（计算机软件与理论专业论文）网格技术在动画渲染中的应用与研究.pdf

摘要 动画产业被称为2 1 世纪的朝阳产业，渲染是动画制作的重要步 骤，传统动画渲染有渲染时间长、无法自动分配帧、渲染数据量大 并且无法实时传输和处理等缺陷，这就迫切要求有新的技术能够解 决以上问题。网格技术作为近年来计算机领域的研究热点，不但能 够较好地解决传统渲染系统的问题，而且容易实现动画帧的任务调 度和实时分配以及动画数据帧的传输和处理。因此，本文结合网格 技术，对动画渲染的以上问题进行研究。 本文首先介绍研究原因、目的、内容，阐述了网格技术的相关 理论以及我国近年来网格技术的研究现状和发展趋势，详细介绍了 动画渲染，对比国外几种常见的动画渲染系统，并分析其优缺点， 同时提出将网格技术应用于动画渲染平台。 针对传统动画渲染系统处理任务时无法实现动态负载均衡的问 题，引入反馈思想，结合负载均衡原理，提出一种基于反馈的负载 均衡新算法，该算法是设计带有反馈结构的任务调度器、任务控制 器及任务监测器的服务器，采用全局集中式负载均衡策略调度和分 配任务线程，为不同的请求服务等级提供服务响应时间保障，实时 动态调整动画渲染系统各节点的负载并使其实现负载均衡，实验结 果证明该算法较好地提高了系统的整体性能。 从软件工程的角度出发，本研究结合g l o b u s 思想，提出了基于 g l o b u s 架构的动画渲染系统，讨论了其总体设计目标，并给出了总 体框架设计以及模块设计。对网格环境下的数据传输和处理进行了 研究，研究了基于网格的动画渲染系统的数据帧传输系统的模型、 动画帧处理技术。采用g r i d f t p 并结合l r u 算法，设计和实现了动画 渲染帧数据传输和处理以及g l o b u st o o l k i t 作为工具包的数据接口模 块。最后对系统功能模块进行实现并进行相关的大量测试，实验证 明新系统远优于传统系统。 关键词：网格技术，动画渲染，数据帧，任务调度，负载均衡 a b s t r a c t c a r t o o ni n d u s t r yi sr e g a r d e da sas u n r i s ei n d u s t r yo f2 15 c e n t u r y , a n dt h er e n d e r i n gi sa ni m p o r t a n ts t e po fc a r t o o np r o d u c t i o n h o w e v e r , t r a d i t i o n a lc a r t o o nr e n d e r i n gh a ss o m es h o r t a g e s ，s u c ha sl o n g 。t i m e r e n d e r i n g ，i n a b i l i t yt oa s s i g nf r a m ea u t o m a t i c a l l y , al a r g en u m b e ro f r e n d e r i n gd a t aa n di n c a p a b i l i t yo f t r a n s m i s s i o na n dr e a l t i m ep r o c e s s ，s o s o m en e wt e c h n o l o g yi sn e e d e du r g e n t l y n e t w o r kt e c h n o l o g yh a s b e c o m eam o r ea n dm o r ep o p u l a ri nr e c e n ty e a r si nt h ec o m p u t e rf i e l d , t h er e a s o n so fw h i c ha r et h a ti tn o to n l yc a ns o l v es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a lr e n d e r i n gs y s t e m , b u ta l s oc a nr e a l i z et h et a s ks c h e d u l i n ga n d r e a l t i m ea s s i g n m e n to fc a r t o o nf r a m e sa n dt h et r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s o fc a r t o o nd a t af r a m e s t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sh a ss t u d i e dt h ea b o v e p r o b l e m sc o m b i n e dw i t hg r i dt e c h n o l o g y a tf i r s t ，t h ec a u s e ，p u r p o s ea n dc o n t e n to ft h i s t h e s i sw e r e i n t r o d u c e d