云计算技术在动漫渲染行业的应用研究

干 彬，许志强，王雪梅

(四川传媒学院，四川 成都611745)

云计算技术在动漫渲染行业的应用研究

干 彬，许志强，王雪梅

(四川传媒学院，四川 成都611745)

当前动漫制作还主要沿用单机渲染的模式，面临着效率低下、操控复杂、资源浪费等弊端。为解决这些短板与瓶颈，以云计算在动漫渲染行业的应用入手，在阐述渲染、云计算、动漫渲染的基础上，提出了一种云渲染平台设计与实现的方法，并从渲染平台设计架构、云渲染流程及关键技术等角度进行阐述，试图提供高效可靠的渲染管理及资源整合应用模式。

云计算；云渲染；动漫渲染；3D；可视化

动漫产业是在如今以创新为中心的知识经济时代背景下诞生的，全球动漫产业主要集中在美、日、韩三国。美国是最早的动漫发展国，是全球动漫产业的龙头；日本拥有成熟细密的产业链结构及运营机制；而韩国动漫业在短时间内迅速冒头，其产值份额已占到全球的30%。全球范围内，掀起幻想类电影浪潮《阿凡达》取得26.3亿美元票房的辉煌业绩，《功夫熊猫》全球票房超过7.5亿美元。在全球动漫产业发展的推动下，国内动漫产业也已具有一定的规模，发展前景十分可观。

随着消费端的代际变迁，动漫消费意识和消费能力在不断提升。然而在动漫产品制作的过程中，最为关键的步骤也是最后一步便是渲染，其质量水平高低成为了影响作品视觉效果的首要因素。为提升动漫渲染的效果与效率，越来越多的具有精细化特征的建模方法被人们发明出来，如在材质灯光和环境呈现方面，光线追踪已经成为过去，取而代之的是光能传递。就目前的现状来看，10帧动画需要10分钟以上才能制作完成，但其渲染却至少需要100分钟以上。特别是一些高清视频，这一情况显得更为严重，渲染时间动辄几天，有些长达数月。渲染工作之所以如此耗时，主要是因为运算工作量太大。曾使用的超级计算机虽能够在较短的时间内完成渲染，但这种设备不但价格高，而且尺寸太大，对于动漫行业中的中小企业来说极不现实。之后，市场上也出现了一些新技术和方法，比如集群、渲染农场(本质是分布式并行计算系统)等，但这些技术难以为动漫渲染发展提供足够的推力。

此外，如果能够实现高效、高质的渲染，那么相应的带宽、多节点数据并发读写、大量数据存储等方面必然也要有所强化或提升。总的来说，渲染对计算性能、网络带宽、存储等的需求日益增加，已成为限制动漫产业进步的主要因素之一。运营成本或将进一步提升，并给行业发展带来新的难题，或许只有新的技术或模式才能予以解决。鉴于当前传统的单机渲染方式效率低下、渲染农场负载不均衡等问题，本文通过从云计算与图形渲染入手，研究云计算在图形渲染中的应用，并将单机渲染变为网络集群渲染，其优化后可实现急速渲染，既能缩短制作周期、降低成本，又能展现更细腻逼真的人物和宏大华丽的场景。

1 渲染、云计算与云渲染

1.1 渲染

渲染是指非实时渲染，是将三维模型变换为图像的一个过程，其运用某种程序，对模型、光线、材质等进行多维计算从而调整画面的色彩、质感及光线，以营造出最佳的视觉体验。渲染能够十分清晰地将纹理、光源、阴影等呈现出来，让人们能够在画面中体会到各种技术细节的运用。在追求动画视觉效果精益求精的今天，渲染不但能够充分地体现出创意，而且也能较好地提升最终作品的视觉美感。

1.2 云计算

云计算作为当前信息计算科学发展的一个主要方向，已经逐步渗透到文化传媒的各个领域。云计算具有安全、便捷、数据共享与无限可能四大优势，不断根据需求在云端延伸出新业务，并按照新开发的业务量收取费用，其能够快速地结合自身需求对网络进行访问，在一个资源共享平台上寻找所需的程序、服务、信息等。云计算与影视动漫结合，可构建云渲染、视觉设计、影视数据等的关联，从而推动影视动画作品视觉效果和感官享受的进一步提升。根据Gartner的数据，全球公共云服务市场规模今年有望达到2 040亿美元，较2015年的1 750亿美元增长16.5%。

