云計算技術(shù)在動漫渲染行業(yè)的應用研究

干 彬，許志強，王雪梅

(四川傳媒學院，四川 成都611745)

云計算技術(shù)在動漫渲染行業(yè)的應用研究

干 彬，許志強，王雪梅

(四川傳媒學院，四川 成都611745)

當前動漫制作還主要沿用單機渲染的模式，面臨著效率低下、操控復雜、資源浪費等弊端。為解決這些短板與瓶頸，以云計算在動漫渲染行業(yè)的應用入手，在闡述渲染、云計算、動漫渲染的基礎(chǔ)上，提出了一種云渲染平臺設(shè)計與實現(xiàn)的方法，并從渲染平臺設(shè)計架構(gòu)、云渲染流程及關(guān)鍵技術(shù)等角度進行闡述，試圖提供高效可靠的渲染管理及資源整合應用模式。

云計算；云渲染；動漫渲染；3D；可視化

動漫產(chǎn)業(yè)是在如今以創(chuàng)新為中心的知識經(jīng)濟時代背景下誕生的，全球動漫產(chǎn)業(yè)主要集中在美、日、韓三國。美國是最早的動漫發(fā)展國，是全球動漫產(chǎn)業(yè)的龍頭；日本擁有成熟細密的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)及運營機制；而韓國動漫業(yè)在短時間內(nèi)迅速冒頭，其產(chǎn)值份額已占到全球的30%。全球范圍內(nèi)，掀起幻想類電影浪潮《阿凡達》取得26.3億美元票房的輝煌業(yè)績，《功夫熊貓》全球票房超過7.5億美元。在全球動漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動下，國內(nèi)動漫產(chǎn)業(yè)也已具有一定的規(guī)模，發(fā)展前景十分可觀。

隨著消費端的代際變遷，動漫消費意識和消費能力在不斷提升。然而在動漫產(chǎn)品制作的過程中，最為關(guān)鍵的步驟也是最后一步便是渲染，其質(zhì)量水平高低成為了影響作品視覺效果的首要因素。為提升動漫渲染的效果與效率，越來越多的具有精細化特征的建模方法被人們發(fā)明出來，如在材質(zhì)燈光和環(huán)境呈現(xiàn)方面，光線追蹤已經(jīng)成為過去，取而代之的是光能傳遞。就目前的現(xiàn)狀來看，10幀動畫需要10分鐘以上才能制作完成，但其渲染卻至少需要100分鐘以上。特別是一些高清視頻，這一情況顯得更為嚴重，渲染時間動輒幾天，有些長達數(shù)月。渲染工作之所以如此耗時，主要是因為運算工作量太大。曾使用的超級計算機雖能夠在較短的時間內(nèi)完成渲染，但這種設(shè)備不但價格高，而且尺寸太大，對于動漫行業(yè)中的中小企業(yè)來說極不現(xiàn)實。之后，市場上也出現(xiàn)了一些新技術(shù)和方法，比如集群、渲染農(nóng)場(本質(zhì)是分布式并行計算系統(tǒng))等，但這些技術(shù)難以為動漫渲染發(fā)展提供足夠的推力。

此外，如果能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高質(zhì)的渲染，那么相應的帶寬、多節(jié)點數(shù)據(jù)并發(fā)讀寫、大量數(shù)據(jù)存儲等方面必然也要有所強化或提升?？偟膩碚f，渲染對計算性能、網(wǎng)絡帶寬、存儲等的需求日益增加，已成為限制動漫產(chǎn)業(yè)進步的主要因素之一。運營成本或?qū)⑦M一步提升，并給行業(yè)發(fā)展帶來新的難題，或許只有新的技術(shù)或模式才能予以解決。鑒于當前傳統(tǒng)的單機渲染方式效率低下、渲染農(nóng)場負載不均衡等問題，本文通過從云計算與圖形渲染入手，研究云計算在圖形渲染中的應用，并將單機渲染變?yōu)榫W(wǎng)絡集群渲染，其優(yōu)化后可實現(xiàn)急速渲染，既能縮短制作周期、降低成本，又能展現(xiàn)更細膩逼真的人物和宏大華麗的場景。

1 渲染、云計算與云渲染

1.1 渲染

渲染是指非實時渲染，是將三維模型變換為圖像的一個過程，其運用某種程序，對模型、光線、材質(zhì)等進行多維計算從而調(diào)整畫面的色彩、質(zhì)感及光線，以營造出最佳的視覺體驗。渲染能夠十分清晰地將紋理、光源、陰影等呈現(xiàn)出來，讓人們能夠在畫面中體會到各種技術(shù)細節(jié)的運用。在追求動畫視覺效果精益求精的今天，渲染不但能夠充分地體現(xiàn)出創(chuàng)意，而且也能較好地提升最終作品的視覺美感。

