超大型三維場(chǎng)景分布式渲染系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)研究

郭 陽(yáng)，李昆昆，于春雨，盧石磊，李文博，劉 甜

（青島理工大學(xué) 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所，山東 青島 266520）

分布式渲染是將分布式計(jì)算和實(shí)時(shí)渲染結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大體量模型的繪制與渲染，利用多GPU累積能力協(xié)同處理渲染任務(wù)，實(shí)現(xiàn)單PC機(jī)無(wú)法達(dá)到的快速繪制與渲染效果。實(shí)時(shí)渲染流程中最為關(guān)鍵的階段是幾何處理和光柵化。STEVEN和MICHAEL等[1]人針對(duì)三維模型實(shí)時(shí)繪制和渲染提出Sort分類策略，將分布式渲染分為了Sort-first、Sort-middle和Sort-last三種方式，Sort-first將圖元數(shù)據(jù)在幾何處理之前進(jìn)行歸屬判斷，Sort-middle將圖元數(shù)據(jù)在幾何處理和光柵化之間進(jìn)行歸屬判斷，Sort-last由于以無(wú)序狀態(tài)通過(guò)了幾何處理和光柵化，因此不再需要?dú)w屬判斷，直接在顯示系統(tǒng)上進(jìn)行圖像合成。

分布式渲染的實(shí)現(xiàn)取決于多渲染節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)建，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將直接影響渲染效率[2]。本文設(shè)計(jì)一種新的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超大型三維場(chǎng)景的Sortfirst和Sort-last分布式渲染。

1 傳統(tǒng)主從體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的分布式渲染系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為主從（Master-Slave）結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型較為簡(jiǎn)單，整個(gè)執(zhí)行過(guò)程中任務(wù)量最大的繪制與渲染由從節(jié)點(diǎn)完成，并且根據(jù)任務(wù)量的需求大小或者用戶要求決定從節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展性。主從結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)在于主節(jié)點(diǎn)職責(zé)過(guò)多，極易影響系統(tǒng)渲染效率；模型的計(jì)算渲染和圖像合成為串行關(guān)系，在從節(jié)點(diǎn)計(jì)算渲染時(shí)，主節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)。

孫昭等[3]基于主從結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種按場(chǎng)景內(nèi)容分布的渲染系統(tǒng)，Master節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和用戶的交互結(jié)果顯示，Slave節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)子場(chǎng)景的渲染，該方式提升了場(chǎng)景渲染的整體時(shí)間。彭敏峰[4]提出將多任務(wù)并行圖形繪制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分為三類：負(fù)責(zé)幾何運(yùn)算的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行OpenGL指令的服務(wù)節(jié)點(diǎn)和負(fù)責(zé)與用戶交互的控制節(jié)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)的并行計(jì)算和繪制，繪制結(jié)果可以多個(gè)屏幕顯示。湯敏[5]將分布式渲染的體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)為Master-Slave-Collector，在主從結(jié)構(gòu)中加入了Collector節(jié)點(diǎn)，通過(guò)添加任務(wù)池和結(jié)果池的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載均衡。路石[6]在基于高性能并行可視化服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)充了系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)角色，使系統(tǒng)邏輯更加清晰，但容易造成多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的往復(fù)傳輸，從而增加由于網(wǎng)絡(luò)傳輸所帶來(lái)的時(shí)間消耗。

2 服務(wù)節(jié)點(diǎn)+主渲染節(jié)點(diǎn)+從渲染節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)角色

基于主從結(jié)構(gòu)，為減少主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)壓力，并且在從節(jié)點(diǎn)渲染時(shí)，主節(jié)點(diǎn)不處于空閑狀態(tài)，增加第三類系統(tǒng)角色，該角色承載主節(jié)點(diǎn)中的部分任務(wù)模塊，減輕主節(jié)點(diǎn)任務(wù)量。系統(tǒng)角色為：服務(wù)節(jié)點(diǎn)、主渲染節(jié)點(diǎn)和從渲染節(jié)點(diǎn)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)任務(wù)包含：系統(tǒng)環(huán)境部署、任務(wù)計(jì)算；主渲染節(jié)點(diǎn)任務(wù)包含：主渲染循環(huán)維護(hù)、用戶交互和事件處理（根據(jù)渲染需求，判斷系統(tǒng)是否進(jìn)行圖像合成）；從渲染節(jié)點(diǎn)任務(wù)包含：被動(dòng)渲染執(zhí)行。