n e x t s o m et h e o r yw h i c hr e l a t e dt o 酣dt e c h n o l o g ya n d c u r r e n ts t u d ys t a t ea n dd e v e l o p m e n tt r e n do fr e c e n t 酣dt e c h n o l o g y w e r ep r e s e n t e d c a r t o o nr e n d e r i n gw a sd e s c r i b e di nd e t a i l ；t h er e s e a r c h c o m p a r e ds o m eo t h e rc o m m o n c a r t o o nr e n d e r i n gs y s t e mw h i c hh a sb e e n m a d ei no t h e rc o u n t r i e s m e a n w h i l e ，t h et h o u g h to fa p p l y i n g 酊d t e c h n o l o g yt or e n d e r i n gp l a t f o r m h a sb e e np r o p o s e d l o a db a l a n c i n ga l g o r i t h mb a s eo nf e e d b a c kw a sp r o p o s e dt os o l v e t h ep r o b l e mt h a tc a r t o o nc l u s t e rr e n d e r i n gs y s t e mc a n ti m p l e m e n t d y n a m i c a ll o a db a l a n c i n g ，w h e ni t t r e a t sw i t hm u l t i s t a g et a s k t h ei d e a l o ff e e d b a c kw a si n t r o d u c e da n dt h ep r i n c i p l eo fl o a db a l a n c i n gw a s r e f e r r e di nt h i sn e wa l g o r i t h mw h i c hu s e st h es t r a t e g yo fc e n t r a l i z e dl o a d b a l a n c i n gt os c h e d u l ea n da l l o tt a s k - t h r e a da n dp r o v i d e sr e s p o n s et i m e g u a r a n t e e sf o rd i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sa n di m p l e m e n t sl o a db a l a n c e t h r o u g ha d ju s t i n gt h el o a do f a 1 1n o d e so fc a r t o o nc l u s t e rr e n d e rs y s t e m r e a l t i m e l ya n dd y n a m i c a l l y , f i n a l l y , t h i sn e wa lg o r i t h mi m p r o v e st h e w h o l ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mr e m a r k a b l y c a r t o o nr e n d e r i n gs y s t e mw h i c hc o m b i n e dw i t hg l o b u st h i n k i n g w a sp r o p o s e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi nt h i s r e s e a r c h d e s i g no b j e c t i v e sw e r ed i s c u s s e da n da l s oag e n e r a lf r a m e w o r k f o rt h ed e s i g na n dm o d u l a rd e s i g no ft h i ss y s t e mw e r ep r o p o s e db a s e d o nt h es t m c t u r eo ft h eg l o b u s t h e nd a t at r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g h a v eb e e ns t u d i e di ne n v i r o n m e n to fg r i d t h em o d e lo fc a r t o o