1.3 云渲染

云渲染与常规的云计算模式相似，即将三维图形渲染计算放在远程的服务器中计算，具备高性能计算、海量存储、可视化、自动化管理等优势，可大大提高渲染效率。在实际操作时，整个过程与常规的云计算并没有多少不同，用户利用计算机、网络、程序对平台进行访问，在终端设备上发送命令，服务器按照命令中的内容执行操作，完成渲染处理后的画面会在网络上被传回到用户端。针对不同的渲染平台还可实施统一化管理，从而更好地配置资源，并以量为依据核算费用。单机渲染与云渲染性能对比，如表1所示。

表1 云渲染与单机渲染性能对比

配置单机渲染云渲染CPUi76700k4核3.4GHzE5-2695V312核2.3GHz内存16Gbyte64～128Gbyte显卡NVIDIAGTX980TI6GHzNVIDIAQuadroK600012GHz模型参数边面数765万,单帧边面数765万,单帧渲染参数Vary3.301080pVary3.301080p渲染耗时3h48min18s3h48min18s

2 云计算应用于动漫渲染行业的现状

随着云计算与大数据技术的兴起，知识的革新正改变着越来越多的行业。在云计算、物联网、虚拟现实技术的推动下，整个互联网产业正面临着迅速转型，正加速向数字娱乐、现代制造等行业转型升级，形成以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态[1]。

在云计算与大数据的支撑下，动漫团队逐渐把艺术与科技相互结合，并通过高性能的计算设备来促进产品的高质与高效。以具体作品举例，电影《阿凡达》采用单机的方式对其中一帧进行渲染耗时两小时，那么一部持续160分钟、分辨率在2k～4k之间的视频，若每秒钟播放150幅画面(60 s×30帧×5层)，则需288万小时才能处理完所有的渲染任务。倘若这些任务全部交由一台服务器处理的话，要持续工作328年；再加之3D动画所有画面都是两幅图像，需要分开渲染，总共渲染需耗时666年。再以电影《昆塔》为例，其云渲染采用了阿里云6 000多台高性能计算机构建起的庞大机器军团，连续3个月日夜不停进行影片视效渲染，其中运用到15万核的计算器和600 Tbyte的内存，累计计算量已超过1 400万个小时。

目前3D动画电影对画面越来越细腻、画面质量越来越高的发展要求，渲染量更是与之剧增，传统动画渲染技术已根本无法满足这个需求，如何运用高新技术从而有效降低3D动画渲染时间已成为动漫渲染行业迫切的需求。云计算的全面渗透和新技术的跨界融合正在改变今天的媒体，基于云计算的动漫渲染或将成为未来动漫制作发展的新宠。

3 云渲染平台的设计与实现

3.1 渲染云计算平台

传统集群计算系统主要关注如何实现更强的运算能力，主要方式为将多台计算机虚拟为一台以提高计算能力。渲染云计算平台则力求用高效的科技手段、个性化的方案来帮助创作者迅速实现艺术创作。云渲染平台并非等同于计算机集群系统加图形计算程序，而是软件即服务(SaaS)、网格计算与虚拟化三者的有机融合。其中，虚拟化为集群计算和分区计算，在平台中充当着基础设施的角色；网格计算为功能的最终实现提供技术基础；软件即服务则塑造出不同于以往的软件使用模式。为使其能够适合于带宽占用量高、I/O占用率大的渲染需求，必须根据渲染应用CPU计算量大、内存带宽高、网络带宽高、存储系统I/O能力强的特点，考虑从集群系统的多个层次出发，对系统进行重新设计。虚拟化技术平台示意图，如图1所示。

图1 虚拟化技术平台

例如，引入云计算技术后，无论有多少个渲染任务，都必须接受分割处理，然后将分割得到的不同子部分交由集群里面的不同节点完成渲染，通过这样的方式缩短渲染耗时，提高动漫制作效率。又如，一段时长为一分钟的动画视频，1 s包含24帧画面，1 min则包含1 440帧画面。若采用渲染云平台的方式将这些图片交给24个服务器同时渲染，这样就能够将工程耗时缩短到原先的1/24。渲染云的MapReduce[2]，如图2所示。