2.2 系統(tǒng)工作流程

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)工作流程如下：渲染任務(wù)執(zhí)行時(shí)由服務(wù)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境資源部署開始，系統(tǒng)中的其他節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到來(lái)自服務(wù)節(jié)點(diǎn)的部署方案，此時(shí)實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)角色的劃分。服務(wù)節(jié)點(diǎn)開始部署渲染任務(wù)，首先根據(jù)渲染節(jié)點(diǎn)數(shù)量分配任務(wù)量到其他節(jié)點(diǎn)中，各渲染節(jié)點(diǎn)接受命令加載場(chǎng)景并開始渲染。渲染節(jié)點(diǎn)的工作大致相同，經(jīng)過(guò)清除、繪制、交換等，最后進(jìn)行顯示。在此期間，主節(jié)點(diǎn)還會(huì)接收新的事件命令，并提交到服務(wù)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)服務(wù)節(jié)點(diǎn)一并計(jì)算，進(jìn)行新的任務(wù)劃分，開始下一幀的渲染循環(huán)。

2.3 并行機(jī)制

在渲染中引入并行機(jī)制，在不改變單幀串行關(guān)系的情況下，使得多幀的渲染實(shí)現(xiàn)并行處理，以此實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的分布式任務(wù)處理，減少單節(jié)點(diǎn)的渲染計(jì)算量，還可以實(shí)現(xiàn)流水線加速效果。

當(dāng)采用并行機(jī)制執(zhí)行任務(wù)時(shí)，假設(shè)全部在理想情況下，任務(wù)分配、渲染執(zhí)行、數(shù)據(jù)傳輸和圖像合成時(shí)間相等，忽略其他操作的時(shí)間，則理論上N幀的加速比可達(dá)到4N/（N+3）。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，模型繪制與渲染和圖像合成的時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，因此無(wú)法達(dá)到理想效果。并且當(dāng)流水線內(nèi)部包含的模塊操作越多時(shí)，其渲染執(zhí)行和圖像合成的時(shí)間差越大，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)渲染第k幀時(shí)，此時(shí)的圖像合成顯示的是k-2幀，因此在負(fù)責(zé)圖像合成的主渲染節(jié)點(diǎn)中需進(jìn)行緩存處理。

2.4 子任務(wù)劃分

在Sort-first渲染方式中，子任務(wù)根據(jù)屏幕2D圖像的物理位置進(jìn)行劃分，因此子任務(wù)劃分可通過(guò)基于視錐體的圖元分割實(shí)現(xiàn)，通過(guò)視錐體計(jì)算可以得出裁剪掉外部圖元[7]，還可以得到投影到二維屏幕上的矩陣。

首先選擇三維坐標(biāo)系，采用OpenGL右手坐標(biāo)系，X軸向前，Y軸向上，Z軸向右。以2個(gè)子視錐體為例，進(jìn)行坐標(biāo)和透視投影矩陣計(jì)算。視錐體切分如圖1所示。

通過(guò)設(shè)置視錐體的fovy、Width、Height、zNear、zFar參數(shù)可以得出視錐體中的l、r、t、b、n和這幾f個(gè)變量值，再推導(dǎo)出視錐體透視投影矩陣。得到透視投影矩陣之后，便可以根據(jù)用戶自定義屬性切分視錐體，得到若干個(gè)子視錐體和它們各自的透視投影矩陣。

在切分視錐體為2個(gè)子視錐體時(shí)，變換相應(yīng)的變量便可獲得子視錐體的投影矩陣，例如當(dāng)r=0時(shí)，即可得到左二分之一子視錐體；當(dāng)l=0時(shí)，可得到右二分之一的子視錐體，當(dāng)?shù)玫蕉种蛔右曞F體后，重復(fù)上面的過(guò)程，可得到三分之一或四分之一視錐體，當(dāng)賦值為0時(shí)為均分。

