以產(chǎn)生強(qiáng)大的規(guī)模效應(yīng)，使構(gòu)建云和使用云服務(wù)的單位成本都大大降低。

第二，動畫渲染。渲染技術(shù)是動畫設(shè)計中的重要組成部分，三維動畫的渲染需要通過大量的計算來實現(xiàn)動畫的最終視覺效果，也才能實現(xiàn)動畫設(shè)計師的創(chuàng)作和構(gòu)想，因而對計算性能有著非常高的需求。具體來說，三維動畫通過設(shè)計軟件制作合成后，需要通過渲染成最終動畫。高水平的動畫需要非常細(xì)致地展示出動畫中各個部分的效果。比如動畫內(nèi)物品精細(xì)的材質(zhì)紋理或是光影效果，以及逼真的3D效果和生動的人物以及真實感等等。而要實現(xiàn)這些，就需要在精細(xì)動畫建模的基礎(chǔ)上加入大量的光影效果和場景。這就需要應(yīng)用到數(shù)量非常龐大的幾何模型數(shù)量，精確的參數(shù)設(shè)施和復(fù)雜的動畫動作。通過渲染計算，將這些內(nèi)容和相應(yīng)的材質(zhì)、陰影以及燈光等效果按照設(shè)計進(jìn)行三維的融合，成為最終的動畫。

渲染需要滿足的要求很多。首先，需要占用大量的計算資源，也就是CPU計算力;其次，在渲染的過程中需要大量的內(nèi)存;最后，渲染會產(chǎn)生大量的I/O請求，對輸入輸出以及存儲性能也有較高的需求。

1 云計算下的三維動畫渲染系統(tǒng)

1.1 云渲染技術(shù)簡介

由于云計算在可拓展性以及便捷性等方面的優(yōu)勢，非常符合三維渲染系統(tǒng)的要求。因此，許多三維動畫在考慮到渲染系統(tǒng)的時候越來越傾向于使用云計算完成構(gòu)建。通過云計算的高度拓展性，高性能等方面的優(yōu)勢，可以在短時間內(nèi)很方便快捷地完成需要單機(jī)數(shù)天甚至數(shù)十天才能完成的渲染任務(wù)。

雖然云渲染技術(shù)看起來十分復(fù)雜，云系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行都需要較高的技術(shù)和各方面的支持，但是在實際的使用中，給予云計算的三維動畫渲染系統(tǒng)卻是比較容易甚至可以說是比較簡單的，只需要具備簡單的操作知識就能夠完成，任何一個用計算機(jī)進(jìn)行三維動畫設(shè)計的人都能夠上手。具體來說大致的流程如下：

首先，通過網(wǎng)頁瀏覽器或是客戶端，將本地設(shè)計好的三維動畫建模文件上傳到云計算系統(tǒng)。具體是使用網(wǎng)頁瀏覽器還是專門的客戶端，由提供云渲染服務(wù)的系統(tǒng)來決定。

其次，設(shè)置好渲染的各項參數(shù)。這些參數(shù)包括需要得到的渲染結(jié)果的文件格式，渲染的畫面長寬分辨率等信息。

第三，開始渲染并等待渲染結(jié)束。等待渲染的過程所需的時間長度與渲染的復(fù)雜性、尺寸、動畫的時長，以及所選擇云計算渲染服務(wù)的等級都有著直接的關(guān)系。在等待的過程中可以看到需要的時間以及渲染狀態(tài)等等信息。

第四，渲染完畢后下載得到的渲染結(jié)果。

1.2 云計算下的三維渲染系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

云計算下的三維渲染系統(tǒng)又可以稱為云渲染。云渲染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，包括云渲染計算系統(tǒng)，文件服務(wù)功能，渲染管理以及網(wǎng)絡(luò)連接和交換設(shè)備等。目前，常用的云渲染主要有兩種類型，一種為自建云，另一種是云渲染平臺，具體分別如下：

第一，自建云平臺完成渲染工作。自建云平臺可以更加方便地根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計和搭建平臺，但是其投資與技術(shù)要求都比較高，一般適用于長期的項目或是對外提供云渲染服務(wù)時采用。

第二，使用云渲染平臺。隨著云技術(shù)的迅速發(fā)展，云渲染平臺也在國內(nèi)外大量出現(xiàn)。比如Respower、Renderbus等等。可以供使用者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的使用。