nd a t a f r a m et r a n s m i s s i o na n dc a r t o o nf r a m ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw e r e d i s c u s s e d d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea n i m a t i o nf l a m er e n d e r i n g d a t at r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n ga n dg l o b u st o o l k i ta sat o o lk i to fd a t a i n t e r f a c em o d u l eb yu s i n gg f i d f t pa n dc o m b i n i n gl r ua l g o r i t h m f i n a l l y , t h er e s e a r c hr e a l i z e df u n c t i o n sa n dm o d u l e so ft h es y s t e ma n d d i de x t e n s i v er e l a t e dt e s t i n g e x p e r i m e n t a le v i d e n c ep r o v e dn e ws y s t e m m o r es u p e r i o rt ot h e 仃a d i t i o n a ls y s t e m k e yw o r d s ：g r i dt e c h n o l o g y , c a r t o o nr e n d e r i n g ，d a t af r a m e ，t a s k s c h e d u l i n g ，l o a db a l a n c i n g i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 水 沙眸莎月似日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大 学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酣 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：渐莅孓 日期：沙嗥b 月阳 导师签名：蔼芬呜 日期：钞年多月7z 日 网格技术在动画渲染中的应用与研究 1 1 引言 1 绪论 自1 9 3 9 年世界第一部动画诞生到至今，动画己逐步成为一种重 要的休闲娱乐和教育手段。动画产业被称为2 l 世纪的朝阳产业，发 展前景十分广阔。据统计，2 0 0 5 年，中国动漫业总产值一共是2 0 0 亿 元左右，生产制作动漫共4 0 0 0 0 余分钟；2 0 0 4 年，总产值是1 1 7 亿元， 增长约7 0 ，拍摄动画片2 9 0 0 0 分钟，增长约3 8 。据统计，2 0 0 3 年 我国动漫产业总收益己开始超过电影业。2 0 0 4 年，全球数字动漫产 业的产值已达2 2 2 8 亿美元，与动漫产业相关的周边衍生产品产值则 在5 0 0 0 亿美元以上，据估计，至u 2 0 0 7 年这一数据将会突破10 0 0 0 亿美 元【l 】。计算机动画已经渗入人们生活的方方面面，在电影电视业、广 告、工业设计及教育等领域具有广泛的应用前景。随着电子技术的 不断发展和扩充，动画产业的内容不断得到丰富，动画制作的步骤 越来越复杂，渲染作为动画制作的重要步骤同样越来越复杂，而对 动画帧的渲染实际就是计算机对大量数据的处理。 “网格”出现于2 0 世纪9 0 年代，它的目的是想利用高速互联网 把分布于不同地理位置的计算机、数据库、存储器和软件等资源连 成整体，在各企业、行业或工作组间得以虚拟地共享、管理及访问， 使得用户可以无缝、无干抚地访问这些资源。就像一台超级计算机 一样，为用户提供一体化信息服务，用户不需考虑计算力从什么地 方来，只管用就行了。网格被视为2 1 世纪的新型网络基础架构以及 未来1 0 年中i t 商业应用的主流，是继i n t e m e t 、w e b ( w o r l dw i d ew e b ， w w w ，万维网) 技术之后的第三次互联网技术浪潮。 为了解决动画渲染时计算机处理数据时间长等一系列问题，本 文将网格技术应用到动画渲染系统中进行研究。 硕+ 学位论文 1 2 研究原因和目的 卡通动画是近几年来计算机研究的热点，已经广泛应用于影视 特技、商业广告、游戏、计算机辅助教育等领域。一方面，计算机 卡通动画已经渗透进人们生活的方方面面，在电影电视业、广告、 工业设计及教育等领域具有广泛的应用前景【2 】。另一方面，网格的发 展对人们的生产生活和科学研究产生深远的影响，动画产业已经成 为包含计算机软硬件技术，网络技术等最新科技和各种文化艺术的 新型娱乐产业。