谈云计算在三维动画渲染系统设计中的运用

摘 要：渲染是三维动画制作过程中重要的一个步骤，不仅需要大量的计算机计算资源，还会耗费不少的时间。本文对云计算在三维动画渲染系统的应用进行了研究，分析了云计算渲染的优势与关键技术，并为三维动画渲染的云计算提出了一些思路，希望能为动画渲染工作提供助力。

关键词：三维动画;渲染;云计算

动画产业在我国的发展非常迅速，其中三维动画占有很大的份额，不仅数量上在不断地增加，质量也向着更高的方向发展。许多的三维动画的清晰度已经向高清甚至4k超高清和3D等方向发展，而且场景和画面也越来越复杂。这些都对动画渲染的效率和性能提出了更高的要求，而云计算正是满足这种高效率、高质量需求的有效方法。

0 概述

第一，云计算。云计算是通过网络提供客户计算机所需要的计算资源，并实现可用而便捷的访问。云计算包括了许多内容，目前主要包含分布式计算、网络计算、虚拟化技术以及并行计算等技术手段。其特点如下：

一是云计算的规模庞大。云计算用“云”来形容计算的规模就从一个侧面反映了其规模的庞大。一般的企业私有云至少拥有成百上千的服务器，大型的如亚马逊、谷歌、微软的“云”服务器规模都超过百万。

二是服务的虚拟化，提供了便捷的使用方式。云计算可以通过各种各样的终端来使用云服务，对用户来说，所有的资源都可以从云得到，而不用固定在某处。

三是可靠性高。由于“云”采用分布式存储和容错等设计，众多的节点可以通过各种措施提供非常高的容错性，可靠性远超本地计算机。

四是拓展性良好。事实上，高度的可拓展性是云计算的重要特点之一，可以非常方便地扩大云的规模，提供更加强大的计算和存储服务。

五是价格相对低廉。由于云的规模性和很高的容错性，可以产生强大的规模效应，使构建云和使用云服务的单位成本都大大降低。

第二，动画渲染。渲染技术是动画设计中的重要组成部分，三维动画的渲染需要通过大量的计算来实现动画的最终视觉效果，也才能实现动画设计师的创作和构想，因而对计算性能有著非常高的需求。具体来说，三维动画通过设计软件制作合成后，需要通过渲染成最终动画。高水平的动画需要非常细致地展示出动画中各个部分的效果。比如动画内物品精细的材质纹理或是光影效果，以及逼真的3D效果和生动的人物以及真实感等等。而要实现这些，就需要在精细动画建模的基础上加入大量的光影效果和场景。这就需要应用到数量非常庞大的几何模型数量，精确的参数设施和复杂的动画动作。通过渲染计算，将这些内容和相应的材质、阴影以及灯光等效果按照设计进行三维的融合，成为最终的动画。

渲染需要满足的要求很多。首先，需要占用大量的计算资源，也就是CPU计算力;其次，在渲染的过程中需要大量的内存;最后，渲染会产生大量的I/O请求，对输入输出以及存储性能也有较高的需求。

1 云计算下的三维动画渲染系统

1.1 云渲染技术简介

由于云计算在可拓展性以及便捷性等方面的优势，非常符合三维渲染系统的要求。因此，许多三维动画在考虑到渲染系统的时候越来越倾向于使用云计算完成构建。通过云计算的高度拓展性，高性能等方面的优势，可以在短时间内很方便快捷地完成需要单机数天甚至数十天才能完成的渲染任务。

虽然云渲染技术看起来十分复杂，云系统构建和运行都需要较高的技术和各方面的支持，但是在实际的使用中，给予云计算的三维动画渲染系统却是比较容易甚至可以说是比较简单的，只需要具备简单的操作知识就能够完成，任何一个用计算机进行三维动画设计的人都能够上手。具体来说大致的流程如下：

首先，通过网页浏览器或是客户端，将本地设计好的三维动画建模文件上传到云计算系统。具体是使用网页浏览器还是专门的客户端，由提供云渲染服务的系统来决定。

其次，设置好渲染的各项参数。这些参数包括需要得到的渲染结果的文件格式，渲染的画面长宽分辨率等信息。

第三，开始渲染并等待渲染结束。等待渲染的过程所需的时间长度与渲染的复杂性、尺寸、动画的时长，以及所选择云计算渲染服务的等级都有着直接的关系。在等待的过程中可以看到需要的时间以及渲染状态等等信息。