1.3 云渲染系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分

無論是自主建設(shè)云平臺進(jìn)行動畫渲染還是采用商業(yè)化的云渲染平臺系統(tǒng)，都離不開如下幾個部分：

第一，云計算的渲染節(jié)點。渲染節(jié)點是云渲染系統(tǒng)中的硬件核心，云計算環(huán)境下的渲染節(jié)點要針對3D渲染的需要進(jìn)行專門的設(shè)計和優(yōu)化。由于不同的渲染任務(wù)可能包括的渲染節(jié)點不同，可能是幾個渲染節(jié)點，也可能需要幾百個渲染節(jié)點，云計算可以為這種動態(tài)的需求提供非常好的支撐，而不用像傳統(tǒng)動畫渲染一樣采用大量的服務(wù)器進(jìn)行渲染節(jié)點的構(gòu)建。整個“云”就像一臺超級計算機(jī)，提供所需要的渲染節(jié)點，極大地提升了渲染節(jié)點的效率。

第二，云計算的文件存儲系統(tǒng)。由于渲染系統(tǒng)在進(jìn)行渲染的時候要從存儲設(shè)備上讀取相關(guān)的素材和信息等，在云計算的三維動畫渲染系統(tǒng)中，必須有強(qiáng)大的文件存儲和傳輸系統(tǒng)提供支撐。而且渲染的規(guī)模和渲染節(jié)點的數(shù)量越大，對文件服務(wù)的需要就越高。所以，云渲染系統(tǒng)的設(shè)計中一定要充分考慮到文件和存儲服務(wù)的需要，以更好地為渲染工作服務(wù)，提高整個云渲染系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

第三，渲染調(diào)度和管理服務(wù)器群。由于渲染是一項復(fù)雜而又計算任務(wù)繁重的工作，合理地安排渲染任務(wù)也有著重要的地位。而渲染管理和調(diào)度服務(wù)器就是負(fù)責(zé)這一任務(wù)的關(guān)鍵。渲染調(diào)度和管理能夠極大地提升云渲染的效率。其實現(xiàn)的功能包括兩個部分：首先，由于渲染調(diào)度和管理是渲染管理的核心，要實現(xiàn)渲染任務(wù)能夠根據(jù)需要分配到相應(yīng)的渲染節(jié)點當(dāng)中，并根據(jù)需要將渲染任務(wù)在不同節(jié)點之間進(jìn)行動態(tài)的調(diào)度和轉(zhuǎn)換。其次，對渲染服務(wù)器進(jìn)行管理，方便進(jìn)行渲染服務(wù)器的資源調(diào)度和使用以及動態(tài)擴(kuò)展與縮減，更加靈活地實現(xiàn)海量渲染資源的管理和優(yōu)化使用。

第四，做好其他的配套設(shè)計。其他配套設(shè)計包括很多內(nèi)容，如云渲染的硬件系統(tǒng)所使用的機(jī)架和機(jī)柜;專門的電力線路來提供穩(wěn)定的電力;配備好后備電源和穩(wěn)壓系統(tǒng)預(yù)防供電故障或是電壓波動的情況對云系統(tǒng)產(chǎn)生的災(zāi)難性影響;還要配套好存放云系統(tǒng)硬件的機(jī)房照明，空調(diào)和供暖換氣系統(tǒng)，使硬件系統(tǒng)運(yùn)行在一個合適的溫濕度環(huán)境，確保云渲染能夠在生產(chǎn)環(huán)境中長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。

第五，云渲染的調(diào)度與分解策略。云計算下的三維動畫渲染，可以同時進(jìn)行多項渲染任務(wù)。因此，在工作的時候可以根據(jù)任務(wù)的情況分配任務(wù)。并通過任務(wù)分割和調(diào)度集中不同的渲染系統(tǒng)進(jìn)行渲染，從而更好地提升云計算的計算機(jī)利用效率，縮短三維動畫渲染的時間。

第六，采用先進(jìn)的分布式計算模型進(jìn)行云計算系統(tǒng)的軟件設(shè)計。由于云渲染的目標(biāo)是進(jìn)行海量動畫數(shù)據(jù)的計算，要根據(jù)三維動畫的特點和渲染的需求，通過軟件將任務(wù)分解成若干粒度較小的渲染單元，提供給渲染節(jié)點進(jìn)行高效率的分布式處理進(jìn)行渲染，最后將結(jié)果整合輸出，完成渲染的目標(biāo)。

2 結(jié)語

云計算是解決三維動畫渲染速度慢、效率低的有效方法。但是在實際應(yīng)用中，還需要不斷根據(jù)三維動畫渲染的特色對云計算進(jìn)行專門的優(yōu)化和設(shè)計，如此才能更好地利用云計算的優(yōu)勢與特點完成渲染工作。而且云渲染可以應(yīng)用的領(lǐng)域也會更加廣泛，如可以在建筑三維建模等方面發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：張晟（1985—），男，遼寧沈陽人，碩士，動畫專業(yè)，教師，研究方向：三維動畫。