集群渲染技术在工业产品设计教学中的应用

崔建伟

摘要：“集群渲染系统”，这是一种利用电脑CPU、以太网和操作系统构建的超级计算机，它使用主流的商业计算机硬件设备达到或接近超级计算机的计算能力。使用集群渲染能够大大缩短渲染时间、减轻渲染劳动强度，同时为高效完成后续合成工作打下坚实基础。这一点在复杂工业产品设计、中大型建筑模型设计和影视动画等多媒体制作领域中表现得尤为明显。目前，随着工业产品设计和影视动画节目制作要求越来越高，在此过程中渲染所需要的时间越来越多，而利用PC工作站来进行渲染的方式必定无法满足如此庞大的计算量，而最好的解决办法就是采用集群渲染技术。集群渲染系统中的渲染分发管理器通过一系列分布式工作命令，借助大规模的网络CPU渲染节点，形成强大的渲染能力来帮助设计师高效率地完成三维作品的最后生成。借助于网络分布式渲染器，设计者可以在设计完成三维模型场景以后，将渲染任务远程的导入云端集群渲染系统，从而迅速地对动画或静止帧进行渲染，高效地完成制作任务。

关键词：工业产品设计；集群渲染；三维仿真；分布式渲染

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：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，大型工業设计项目中的模型生成和影视动画节目制作过程中，“渲染”是最后的图像生成工序，工业产品的真实质感光影体现、影视动画中酷炫特效都要用最终的渲染来实现，这往往需要很长的计算生成时间，而利用个人PC工作站来进行渲染的方式必定无法满足如此庞大的计算量。目前最好的解决方案就是使用“集群渲染技术”。“集群计算系统”，是一种利用电脑CPU、以太网和操作系统构建的超级计算机，它使用主流的商业计算机硬件设备达到或接近超级计算机的计算能力。集群渲染系统中的渲染分发管理器通过特定的分布式工作命令借助大规模的网络CPU渲染节点，形成强大的渲染能力来帮助设计师高效率地完成三维作品的最后生成。

随着网络技术的不断发展，网速不断提高，借助于网分布式渲染服务器，设计者可以在设计完成三维模型场景以后，远程的将渲染任务发布到云端的集群渲染系统中，通过强大网络集群渲染处理能力，迅速地按需求对动画或静止帧进行渲染或预览，高效地完成复杂制作任务。

使用集群渲染能够大大缩短渲染时间、减轻渲染劳动强度，同时为高效完成后续合成工作打下坚实基础。这一点在中、大型工业设计、建筑模型应用和影视动画等多媒体制作领域中的作用尤为明显[1]。

国内各高校、大中专院校在工业设计群中的各专业（如工业设计，产品造型设计，广告设计与制作，动漫设计与制作）开办多年，虽然积累了大量的教学经验和项目实战经验，但在高端项目制作方面还存在硬件不足和技术不足等缺点，集群渲染可以很大程度提高我们的动画制作能力，解决教育水平提高和项目开发的瓶颈。

1 集群渲染技术

1.1 集群渲染系统的组成

根据集群渲染的基本架构以及渲染计算的特点和需求，搭建一套教学级的渲染集群大致包含下列部分：

分发管理/文件服务器：部署渲染分发管理软件，用于渲染节点和渲染任务的分发和管理，外接外置存储，为渲染节点提供高带宽共享存储。常用的管理软件包括：Autodesk Backburner， Frantic Film Deadline，Vray-DR Spawner等等。目前Deadline是其中最为广泛应用的一款网络渲染管理软件[2]。

渲染节点：部署渲染器，执行分发管理服务器派发渲染任务的服务器，一般为体积非常小的刀片式服务器，通常每个刀片服务器可以安装两个至强CPU ，如果每个CPU是4核8线 线程，那么在一个具有40个刀片的集群渲染系统中，可以同时使用640线程进行渲染。服务器的CPU线程数与计算速度对渲染的速度有很大的影响。

外置存储：用于存储渲染任务所需的材质文件和渲染完成的各种图片。一般是具有磁盘阵列的电脑，或是专业的网络存储服务器，如群晖（Synology）NAS网络存储服务器。