第四，渲染完毕后下载得到的渲染结果。

1.2 云计算下的三维渲染系统设计架构

云计算下的三维渲染系统又可以称为云渲染。云渲染系统结构是建立在网络的基础之上，包括云渲染计算系统，文件服务功能，渲染管理以及网络连接和交换设备等。目前，常用的云渲染主要有两种类型，一种为自建云，另一种是云渲染平台，具体分别如下：

第一，自建云平台完成渲染工作。自建云平台可以更加方便地根据需求进行设计和搭建平台，但是其投资与技术要求都比较高，一般适用于长期的项目或是对外提供云渲染服务时采用。

第二，使用云渲染平台。随着云技术的迅速发展，云渲染平台也在国内外大量出现。比如Respower、Renderbus等等。可以供使用者通过网络进行灵活的使用。

1.3 云渲染系统的关键组成部分

无论是自主建设云平台进行动画渲染还是采用商业化的云渲染平台系统，都离不开如下几个部分：

第一，云计算的渲染节点。渲染节点是云渲染系统中的硬件核心，云计算环境下的渲染节点要针对3D渲染的需要进行专门的设计和优化。由于不同的渲染任务可能包括的渲染节点不同，可能是几个渲染节点，也可能需要几百个渲染节点，云计算可以为这种动态的需求提供非常好的支撑，而不用像传统动画渲染一样采用大量的服务器进行渲染节点的构建。整个“云”就像一台超级计算机，提供所需要的渲染节点，极大地提升了渲染节点的效率。

第二，云计算的文件存储系统。由于渲染系统在进行渲染的时候要从存储设备上读取相关的素材和信息等，在云计算的三维动画渲染系统中，必须有强大的文件存储和传输系统提供支撑。而且渲染的规模和渲染节点的数量越大，对文件服务的需要就越高。所以，云渲染系统的设计中一定要充分考虑到文件和存储服务的需要，以更好地为渲染工作服务，提高整个云渲染系统的效率和稳定性。

第三，渲染调度和管理服务器群。由于渲染是一项复杂而又计算任务繁重的工作，合理地安排渲染任务也有着重要的地位。而渲染管理和调度服务器就是负责这一任务的关键。渲染调度和管理能够极大地提升云渲染的效率。其实现的功能包括两个部分：首先，由于渲染调度和管理是渲染管理的核心，要实现渲染任务能够根据需要分配到相应的渲染节点当中，并根据需要将渲染任务在不同节点之间进行动态的调度和转换。其次，对渲染服务器进行管理，方便进行渲染服务器的资源调度和使用以及动态扩展与缩减，更加灵活地实现海量渲染资源的管理和优化使用。

第四，做好其他的配套设计。其他配套设计包括很多内容，如云渲染的硬件系统所使用的机架和机柜;专门的电力线路来提供稳定的电力;配备好后备电源和稳压系统预防供电故障或是电压波动的情况对云系统产生的灾难性影响;还要配套好存放云系统硬件的机房照明，空调和供暖换气系统，使硬件系统运行在一个合适的温湿度环境，确保云渲染能够在生产环境中长期、稳定地运行。

第五，云渲染的调度与分解策略。云计算下的三维动画渲染，可以同时进行多项渲染任务。因此，在工作的时候可以根据任务的情况分配任务。并通过任务分割和调度集中不同的渲染系统进行渲染，从而更好地提升云计算的计算机利用效率，缩短三维动画渲染的时间。

第六，采用先进的分布式计算模型进行云计算系统的软件设计。由于云渲染的目标是进行海量动画数据的计算，要根据三维动画的特点和渲染的需求，通过软件将任务分解成若干粒度较小的渲染单元，提供给渲染节点进行高效率的分布式处理进行渲染，最后将结果整合输出，完成渲染的目标。

2 结语

云计算是解决三维动画渲染速度慢、效率低的有效方法。但是在實际应用中，还需要不断根据三维动画渲染的特色对云计算进行专门的优化和设计，如此才能更好地利用云计算的优势与特点完成渲染工作。而且云渲染可以应用的领域也会更加广泛，如可以在建筑三维建模等方面发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 田雅岚，郑志翔.基于云计算的渲染解决方案在三维动画教学中的运用[J].大众文艺，2016（12）.

[2] 田红，韩晓红.云计算技术在高校动漫专业渲染阶段的应用[J].自动化与仪器仪表，2014（12）.

作者简介：张晟（1985—），男，辽宁沈阳人，硕士，动画专业，教师，研究方向：三维动画。