图2 渲染云的MapReduce

3.2 云渲染平台设计结构

云渲染服务平台搭建在网络上，用户利用Web就能够对平台进行访问，能够进行如下操作：资源申请、提交需要渲染的文件，设置完成渲染后文件的导出地址、渲染参数等。渲染云平台可提供在线随时查看渲染进度服务，及时查错、及时修复，提高渲染效率。用户也可以提交一个很小的渲染任务进行测试，根据测试结果优化渲染参数。渲染任务完成后，用户可直接进入本地指定路径查看渲染结果。云渲染平台由任务管理、渲染节点、资源存储、用户服务接口4个模块组成。云渲染平台结构图[3]如图3所示。

图3 云渲染平台结构图

3.2.1 渲染任务管理

“渲染任务管理”是平台最关键的功能，具体而言是如何整合闲置计算机资源并将资源进行统一调度、任务分配、队列管理等。用户提交任务后，该模块实时将对服务器集群的监控和诊断，自动化配置最优方案。若其中一台服务器无法正常工作，马上将其任务分配给其他的节点。

3.2.2 渲染节点

“渲染节点”是平台硬件构成的基本元素，其计算能力直接影响整个渲染的效率。渲染节点不但能最大程度地发挥设备性能，还能和不同的渲染程序良好集成。在面对一般性和复杂性渲染时，可以实现最佳的安排，所以对于虚拟机像文件模板而言，以CPU、内存等相关参数为依据，对高、中端节点进行分配，从计算量的角度对来自用户的任务进行分配和加载。

3.2.3 资源存储

人们对画面的视觉效果要求越高，渲染文件以及素材库所占的空间就会越大。一般来说，1 h的序列帧动画所占的空间极有可能超过1 Tbyte。在渲染的过程中，必须对作品所包含的全部帧展开操作。鉴于此，系统存储设备通常使用反应较快的IP-SAN等。另外，为避免出现分配过量的情况，系统运行还可采用虚拟化存储管理程序。

3.2.4 用户服务接口

该模块的主要作用是将用户和平台连接起来，实现人机互动。用户只需进行简单的操作，就可以将渲染任务交给系统，可将制作者的双手解放出来忙于其他事务。

3.3 云渲染流程

在云渲染过程中，用户可以对渲染任务进行暂停、恢复、终止等操作，实现自助式操作，让用户完全操控渲染任务。具体流程如下：

1)使用场景抽取打包工具抽取场景文件，生成可提交的场景ZIP文件；

2)上传场景ZIP文件，录入任务基本信息后，打开渲染场景，设置渲染参数；

3)渲染参数无误则自动进入渲染队列，参数有误则再次远程修改渲染参数设置；

4)渲染过程中可在线预览渲染结果，控制任务开始/暂停，渲染完成后自动生成渲染结果压缩包；

5)可在线预览渲染结果并浏览详细的渲染账单；

6)在线确认任务完成后，可下载渲染结果。

云渲染工作流程，如图4所示。

图4 云渲染工作流程

3.4 云渲染关键问题

在上述进程中，将面临高性能批量计算、弹性部署等技术，而其中最为关键的技术则包括场景的解析、自适应负载的队列管理和帧的复杂度判断与分割等。具体如下：

1)场景的解析：系统会对文件进行解析，从而获取其参数，而且还要检测其贴图、鉴定渲染器类型、再次设置光子文件等。一旦诊断到错误，或者自行修复，或者告之用户并由用户进行修复；文件检测合格后，会被编入到渲染队列里面。

2)自适应负载的队列管理：所有处于执行中或等待中的任务，构成一个队列，利用任务分发算法实现负载的平衡，以确保队列组织的科学性。系统则自动获取集群渲染节点的物理参数[4]，同时利用已完成的上一批任务的相关信息，采用加权组合的方式，利用两种信息得到渲染熵，以了解节点所承受的负载，并将负载信息传递给节点监控服务器，为后续队列的组织提供标准。

3)帧的复杂度判断与分割：对于普通的渲染任务处理而言，渲染的最小单位是帧。不过对于云渲染来说，若某个帧中存在太多的模型或是精度超过一定值，就要对最小单位进行进一步的分解，得到比帧单位更小的渲染块，从而对帧的大小以及粒度等参数实施处理。因此，系统必须能够识别需要分解处理的帧并进行分解，用渲染节点对各个小块进行渲染，最后合成用户下载。