1.2 云計算

云計算作為當前信息計算科學發(fā)展的一個主要方向，已經(jīng)逐步滲透到文化傳媒的各個領(lǐng)域。云計算具有安全、便捷、數(shù)據(jù)共享與無限可能四大優(yōu)勢，不斷根據(jù)需求在云端延伸出新業(yè)務，并按照新開發(fā)的業(yè)務量收取費用，其能夠快速地結(jié)合自身需求對網(wǎng)絡進行訪問，在一個資源共享平臺上尋找所需的程序、服務、信息等。云計算與影視動漫結(jié)合，可構(gòu)建云渲染、視覺設(shè)計、影視數(shù)據(jù)等的關(guān)聯(lián)，從而推動影視動畫作品視覺效果和感官享受的進一步提升。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，全球公共云服務市場規(guī)模今年有望達到2 040億美元，較2015年的1 750億美元增長16.5%。

1.3 云渲染

云渲染與常規(guī)的云計算模式相似，即將三維圖形渲染計算放在遠程的服務器中計算，具備高性能計算、海量存儲、可視化、自動化管理等優(yōu)勢，可大大提高渲染效率。在實際操作時，整個過程與常規(guī)的云計算并沒有多少不同，用戶利用計算機、網(wǎng)絡、程序?qū)ζ脚_進行訪問，在終端設(shè)備上發(fā)送命令，服務器按照命令中的內(nèi)容執(zhí)行操作，完成渲染處理后的畫面會在網(wǎng)絡上被傳回到用戶端。針對不同的渲染平臺還可實施統(tǒng)一化管理，從而更好地配置資源，并以量為依據(jù)核算費用。單機渲染與云渲染性能對比，如表1所示。

表1 云渲染與單機渲染性能對比

配置單機渲染云渲染CPUi76700k4核3.4GHzE5-2695V312核2.3GHz內(nèi)存16Gbyte64～128Gbyte顯卡NVIDIAGTX980TI6GHzNVIDIAQuadroK600012GHz模型參數(shù)邊面數(shù)765萬,單幀邊面數(shù)765萬,單幀渲染參數(shù)Vary3.301080pVary3.301080p渲染耗時3h48min18s3h48min18s

2 云計算應用于動漫渲染行業(yè)的現(xiàn)狀

隨著云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，知識的革新正改變著越來越多的行業(yè)。在云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的推動下，整個互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正面臨著迅速轉(zhuǎn)型，正加速向數(shù)字娛樂、現(xiàn)代制造等行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，形成以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和實現(xiàn)工具的經(jīng)濟發(fā)展新形態(tài)[1]。

在云計算與大數(shù)據(jù)的支撐下，動漫團隊逐漸把藝術(shù)與科技相互結(jié)合，并通過高性能的計算設(shè)備來促進產(chǎn)品的高質(zhì)與高效。以具體作品舉例，電影《阿凡達》采用單機的方式對其中一幀進行渲染耗時兩小時，那么一部持續(xù)160分鐘、分辨率在2k～4k之間的視頻，若每秒鐘播放150幅畫面(60 s×30幀×5層)，則需288萬小時才能處理完所有的渲染任務。倘若這些任務全部交由一臺服務器處理的話，要持續(xù)工作328年；再加之3D動畫所有畫面都是兩幅圖像，需要分開渲染，總共渲染需耗時666年。再以電影《昆塔》為例，其云渲染采用了阿里云6 000多臺高性能計算機構(gòu)建起的龐大機器軍團，連續(xù)3個月日夜不停進行影片視效渲染，其中運用到15萬核的計算器和600 Tbyte的內(nèi)存，累計計算量已超過1 400萬個小時。

目前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動畫渲染時間已成為動漫渲染行業(yè)迫切的需求。云計算的全面滲透和新技術(shù)的跨界融合正在改變今天的媒體，基于云計算的動漫渲染或?qū)⒊蔀槲磥韯勇谱靼l(fā)展的新寵。