动画帧的渲染是卡通动画制作的核心，对动画帧的 渲染实际就是计算机对大量数据的处理，国内外在积极进行网格技 术各方面的研究同时把眼光放到了处理动画渲染帧这个当前最热门 的数据处理层面上来，而动画渲染就是庞大的数据，是科学计算的 一个分支，由于单个计算机处理时间长，员工必须耗费大量的时间 等待渲染。 因此，基于网格技术的动画渲染系统研究的目的就是为解决上 述问题提供一个有效途径。动画渲染实际就是数据传输和处理，数 据传输和处理是计算网格的重要组成部分，基于网格的动画渲染可 以有效地解决在网格计算环境中需要在地理上分散的各种渲染资源 如何动态地加入或离开不同的虚拟组织，如何高速、安全地进行动 画帧传输和处理，以及如何利用网格更加方便地使用各种资源的问 题 3 】。基于网格技术的动画渲染系统采用多机并行工作，能够提高整 个系统的工作效率，并且具有良好的可扩展性。 1 3 研究内容 网格技术凭借其独特的计算力联合和分布式计算模式，在科学 研究、企业信息处理、电子政务、个人娱乐、教育领域等方面拥有 广泛的应用前景【4 1 。本文主要研究网格技术在动画渲染领域的应用， 网格技术在动画渲染中的应用与研究 研究内容和主要工作有： 1 ) 研究当前动画渲染系统和网格的相关技术。 2 ) 讨论了动画渲染系统常用调度算法对系统性能的局限性，对 传统的算法进行了改进，并提出了新的算法。 3 ) 研究了动画渲染帧容错技术，并给出了初步解决方案。 4 ) 根据网格系统的特点分析了动画渲染帧数据传输和处理的 需求，并给出了系统的设计框架和模块划分。 5 ) 讨论了与网格动画渲染系统的数据接口模块的实现以及系 统的运行环境、网格动画渲染系统工具包和系统的具体实现。 网格和动画渲染都是在国际范围内的计算机领域研究的新热 点，网格技术在动画制作领域的应用，尚处于初始阶段，因此本文 重在尝试研究将网格技术运用到动画渲染中。 1 4 本文的组织结构 本文根据其内容分为六章： 第一章绪论阐述了本文的研究原因和目的，并对其研究的内容 进行了总体的概括。 第二章主要是网格技术的简介，即网格计算的相关理论，包括 网格体系结构、网格操作系统，以及我国近年来网格技术的研究现 状和发展趋势。 第三章详细介绍了动画渲染，对比国外几种常见的动画技术， 并分析其优缺点，同时提出将网格技术应用于渲染平台的思想。 第四章讨论了动画渲染系统常用算法的不足对于系统性能的局 限性，对传统的算法进行了改进并提出了新的算法，同时给出了测 试的结果。 第五章从软件工程的角度，结合g l o b u s 思想和技术讨论了网格 动画渲染系统的设计问题，介绍了网格动画渲染系统的需求分析、 硕士学位论文 总体框架设计、模块设计，讨论了与网格动画渲染系统的数据接口 模块的实现以及系统的运行环境、网格动画渲染系统工具包和系统 的具体实现。 第六章是对本文研究工作的总结与展望。对论文的内容进行概 括，得出结论并指出目前存在的问题，对进一步工作的方向进行了 简要的讨论。 网格技术在动画渲染中的应用与研究 2 1 网格技术基础 2 1 1 网格技术概念 网格技术相关理论 网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高 性能计算机、大型数据库、传感器、贵重设备等融为一体，使人们 能够透明地使用资源的整体能力，并能按需获取所有信息。网格计 算【5 】的定义有很多种，但网格的本质是计算资源的联合加上这些资源 的虚拟，从而达到加速应用程序处理的目的【6 1 。网格的全部核心就是 分布式计算与资源管理网格能够充分吸纳各种计算资源，并将它们 转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力【7 】。 除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信能力、数 据资料、仪器设备甚至是人等各种相关资源，它代表了一种先进的 技术和基础设施，是继i n t e m e t 之后又一次重大的科技进步。 这里给出的网格和网格计算的概念是相对抽象的，而且是广义 的定义。那种认为网格就是仅仅通过网络把计算机、人、设备、数 据等连接起来的观点是过时的，它过分强调了物理的网络和离散的 网络资源，而没有将它们作为一个有机的统一整体来看待。另一种 观点是把网格看作中间件系统，也是不全面的。中间件在网格中的 确占有很重要地位，但网格并不只是中间件。第一种强调了物理上 的资源组成，第二种又过分强调了逻辑上的功能。只有二者结合才 是完整的网格系统，它们也是网格环境的两大核心组成要素。 2 1 2 网格的目的 网格是借助电力网的概念提出来的，网格的最终目的是在动态 硕士学位论文 变化的网络环境中共享资源和协同解决问题，就是希望用户在使用 网格计算能力时，就如同现在使用电力一样方便1 8 。在使用电力时， 不需要知道它是从哪个电站输送出来的，也不需要知道该电力是通 过什么样的发电机产生的。网格也希望给最终的使用者提供的是与 地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算能力。网格如 同电力网一样，有覆盖范围广、组织资源多样的特点。网格也需要 大量的节点来维护网格的正常运转【9 】。网格的结构复杂，需要解决的 问题也更多，但是它也会给本研究带来更大的便利和帮助。 