42U工业标准机柜：用于安装刀片式服务器，外置存储器，管理监视等。

1.2 集群渲染系统的搭建

首先是环境的搭建。集群渲染系统最好放置在专业的恒温空调机房中，并要做隔音处理，因为刀片式服务器的电源风扇都在万转以上，工作起来噪音相当大。

硬件的安装。将刀片式服务器和电源安装到工业机柜中，并通过路由器将多组刀片式服务器、网络存储设备连接好。

软件的安装。首先要将每一个刀片式服务器安装调试成功，包括三维软件（3dsMax，Maya等），插件（Vray渲染器，建筑插件，动画插件等），渲染管理软件（如Deadline），远程控制软件等。

网络调试。设置每台刀片式服务器的IP地址，保证不能互相冲突；设置网络存储设备的访问权限，使其共享的素材、文件夹能够被其他刀片式服务器完全控制。安装渲染管理软件（如Deadline）的数据库，同样设置其能被其他刀片式服务器完全控制访问。

制作安装管理服务器（可以是一台独立的计算机，也可以由其中一台刀片式服务器来充当，这由具体的网络环境来已决定），软件安装要与刀片式服务器相同，用来管理、分发渲染任务；并在这台服务器上安装渲染管理软件（如Deadline）的数据库，同样设置其能被其他刀片式服务器完全控制访问。

1.3 集群渲染管理软件介绍

Autodesk Backburner：是Autodesk产品（Max，Flame，Flint，Inforno等）的网络渲染工具，优点是安装Autodesk产品时它会以组件的形式安装，每台机器都可以作为主机，也可以成为其他机器的服务器，对于Autodesk的产品来说使用非常方便；缺点是对网络环境要求比较高，在一般网络环境下调试时会比较困难，不支持其他软件[3]。

Frantic Film Deadline：是目前国内最为常有的集群渲染管理软件，要比Autodesk Backburner使用更加方便，网络调试容易，网络适应能力也比较强。

Deadline是著名的Frantic Films电影特效制作公司开发的基于Windows 的网络渲染管理系统，允许用户在Windows上排列和分配，管理电影序列的渲染工作，提供强大高效的3D和2D网络渲染解决方案。Deadline是一些中小型工业设计公司和CG制作团队的最佳的渲染方案，特别3dsMax用户来说，是不错的选择。当然其用户除此以外，还有著名的暴雪游戏公司等知名企业。Deadline其优势：

（1）支持几乎所有的渲染引擎，Deadline包括已经定制了Maya、3dsMax、Softimage XSI 、After Effects、 Shake、Mental ray、Vray等应用提交脚本。

（2）支持Real Flow流體计算软件。

（3）Deadline整合了Render Pass Manger管理软件，使它能够为3dsMax提供最优秀的支持。比如在同一台机器上调用多个3dsMax版本进行渲染，进行良好的用户体验。

（4）工作优先权、机器Pools、限制组、特别工作黑名单、等功能允许明确控制分配了的渲染任务，管理不同部门的资源。Deadline提供了非常详细和精确的任务日志，不仅可以很方便地找到问题的原因，以最快的速度解决问题。而且可以为项目管理人员提供详细的工作数据。

（5）Deadline支持远程控制软件，如Realvnc等，通过远程计算机操作维护系统。

（6）Deadline新版本支持半帧分割渲染[4]。

Vray-DR Spawner：是Vray渲染器的网络分布渲染软件。在工业产品设计、建筑装饰与建筑漫游项目制作中，非常多的使用3dsMax安装Vray渲染器进行渲染，Vray-DR Spawner可以帮助用户利用机房或闲置电脑一起进行网络渲染，提高工作效率，优点是使用简单方便，不需要很复杂的网络设置，对网络要求不高；缺点是不支持其它软件。