在分配渲染任務(wù)時(shí)，需根據(jù)模型變換和新事件處理對(duì)子任務(wù)不斷進(jìn)行劃分，需進(jìn)行負(fù)載均衡處理，通過(guò)在視錐體內(nèi)部建立包圍盒的方式判斷子視錐體內(nèi)部頂點(diǎn)的數(shù)量是否趨于平衡，若某個(gè)子視錐體存在的頂點(diǎn)過(guò)多，則重新分配，使子視錐體內(nèi)部的頂點(diǎn)數(shù)量盡量保持一致，使渲染節(jié)點(diǎn)的任務(wù)量基本一致，渲染時(shí)間保持平衡。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用5臺(tái)PC機(jī)組成分布式渲染系統(tǒng)，其中服務(wù)節(jié)點(diǎn)和主渲染節(jié)點(diǎn)各1臺(tái)，從渲染節(jié)點(diǎn)3臺(tái)，因此可進(jìn)行四分模型的渲染劃分。

3.1 模型用例

本文選取500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）模型作為測(cè)試用例，課題組已完成FAST模型的建模工作[8-11]，如圖2所示。

圖2 FAST模型

FAST各部件模型在經(jīng)過(guò)整合并且添加上其他體量較小的模型之后，整體模型體量已超過(guò)千萬(wàn)級(jí)，見表1。

表1 FAST整體模型體量

3.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中采取兩種方式驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，一是Sort-first渲染及最終圖像不在主渲染節(jié)點(diǎn)合成的方式，該方式使用2.4節(jié)設(shè)計(jì)的劃分策略完成2D圖像分割；二是Sort-last渲染及最終圖像在主渲染節(jié)點(diǎn)合成的方式，該方式直接將模型數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行劃分，各渲染節(jié)點(diǎn)占據(jù)等比例的模型數(shù)據(jù)。

3.2.1 Sort-first圖像不合成方式

根據(jù)子任務(wù)劃分方式，進(jìn)行視錐體的切分，將視錐體分為若干個(gè)不同的子視錐體，所有子視錐體渲染任務(wù)部署到不同的渲染節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行渲染操作。如圖3所示，主渲染節(jié)點(diǎn)和3個(gè)從渲染節(jié)點(diǎn)各占1/4的模型渲染任務(wù)，并通過(guò)視口的位置變換實(shí)現(xiàn)顯示拼接。

圖3 四分FAST模型圖像不合成

3.2.2 Sort-last圖像合成方式

在該渲染方式中，沒(méi)有進(jìn)行基于視錐體的劃分，按照模型比例大小實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分配，例如在四分模型中，將模型數(shù)據(jù)大小等分為4份，4個(gè)渲染節(jié)點(diǎn)各占1/4，并且由于Sort-last渲染實(shí)現(xiàn)的是模型的部分區(qū)域，無(wú)法進(jìn)行顯示拼接，因此在主渲染節(jié)點(diǎn)進(jìn)行圖像合成，在渲染窗口中直接輸出整體模型圖案，如圖4所示。

圖4 四分FAST模型圖像合成

3.3 結(jié)果分析

在渲染節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別是1~4的情況下，采集執(zhí)行1 000次渲染循環(huán)耗用的時(shí)間，其中包含圖像不合成和圖像合成兩種情況，如圖5所示。

圖5 渲染耗時(shí)對(duì)比

當(dāng)增加渲染節(jié)點(diǎn)時(shí)，1 000幀的渲染耗時(shí)持續(xù)減少，繪制和渲染流暢度逐漸提升。當(dāng)增加到4個(gè)渲染節(jié)點(diǎn)時(shí)，其渲染幀率也從22 fps分別增加到了47 fps和33 fps，能夠滿足實(shí)時(shí)渲染要求，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的分布式渲染系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的有效性。

在圖像的合成中，由于增加了圖像數(shù)據(jù)的傳輸和合成，因此在渲染耗時(shí)上，高于不合成的方式，并且在渲染節(jié)點(diǎn)逐漸增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸和合成耗時(shí)逐漸增多。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于服務(wù)節(jié)點(diǎn)+主渲染節(jié)點(diǎn)+從渲染節(jié)點(diǎn)的分布式渲染系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，將任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中與渲染工作無(wú)關(guān)的模塊分離到服務(wù)節(jié)點(diǎn)中，使其承擔(dān)系統(tǒng)管理工作，與渲染相關(guān)的模塊任務(wù)全部分配給渲染節(jié)點(diǎn)，并盡量使主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的任務(wù)量趨于一致。以中國(guó)天眼FAST三維模型作為測(cè)試用例，測(cè)試結(jié)果表明，在保證實(shí)時(shí)渲染流暢度的前提下，本系統(tǒng)能夠有效減少三維模型的整體渲染時(shí)間，提高渲染效率。