2 2 网格体系结构 网格体系结构【1o 】是网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术， 只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建造好网格系统，才 能够更有效地实现基于网格的数据传输。网格体系结构给出了网格 的基本组成与功能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的 方法或方式，刻画了支持网格有效运转的机制。目前提出的体系结 构有：五层沙漏模型、计算池模型、神经网络模型、节点模型、开 放网格服务体系结构( o g s a ) 等，本文借鉴了五层沙漏模型和开放网 格服务体系结构，以下进行简单的描述： 1 、五层沙漏结构 五层沙漏结构是f o s t e r 等在早些时候提出的【1 1 】。在五层沙漏结 构中，一个最重要的思想就是以“协议 为中心，也十分强调服务 与a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s ) 和s d k ( s o f t w a r e d e v e l o p m e n tk i t s ) 的重要性。 根据该结构中各组成部分与共享资源的距离，将对共享资源进 行操作，管理和使用的功能分散在五个不同的层次：构造层、连接 层、资源层以及应用层【1 2 】。其结构如图2 1 所示。 网格技术在动画渲染中的应用与研究 工具及应用 泣黑层 录代理诊断与监控等 汇聚层 ， j 资源与服务 资源与连接层( 的安全访问 各种资源，比如计算机、 、 网络、传感器等 构造层 图2 1 沙漏结构的五层结构 2 、开放网格服务体系结构 开放网格服务体系o g s a 1 3 】【1 4 1 是在以i b m 为代表的工业界的影 响下，在考虑到w r e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e t l 5 】 提出的开放体系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e s t u r e ) ，是继五 层沙漏结构之后最重要、也是目前最新的一种风格体系结构，被称 为是下一代的网络体系结构。 五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”，而o g s a 是以服 务为中心的“服务结构 。从层次结构上，o g s a 架构从下到上可分 4 层：资源层、w e b 服务层、基于o g s a 架构的服务层、网格应用 程序层【1 6 1 。o g s a 的架构如图2 2 所示。 图2 20 g s a 架构 ( 1 ) 资源层：资源的概念是网格计算的中心部分，构成网格能 力的资源包括物理资源和逻辑资源。物理资源包括服务器、存储器 和网络；逻辑资源位于物理资源之上，它们通过虚拟化和聚合物理 层的资源来提供额外的功能。 硕士学位论文 ( 2 ) w e b 服务层：o g s a 架构第2 层是w e b 服务层，它包括 w e b 服务和o g s i 。o g s a 有一条重要的原则：所有网格资源都被建 模为服务。o g s i 规范定义了网格服务并建立在标准w e b 服务技术 之上，它利用x m l 与w e b 服务描述语言( w s d l ) ，为所有网格资源 指定标准的接口、行为与交互。o g s 进一步扩展了w e b 服务的定义， 提供了动态的、有状态的和可管理的w e b 服务的能力，这些是在对 网格资源进行建模时都是必需的。 ( 3 ) 基于o g s a 架构的网格服务层：w e b 服务及其o g s 扩展 为上层提供了基础设施一一基于架构的网格服务。g g 目前正在致力 于在诸如程序执行、数据服务和核心服务等领域中定义基于网格架 构的服务。随着这些新架构的服务开始出现，o g s a 将变成更加有 用的面向服务的架构( s o a ) 。 ( 4 ) 网格应用程序层：随着时间的推移，一组丰富的基于网格 架构的服务不断被开发出来，使用一个或多个基于网格架构的服务 的新网格应用程序不断出现。比较有代表性的开发工具有g l o b u s k i t s 、m p i c h g 2 、c o n d o r - g 、m y p r o x y 等，这些应用程序构成了o g s a 架构的第4 层。 o g s a 结构全面支持g l o b u s l l 7 1 和w e b s e r v i c e ，因此提倡采用 o g s a 结构。 2 3 网格操作系统 网格体系结构是网格系统的功能描述和资源管理的规则，而网 格操作系统则是网格系统资源的管理者。网格操作系统与传统操作 系统管理的资源有点不同，它所管理的是广域分布、动态、异构的 资源，现有操作系统显然无法满足这一需求1 1 引。 网格支撑平台g l o b u s 是一个构成网格基础设施的平台，它的作 用相当于网格操作系统。作为网格操作系统，g l o b u s 网格平台实现 网格技术在动画渲染中的应用与研究 了以下主要功能和服务： ( 1 ) 通信服务：g l o b u s 结合w e bs e r v i c e 技术，通过w e bs e r v i c e 中的协议标准s o a p 、w s d l 、u d d i 等，为不同的应用目的提供不 同服务，包括可靠的点对点和不可靠的组播通信，支持各种通信协 议，提供通信链路延迟、带宽和可靠性等指标。 ( 2 ) 信息服务：m d s 是g l o b u s 网格计算环境中的信息服务中 心。它基于轻量级目录访问协议( 1 i g h tw e i g h td i r e c t o r ya c c e s s p r o t o c o l ，l d a p ) ，其处理的信息包括网格计算环境中的各种资源( 包 括数据资源、计算资源等) ，服务和其它主体，完成对网格计算环境 中信息的发现、注册、查询、修改等工作【1 9 】。 ( 3 ) 资源管理和调度：g l o b u s 通过g r a m 负责对r e s o u r c e s p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ( r s l ) 信息的解析和处理，实现远程应用的资 源请求处理、远程任务调度处理、远程任务管理等工作。 ( 4 ) 安全认证：g s i 是保证网格计算环境安全性的核心部分。 g s i 负责在广域网下的安全认证和加密通信，提供单点登录功能、 远地身份鉴别功能、数据传输加密功能等。 ( 5 ) 数据管理：g l o b u s 的数据管理主要包括远程数据传输、远 程文件i o 等。主要的组成部分有：全局二级存储服务、g r i d f t p 和 g l o b u s 复制管理掣2 们。通过g a s s 可化在g l o b u s 环境中应用程序对 远程i o 的操作，使得使用u n i x 和标准c 语言i o 库的应用程序 基本不用改变就可在g l o b u s 环境中执行。g r i d f t p 支持第3 方传输、 断点续传、并行传输，是网格计算环境中的数据传输工具【2 1 1 。 ( 6 ) 编程工具：g l o b u s 平台提供丰富的用户接口、编程环境和 一些函数库，在平台之上可以使用常用的语言( 如j a v a ，c + + ，c 撑， m p i ，p v m 等) 进行网格应用开发。 2 4 网格技术的研究现状和发展趋势 硕士学位论文 2 4 1 网络技术的研究现状 目前，网格的研究主要在美国和欧洲。英国政府已投资1 亿英 镑，用来研制“英国国家网格( u kn a t i o n a lg r i d ) 。美国政府用 于网格技术基础研究经费则己达5 亿美元。美国军方正规划实施一 个宏大的网格计划，叫做“全球信息网格( g l o b a li n f o r m a t i o n g r i d ) ”，预计在2 0 2 0 年完成。作为这个计划的一部分，美国海军和 海军陆战队已启动了一个耗资1 6 0 亿美元历时8 年的项目，包括系 统的研制、建设、维护和升级【2 2 】。 随着网格研究在学术界的加速，信息产业界的大公司也相继公 布了与网格目标一致的研究开发计划。惠普、i b m 、微软、s u n 等公 司最近取得共识，支持x m l 、s o a p 、u d d i 等万维网标准，从而更有 利于开发新一代的网络应用，即万维网服务。其目的是将因特网上 的资源和信息汇聚在一起，组合成企业和消费者所需要的服务。惠 普推出了e s p e a k 万维网服务平台；i b m 用它的w e b s p h e r e 平台和一 系列中间件实现万维网服务；微软的路线是通过其n e t 计划和c # 语言实现万维网服务；s u n 则通过o p e nn e t w o r ke n v i r o n m e n t ( s u n 0 n e ) 计划和j a v a 平台来实现它。 ，国际上的网格研究主要采用开放源码、公开合作的模式。全球 网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ) 是目前主要的合作组织，感兴趣的 读者可以从其网址w w w g r i d f o r u m o r g 找到关于网格研究现状的信 息。目前比较有影响的研究计划有g l o b u s 、l e g i o n 、i n f o r m a t i o n p o w e rg r i d 、e u r o g r i d 、d i s t r i b u t e dt e r a s c a l ef a c i l i t y 等。 在国内，中国科学院计算技术研究所对网格技术的研究已较为 深入。计算所的网格技术研究在尽量使用国际上已有的先进技术的 同时，坚持自己的创新。有特色，才能参与国际标准的制订。计算 所网格研究的最大特色是“服务网格”的思想，而国际上的网格研 究目前主要面向科学计算。 网格技术在动画渲染中的虑用与研究 2 4 2 网络技术的发展趋势 网格( g i r d ) 被誉为继i n t e r e n t 之后的又一次网络革命，具有与 i n t e r n e t 一样改变整个世界运行方式的能力。网格的目标就是提供给 人们随取即用的资源，通过一定的方式整合节点，在已有的i t 架构 之上，实现c p u 、存储和数据库等计算资源的动态共享。 国外取得了很大的发展，在我国，网格基础设施建设和网格技 术研究工作在紧张进行。