1.4 网络机房集群渲染

在具有高性能的机房条件下的场合，可以架构教学级的集群渲染系统，如高校的机房、实训室里，配置高效网络环境的每台工作机，都可以作为集群渲染的服务器节点。利用渲染管理软件可以将这些节点集合为一套集群渲染系统。可能在性能上、效率上相对于刀片式服务器要低一些，但可以充分课余时间进行任务分配。由于集群渲染对于网络环境、服务器的一致性要求比较高，所以对于机房软硬件环境的要求也比较高，调试维护都相对要麻烦。

2 集群渲染技术在工业产品设计教学中的应用

2.1 集群渲染技术在复杂产品设计中的应用

目前，国内工业设计面对的产品种类很多，有非常多的产品结构复杂、零件繁多，在对成品图的渲染表现中，一般的计算机难以完成这样的复杂的渲染计算，而集群渲染可以很大程度提高产品的渲染、甚至动画制作能力，解决发展的瓶颈。在各高校的工业设计专业学生往往在学习过程中由于学校硬件的限制，不能进行复杂产品设计的训练，而使得他们在企业岗位中不能适应复杂产品设计的任务[5]。

现在由于计算硬件技术发展迅速，教学级的集群渲染系统价格不再昂贵，已经开始普及。学校可以结合本校的机房实训的情况搭建自己的集群渲染系统。集群渲染可运用在复杂工业产品表现设计中大幅面单帧渲染中。如果在集群渲染中以Deadine为管理软件，可以非常方便地将渲染方式设置为单帧分割渲染，把一个画面不同区块分配给各个服务器进行渲染，可以轻松地完成上万像素幅面的设计图，特别适合建筑产品效果图的设计表现，而且支持目前最为流行的Vray渲染器。

2.2 集群渲染技术在工业产品虚拟展示中的应用

集群渲染还可运用在复杂工业产品以交互或动画的方式进行虚拟表示表现的渲染中。制作动画首先要把大量的序列帧画面渲染出来，这个工作量是非常大的，在校学生是无法在课堂上使用单机完成一个成品动画制作的，如果使用集群渲染，可以非常方便地将渲染任务完成。

2.3在工业设计软件中设置集群渲染的流程

工业设计软件在使用集群渲染时需要进行相应的场景设置，才能正确地提交渲染任务。

（1）首先要正确的设置网络存储共享，如果使用单机保存，要建立完全共享文件夹，贴图确保每台渲染节点都能流畅访问贴图路径、光域网文件、模型代理等文件，同时可以保存渲染文件。这里的文件夹和贴图等文件尽量使用字母命名，避免渲染器不支持中文字符而造成的访问错误问题。

（2）贴图路径、光域网文件、模型代理的访问路径都要采用网路径的方式，如“＼＼Net-host＼share＼map”。在3dsMax中可以通过“贴图/光度学路径”工具批量的来设置更改路径；也可以用“文件/资源追踪”命令来管理和设置路径。如果使用Vray渲染器进行渲染时，要注意光子图的路径问题，计算完光子图以后，同样要以网络路径的方式进行加载访问。

（3）提交渲染任务。不同的渲染管理软件提交的方式有所不同。

3 结束语

随着计算机硬件的发展，网络技术的成熟，集群渲染也会越来越多的应用到工业产品设计及教学中，现在已经有很多大型设计软件加入了云渲染的功能，来提高渲染效率，使得普通的用户也可以很方便的远程使用软件厂商为他们提供的专业的集群渲染硬件，帮助他们快速地完成任务。

参考文献：

[1]吴海彪.集群渲染在三維动画项目课程中的教学探讨[J]. 美术教育研究， 2013（10）：92.

[2]李谦.渲染农场研究进展综述[J]. 计算机应用研究， 2015（3）：652-656.

[3]梁永文，陈天生.大型场景建筑动画制作的探索与实践[J].兰州石化职业技术学院学报，2011（3）：29-30.

[4]强氧科技.强氧Deadline集群渲染解决方案—适于中小企业、专业院校的Render Farm搭建[J]. 电视字幕（特技与动画），2007（10）：64-65.

[5]周庆.复杂工业设计产品外观轮廓合理性的模型研究[J].科技资讯，2015（4）：355-357.