3 云渲染平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 渲染云計算平臺

傳統(tǒng)集群計算系統(tǒng)主要關(guān)注如何實現(xiàn)更強的運算能力，主要方式為將多臺計算機虛擬為一臺以提高計算能力。渲染云計算平臺則力求用高效的科技手段、個性化的方案來幫助創(chuàng)作者迅速實現(xiàn)藝術(shù)創(chuàng)作。云渲染平臺并非等同于計算機集群系統(tǒng)加圖形計算程序，而是軟件即服務(SaaS)、網(wǎng)格計算與虛擬化三者的有機融合。其中，虛擬化為集群計算和分區(qū)計算，在平臺中充當著基礎(chǔ)設(shè)施的角色；網(wǎng)格計算為功能的最終實現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)；軟件即服務則塑造出不同于以往的軟件使用模式。為使其能夠適合于帶寬占用量高、I/O占用率大的渲染需求，必須根據(jù)渲染應用CPU計算量大、內(nèi)存帶寬高、網(wǎng)絡帶寬高、存儲系統(tǒng)I/O能力強的特點，考慮從集群系統(tǒng)的多個層次出發(fā)，對系統(tǒng)進行重新設(shè)計。虛擬化技術(shù)平臺示意圖，如圖1所示。

圖1 虛擬化技術(shù)平臺

例如，引入云計算技術(shù)后，無論有多少個渲染任務，都必須接受分割處理，然后將分割得到的不同子部分交由集群里面的不同節(jié)點完成渲染，通過這樣的方式縮短渲染耗時，提高動漫制作效率。又如，一段時長為一分鐘的動畫視頻，1 s包含24幀畫面，1 min則包含1 440幀畫面。若采用渲染云平臺的方式將這些圖片交給24個服務器同時渲染，這樣就能夠?qū)⒐こ毯臅r縮短到原先的1/24。渲染云的MapReduce[2]，如圖2所示。

圖2 渲染云的MapReduce

3.2 云渲染平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)

云渲染服務平臺搭建在網(wǎng)絡上，用戶利用Web就能夠?qū)ζ脚_進行訪問，能夠進行如下操作：資源申請、提交需要渲染的文件，設(shè)置完成渲染后文件的導出地址、渲染參數(shù)等。渲染云平臺可提供在線隨時查看渲染進度服務，及時查錯、及時修復，提高渲染效率。用戶也可以提交一個很小的渲染任務進行測試，根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化渲染參數(shù)。渲染任務完成后，用戶可直接進入本地指定路徑查看渲染結(jié)果。云渲染平臺由任務管理、渲染節(jié)點、資源存儲、用戶服務接口4個模塊組成。云渲染平臺結(jié)構(gòu)圖[3]如圖3所示。

圖3 云渲染平臺結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 渲染任務管理

“渲染任務管理”是平臺最關(guān)鍵的功能，具體而言是如何整合閑置計算機資源并將資源進行統(tǒng)一調(diào)度、任務分配、隊列管理等。用戶提交任務后，該模塊實時將對服務器集群的監(jiān)控和診斷，自動化配置最優(yōu)方案。若其中一臺服務器無法正常工作，馬上將其任務分配給其他的節(jié)點。

3.2.2 渲染節(jié)點

“渲染節(jié)點”是平臺硬件構(gòu)成的基本元素，其計算能力直接影響整個渲染的效率。渲染節(jié)點不但能最大程度地發(fā)揮設(shè)備性能，還能和不同的渲染程序良好集成。在面對一般性和復雜性渲染時，可以實現(xiàn)最佳的安排，所以對于虛擬機像文件模板而言，以CPU、內(nèi)存等相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，對高、中端節(jié)點進行分配，從計算量的角度對來自用戶的任務進行分配和加載。

3.2.3 資源存儲

人們對畫面的視覺效果要求越高，渲染文件以及素材庫所占的空間就會越大。一般來說，1 h的序列幀動畫所占的空間極有可能超過1 Tbyte。在渲染的過程中，必須對作品所包含的全部幀展開操作。鑒于此，系統(tǒng)存儲設(shè)備通常使用反應較快的IP-SAN等。另外，為避免出現(xiàn)分配過量的情況，系統(tǒng)運行還可采用虛擬化存儲管理程序。

3.2.4 用戶服務接口

該模塊的主要作用是將用戶和平臺連接起來，實現(xiàn)人機互動。用戶只需進行簡單的操作，就可以將渲染任務交給系統(tǒng)，可將制作者的雙手解放出來忙于其他事務。