我国的科学研究、国民经济和社会发展也 已对网格技术提出了很多需求，只是使用了不同的术语。比如，在 银行界叫“业务集中，航空、船舶、汽车行业叫“广域虚拟设计环 境 ，资源环境领域叫“单一数据源 ，电子商务和电子政务中则称 为“资源共享”与“协同工作 。网格技术就是这样应运而生的。 互联网曾经改变了人们的生活方式和学习方式，而网格技术作 为下一代的i n t e m e t ，将会对人类生活的各个方面产生重大影响。当 然，网格技术进入动画领域，也会极大地改变动画制作的模式。在 理想的网格环境中，制作者只需要提出自己的服务要求，不必关心 数据资源是谁来提供和怎样提供的，整个网络可以看成一个超级的 计算机，计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、 专家资源等可以得到全面共享【2 3 l 。 网格技术在动画渲染中的应用与研究 3 1 动画渲染概述 3 动画渲染系统 渲染，英文为r e n d e r ，也有的把它称为着色，但习惯把s h a d e 称为着色，把r e n d e r 称为渲染。s h a d e 是一种显示方案，一般出现 在三维软件的主要窗口中，和三维模型的线框图一样起到辅助观察 模型的作用。s h a d e 可以显示出简单的灯光效果、阴影效果和表面纹 理效果，但是s h a d e 采用的是一种实时显示技术，硬件的速度限制 它无法实时地反馈出场景中的反射、折射等光线追踪效果。而现实 工作中本研究往往要把模型或者场景输出成图像文件、视频信号或 者电影胶片，这就必须经过渲染程序。 渲染是基于一套完整的程序计算出来的，硬件对它的影响只是 一个速度问题，而不会改变渲染的结果，影响结果的是看它是基于 什么程序渲染的。因此渲染可以细致的显示出纹理贴图、光源影响 甚至阴影效果，比如是光影追踪还是光能传递等技术细节。 在动画节目制作过程中渲染所需要的时间越来越多，而利用p c 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。因此， 本研究需要使用网格渲染系统来解决渲染的瓶颈问题。 并行网格渲染系统由一台或几台服务器、多台p c 和网络连接设 备构成，每台p c 拥有中央处理器、主板、内存以及存储设备。渲染 服务器通过一系列分布式工作命令借助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成形。借助于分布式渲染器，动画 设计者不仅可以在设计完成3 维模型以后，导入网格渲染系统，通 过网格渲染强大的数据处理能力，迅速的按需求进行动画或静态帧 进行渲染。通过分布式计算，将一个大型的模型快速渲染，时间往 往缩短到原来的1 2 ，1 3 ，甚至几十分之一。原来可能要几天运算 硕士学位论文 的数据，新系统可能只需要几个小时就能完成，大大提高工作效率。 网格渲染系统是有很多渲染节点组成，采用分布式渲染技术， 系统将自动确定网络中可用的渲染节点和资源，同时将将任务分解 到相应渲染节点，自动负载平衡功能可以优化工作流程中每个渲染 节点的使用效率。如果某一个渲染节点与网络断开，内置式故障保 护功能管理端将自动将作业重新路由到渲染网格中的其他渲染节 点，确保渲染工作如期完成 2 5 1 。 网格渲染系统目前可以很好的支持3 d s m a x ，m a y a 或s o f t i m a g e s 、 l i g h t w a v e 等软件设计模型的网络渲染工作。在实际应用的过程中， 网格渲染系统将可以根据具体设计软件调整参数结合使用，较好地 解决了复杂情况下的模型渲染问题。对于已经构造好的三维模型， 也可以利用网格渲染，可以通过简单的设置对来对渲染模型属性参 数进行交互式的编辑与修改，以达到迅速设定渲染模型的目的。 使用网格渲染能够大大节省渲染时间、减轻渲染劳动强度，同 时能够为高效率地完成后续合成工作打下了坚实的基础。这一点在 中、大型建筑模型应用和计算机动画等多媒体制作领域作用尤为明 显。 3 2 几种动画渲染系统的比较 国外已有公司开展了动画渲染系统的研究，包括基于m i c r o s o f t w i n d o w s 平台的r o y a lr e n d e r ，f i l mf r a n t i c 公司的d e a d l i n e 以及 p i p e l i n ef x 公司的q u b e ，它同时支持l i n u x 、w i n d o w s 、m a c o s x 。 本文对国外几种动画渲染系统进行了研究比较，并给出产品功 能对照，见表3 1 。 从表3 1 可以看出，国外对动画渲染系统的研究已经相当成熟， 并且具有较好的跨平台性，但是本研究在实际应用中，发现以上软 件中，动画数据帧在传输性能上并不理想，而且使用模式也比较单 网格技术在动画渲染中的府用与研究 一，使得一些情况下动画帧数据的传输和部署很不方便。存在以下 主要问题： ( 1 ) 服务器负荷不均衡：服务器之间相互独立，大量缺乏服务 器位置信息的用户可能访问少数服务器，导致这些服务器负荷沉重， 而其它的服务器则利用不足； ( 2 ) 数据传输速率不能满足需求：数据传输受到用户数、网络 稳定性等因素的影响。 