3.5 云渲染服务拓扑架构

动漫产品的制作通常由导演、美术、特效、制作、后期等6个掌握不同技能的工作组组成。过去它们之间相对独立，连贯性不大。在新一代信息技术的支撑下，这些工作组能和“云”连为一体，享受“云”的功能和服务。在传统渲染方式下，数据均保存在计算机或服务器上；云渲染后，数据被全部转移到云端上进行统一处理，可充分发挥现有资源的作用，提高管理效率并节省成本。云计算的普及使虚拟化成为关键基础架构，IT服务的提供方式呈现网状分布。利用云渲染技术，制作人员可以随时对作品进行渲染，而且可以看到成果，以便进行及时调整和优化。此外，若能将云渲染技术引入到3D动画制作中来，利用高速互联网将数据传递到云端服务器上，不仅可缩短渲染耗时，而且能有效节省制作成本。正是得益于云计算技术的发展，人们才得以在电影院里看到恢宏壮观的3D场景和活泼的人物造型。云渲染服务拓扑架构图，如图5所示。

图5 云渲染服务拓扑架构图

4 效果与优势

4.1 超强配置与兼容

超强CPU、GPU配置,并采用高性能并行架构，带来极速渲染体验。云渲染平台拥有海量服务器，具备极致高效的渲染能力，其日渲染能力可达数十万核。同时因其具备规模化的硬件，可完美满足各类3D及4K电影级渲染需求。此外，平台全面兼容Maya，3ds Max，After Effects，Blender 等各种主流渲染插件,支持区域渲染、立体相机、颜色矫正和渲染元素等各种特性，可以让用户随时随地对接海量云资源。

4.2 定制渲染环境

在IT基础资源具备情况下，用户可在平台界面中自行设置3D渲染引擎、所需使用的插件、渲染服务器规模和渲染集群管理软件，云平台可根据这些信息创建渲染环境，并在无需人工干涉的情况下，安装、配置相关的程序，并启动、使用这些程序，以满足不同用户在各种渲染场景下的需求。此外，系统提供多种业界常用的插件，可以灵活配置，还支持上传自定义的插件平台，轻松将云渲染集成到用户的生产环境。

4.3 多租户的渲染服务支撑

海量渲染节点，随时满足用户需要。平台支持网页和APP方式提交素材，不同的用户登录到平台中，其所创建的渲染集群数据可被分开放置并得到保护，比如素材、建模文件等。该平台应采用动态VLAN技术，从而实现渲染集群工作网络的分开放置。用户能够通过PKI的方式，数据传输通道整体加密，渲染过程无人接触数据，安全可控，为知识产权提供充分的保护。此外，平台可按照计算节点/小时进行资源管理，为用户提供可控按需服务，还可根据需要调整渲染任务优先级。

5 结束语

云渲染突破了渲染瓶颈因素以及管理障碍，可在云计算的支撑下为全球用户提供跨地域、跨时空的全新沟通与合作模式，可为用户解决渲染计算与移动存储问题。从上述云平台的架构与应用来看，云渲染可有效解决传统动漫制作的硬件瓶颈问题。相信在不久的将来，云计算与动漫渲染的充分结合，可为用户提供更便捷、丰富的渲染服务和体验，满足文化创意产业生产与需求无缝对接的需求，最终实现文化创意与互联网、金融等产业的有效融合。

[1] 叶琼伟，张谦，杜萌，等.基于双边市场理论的社交网络广告定价分析[J].南开管理评论,2016(2)：169-178.

[2] 刘葵，葛志游.云计算技术在动漫渲染行业的应用拓展研究[J].广州大学学报(自然科学版)，2013.12(2)：67-70.

[3] 怀进鹏，李沁，胡春明.基于虚拟机的虚拟计算环境研究与设计[J].软件学报，2007，18(8)：2016-2026.

[4] 廖宏建，杨玉宝，唐连章，等.基于云计算的动漫渲染实验平台研究与实现[J].实验室研究与探索，2012(7)：68-71.

干 彬，硕士，讲师，长期从事云计算、通信网络系统加密与数据挖掘技术创新与优化等领域的研究；

许志强，高级工程师，IEEE高级会员、CIC高级会员、CIE高级会员，四川传媒学院新媒体研究院副院长，新加坡南洋理工大学创新媒体硕士(一等荣誉硕士)，长期从事媒体内容与业务信息系统、全媒体融合与传媒大数据等领域的创新融合研究；

王雪梅，女，副研究员，长期从事数字媒体内容与信息消费等领域的研究。

责任编辑：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，许志强，王雪梅.云计算技术在动漫渲染行业的应用研究[J]. 电视技术，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

四川省教育厅自然科学重点科研项目(14ZA0317)

2016-04-06