3.3 云渲染流程

在云渲染過程中，用戶可以對渲染任務進行暫停、恢復、終止等操作，實現(xiàn)自助式操作，讓用戶完全操控渲染任務。具體流程如下：

1)使用場景抽取打包工具抽取場景文件，生成可提交的場景ZIP文件；

2)上傳場景ZIP文件，錄入任務基本信息后，打開渲染場景，設(shè)置渲染參數(shù)；

3)渲染參數(shù)無誤則自動進入渲染隊列，參數(shù)有誤則再次遠程修改渲染參數(shù)設(shè)置；

4)渲染過程中可在線預覽渲染結(jié)果，控制任務開始/暫停，渲染完成后自動生成渲染結(jié)果壓縮包；

5)可在線預覽渲染結(jié)果并瀏覽詳細的渲染賬單；

6)在線確認任務完成后，可下載渲染結(jié)果。

云渲染工作流程，如圖4所示。

圖4 云渲染工作流程

3.4 云渲染關(guān)鍵問題

在上述進程中，將面臨高性能批量計算、彈性部署等技術(shù)，而其中最為關(guān)鍵的技術(shù)則包括場景的解析、自適應負載的隊列管理和幀的復雜度判斷與分割等。具體如下：

1)場景的解析：系統(tǒng)會對文件進行解析，從而獲取其參數(shù)，而且還要檢測其貼圖、鑒定渲染器類型、再次設(shè)置光子文件等。一旦診斷到錯誤，或者自行修復，或者告之用戶并由用戶進行修復；文件檢測合格后，會被編入到渲染隊列里面。

2)自適應負載的隊列管理：所有處于執(zhí)行中或等待中的任務，構(gòu)成一個隊列，利用任務分發(fā)算法實現(xiàn)負載的平衡，以確保隊列組織的科學性。系統(tǒng)則自動獲取集群渲染節(jié)點的物理參數(shù)[4]，同時利用已完成的上一批任務的相關(guān)信息，采用加權(quán)組合的方式，利用兩種信息得到渲染熵，以了解節(jié)點所承受的負載，并將負載信息傳遞給節(jié)點監(jiān)控服務器，為后續(xù)隊列的組織提供標準。

3)幀的復雜度判斷與分割：對于普通的渲染任務處理而言，渲染的最小單位是幀。不過對于云渲染來說，若某個幀中存在太多的模型或是精度超過一定值，就要對最小單位進行進一步的分解，得到比幀單位更小的渲染塊，從而對幀的大小以及粒度等參數(shù)實施處理。因此，系統(tǒng)必須能夠識別需要分解處理的幀并進行分解，用渲染節(jié)點對各個小塊進行渲染，最后合成用戶下載。

3.5 云渲染服務拓撲架構(gòu)

動漫產(chǎn)品的制作通常由導演、美術(shù)、特效、制作、后期等6個掌握不同技能的工作組組成。過去它們之間相對獨立，連貫性不大。在新一代信息技術(shù)的支撐下，這些工作組能和“云”連為一體，享受“云”的功能和服務。在傳統(tǒng)渲染方式下，數(shù)據(jù)均保存在計算機或服務器上；云渲染后，數(shù)據(jù)被全部轉(zhuǎn)移到云端上進行統(tǒng)一處理，可充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的作用，提高管理效率并節(jié)省成本。云計算的普及使虛擬化成為關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)，IT服務的提供方式呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布。利用云渲染技術(shù)，制作人員可以隨時對作品進行渲染，而且可以看到成果，以便進行及時調(diào)整和優(yōu)化。此外，若能將云渲染技術(shù)引入到3D動畫制作中來，利用高速互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞到云端服務器上，不僅可縮短渲染耗時，而且能有效節(jié)省制作成本。正是得益于云計算技術(shù)的發(fā)展，人們才得以在電影院里看到恢宏壯觀的3D場景和活潑的人物造型。云渲染服務拓撲架構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 云渲染服務拓撲架構(gòu)圖

4 效果與優(yōu)勢

4.1 超強配置與兼容

超強CPU、GPU配置,并采用高性能并行架構(gòu)，帶來極速渲染體驗。云渲染平臺擁有海量服務器，具備極致高效的渲染能力，其日渲染能力可達數(shù)十萬核。同時因其具備規(guī)?；挠布?，可完美滿足各類3D及4K電影級渲染需求。此外，平臺全面兼容Maya，3ds Max，After Effects，Blender 等各種主流渲染插件,支持區(qū)域渲染、立體相機、顏色矯正和渲染元素等各種特性，可以讓用戶隨時隨地對接海量云資源。