表3 1 国外动画渲染系统 r o y a lr e n d e r 1 简单渲染任务的负载平衡，可以随意关闭客户端机器，失 败的任务会被重新发送到其他机器，而不是丢失；。， 2 通过自动比对前后渲染帧的图像的变化剧烈程度，来推测 是否存在坏帧，减少了查看渲染是否成功的人力耗费； 3 渲染器渲染时将贴图或缓存文件拷贝到本地，减少渲染时 多台机器对网络资源的耗费； q u b e1 1 支持多种软件，包括m a y a 、s o f t i m a g e 、3 d sm a x 、s h a k e 、 n u k e 、m e n t a lr a y 以及o s xt i g e r ： 2 管理者可以进行更为简洁的设置，可以同时控制多个用户， 可以对主机进行个性化的设置 3 当工作完成的时候，可以自动进行邮件通知； 4 新的l i c e n s eg l o b a lr e s o u r c e s ，减少了在工作执行的过 程中由于缺少1i c e n s er e s o u r c e s 而丢失工作的数量； d e a d li n e 1 支持3 d s m a x 、a f t e re f f e c t s 、c o m b u s t i o n 、d i g i t a lf u s i o n 、 g e l a t o 、m a y a 多种渲染软件； 2 支持基于r i b 的渲染包如3 d e li g h t 、a i r 、b m r t 、e n t r o p y 、 p r m a n 、p i x i e 、a n dr e n d e r d o t c ： 3 简单的用户操作界面； 4 远程发送错误报告； 硕士学位论文 因此，在现有的网络环境下，如何设计一个好的动画渲染系统 已经成为高效率动画开发的关键。 于是本文将网格技术应用于动画渲染系统中，结合以上软件的 优点，并对以下方面进行了研究： ( 1 ) 为不同的请求服务等级提供服务响应时间保障，服务器负 荷均衡。 ( 2 ) 对网络、机器和程序进行实时监控，实现网格渲染系统7 x 2 4 运行的稳定性和容错性。 ( 3 ) 网格渲染系统的高可扩展性：支持从服务器到普通p c 机 各种档次的渲染节点，可以实时对渲染节点进行添加和删除，并保 证渲染任务的完整性。 ( 4 ) 结合以上三点，本文提出基于网格技术的动画渲染系统， 本研究是在一个典型的商业开放动态环境下资源的动态、灵活、按 需的自主协同计算环境。在长沙基地内方圆数十里的高新区与经济 开发区有十余家大型文化传播、卡通动画公司分别建立了渲染网格， 他们分属于不同的自治域，本研究是在该分布、自治、演化的计算 机网个环境之上，构造基于网格虚拟计算环境的动画渲染平台。 3 3 动画渲染系统总体思想 渲染系统适用于非计算密集型的应用，不需要过多涉及计算资 源的调配，本研究没有考虑对不确定的数据进行语义研究和数据挖 掘的问题。系统所要的数据只是一些元数据的基本定义，不需要直 接包含任何特定的业务数据。 渲染系统希望建立一个广域分布式的互联系统，系统运作时要 求获取整个系统的动画帧，也就是要求各个子系统有一个比较统一 通用的基本框架，充分考虑这个系统能否满足将来巨大的数据量和 业务量的需求。渲染系统设计的目的不仅在于提高数据管理的性能 网格技术在动画渲染中的应用与研究 或功能，而且可以将动画帧管理作为基本单元纳入网格计算环境， 成为提供动画帧渲染服务种新的方式。 经过对动画帧管理需求和网格框架的分析，本文把渲染系统按 照业务应用层次划分为三层，分别是应用层、网格层和数据层，总 体情况如图3 1 所示： 用 户 f 理 员 应用层 图3 - 1 渲染系统总体思想 ( 1 ) 应用层：本层主要解决用户单点登录的问题，用户获得授 权，向数据控制中心发送动画帧传输或者动画帧复制的请求；在网 格系统内查找所需要的资料或者是进行基本业务逻辑的管理，通过 动画帧控制中心的客户端把请求发送到动画帧服务中心，以获得所 需要的数据。应用层的设计以非网格的系统为主，使得非网格系统 的用户能够处理好自己的业务逻辑，向网格层的客户端发送请求。 最常见的形势是采用c s 结构的，客户只要连接上网，在网页上进 行登录，按照客户请求单填写需求，由后台服务器程序对数据进行 处理即可。 ( 2 ) 网格层：本层的核心部分是动画帧服务中心即运行网格服 务的服务器，负责处理客户端提出的各种动画帧请求。网格服务主 要指第三章和第五章中提到的动画帧传输、动画帧复制以及动画帧 访问和集成服务。由动画帧服务中心创建用户所需要的服务实例， 硕士学位论文 调用动画帧访问接口进行动画帧访问。动画帧访问接口与数据层中 的数据集成部件通信，主要功能是将分布的数据库以及文件等数据 进行整合，为前端提供统一的访问接口，对各个接入数据源进行访 问，相当于在面向服务的基础上提供一个扩展点，通过提供通用的 接口，把分散的、异构的数据的访问和控制统一在单一逻辑数据源 上。 ( 3 ) 数据层：数据层包含各个接入数据源，由各个应用系统产 生，包括数据库及文本形式的数据。这些数据由于应用系统各不相 同而形式各异，并且地理位置零散，同时数据源很多是已经存在的， 具有特定接口的，所以需要用数据集成部件对数据源进行转换和管 理，把数据源封装成系统的通用集成和访问接口。 3 4 动画渲染系统模型体系结构 在国外，渲染系统进一步提高数据传输的可靠性，在m a