4.2 定制渲染環(huán)境

在IT基礎(chǔ)資源具備情況下，用戶可在平臺界面中自行設(shè)置3D渲染引擎、所需使用的插件、渲染服務器規(guī)模和渲染集群管理軟件，云平臺可根據(jù)這些信息創(chuàng)建渲染環(huán)境，并在無需人工干涉的情況下，安裝、配置相關(guān)的程序，并啟動、使用這些程序，以滿足不同用戶在各種渲染場景下的需求。此外，系統(tǒng)提供多種業(yè)界常用的插件，可以靈活配置，還支持上傳自定義的插件平臺，輕松將云渲染集成到用戶的生產(chǎn)環(huán)境。

4.3 多租戶的渲染服務支撐

海量渲染節(jié)點，隨時滿足用戶需要。平臺支持網(wǎng)頁和APP方式提交素材，不同的用戶登錄到平臺中，其所創(chuàng)建的渲染集群數(shù)據(jù)可被分開放置并得到保護，比如素材、建模文件等。該平臺應采用動態(tài)VLAN技術(shù)，從而實現(xiàn)渲染集群工作網(wǎng)絡的分開放置。用戶能夠通過PKI的方式，數(shù)據(jù)傳輸通道整體加密，渲染過程無人接觸數(shù)據(jù)，安全可控，為知識產(chǎn)權(quán)提供充分的保護。此外，平臺可按照計算節(jié)點/小時進行資源管理，為用戶提供可控按需服務，還可根據(jù)需要調(diào)整渲染任務優(yōu)先級。

5 結(jié)束語

云渲染突破了渲染瓶頸因素以及管理障礙，可在云計算的支撐下為全球用戶提供跨地域、跨時空的全新溝通與合作模式，可為用戶解決渲染計算與移動存儲問題。從上述云平臺的架構(gòu)與應用來看，云渲染可有效解決傳統(tǒng)動漫制作的硬件瓶頸問題。相信在不久的將來，云計算與動漫渲染的充分結(jié)合，可為用戶提供更便捷、豐富的渲染服務和體驗，滿足文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與需求無縫對接的需求，最終實現(xiàn)文化創(chuàng)意與互聯(lián)網(wǎng)、金融等產(chǎn)業(yè)的有效融合。

[1] 葉瓊偉，張謙，杜萌，等.基于雙邊市場理論的社交網(wǎng)絡廣告定價分析[J].南開管理評論,2016(2)：169-178.

[2] 劉葵，葛志游.云計算技術(shù)在動漫渲染行業(yè)的應用拓展研究[J].廣州大學學報(自然科學版)，2013.12(2)：67-70.

[3] 懷進鵬，李沁，胡春明.基于虛擬機的虛擬計算環(huán)境研究與設(shè)計[J].軟件學報，2007，18(8)：2016-2026.

[4] 廖宏建，楊玉寶，唐連章，等.基于云計算的動漫渲染實驗平臺研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2012(7)：68-71.

干 彬，碩士，講師，長期從事云計算、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)加密與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化等領(lǐng)域的研究；

許志強，高級工程師，IEEE高級會員、CIC高級會員、CIE高級會員，四川傳媒學院新媒體研究院副院長，新加坡南洋理工大學創(chuàng)新媒體碩士(一等榮譽碩士)，長期從事媒體內(nèi)容與業(yè)務信息系統(tǒng)、全媒體融合與傳媒大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新融合研究；

王雪梅，女，副研究員，長期從事數(shù)字媒體內(nèi)容與信息消費等領(lǐng)域的研究。

責任編輯：薛 京

Research on application of cloud computing technology in animation rendering industry

GAN Bin, XU Zhiqiang, WANG Xuemei

(SichuanUniversityofMediaandCommunications,Chengdu611745,China)

The current animation manufacture mainly uses standalone rendering mode, and it also faces with low efficiency, complicated control, and waste of resources. In order to solve the short board and bottlenecks, based on the cloud computing in the application of cartoon rendering industry, on the basis of cloud computing, cartoon rendering, a cloud rendering platform design and implementation method is proposed in this paper. And the rendering platform design architecture, cloud rendering process and the key technologies are elaborated, trying to provide efficient and reliable rendering management and resource integration application mode.

cloud computing; cloud rendering; animation rendering; 3D; visualization

干彬，許志強，王雪梅.云計算技術(shù)在動漫渲染行業(yè)的應用研究[J]. 電視技術(shù)，2017,41(1)：32-36. GAN B, XU Z Q, WANG X M.Research on application of cloud computing technology in animation rendering industry[J]. Video engineering，2017,41(1)：32-36.

TN94

A

10.16280/j.videoe.2017.01.007

四川省教育廳自然科學重點科研項目(14ZA0317)

2016-04-06