网格技术在三维影视动画中的应用

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  摘要 网格技术与三维动画技术是目前非常引人关注的两大技术,而三维动画的计算速度问题一直困扰着三维动画技术的发展,运用网格技术可以提高三维动画的计算速度,促进三维动画技术的发展。
  关键词 网格 三维动画 计算速度
  
  1、引言
  
  三维动画又称3D动画,是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一种新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界,设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景,再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数。最后按要求为模型赋上特定的材质,并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算,生成最后的画面。三维动画的特点是它完全在三维空间里制作,可真实地模拟客观世界。并且通过制作虚拟的物体,设计虚拟的运动,可极大地丰富画面的表现力,达到真实摄像无法达到的效果。三维动画技术模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。由于其精确性、真实性和无限的可操作性,目前被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。尤其在影视广告制作方面,三维动画常被用于广告产品展示和电影电视剧的特效制作(如爆炸、烟雾、下雨、光效等)、特技制作(撞车、变形、虚幻场景或角色等),甚至被广泛应用于动画电影的制作当中。
  动画电影是电影产业重要的组成部分,而三维动画电影又是动画电影目前最主要的组成部分。中国三维动画电影产业在最近几年中取得了比较显著的成绩,2006年推出我国第一部三维动画电影《魔比斯环》,今年六月又将推出三维动画电影《潜艇总动员》,但是我们还要看到中国的三维动画电影产业仍然存在许多严重的制约因素或弱点。而国外的三维动画发展迅速,像美国的三维动画电影已经成为电影产业高收入的一面旗帜,1995年由迪斯尼发行的《玩具总动员》,这部纯三维制作的动画片取得了巨大的成功,三维动画迅速取代传统动画成为最卖座的动画片种:迪斯尼公司在其后发行的《玩具总动员2》、《恐龙》、《怪物公司》、《虫虫特工队》都取得了巨大成功。另外,梦工厂发行的《蚁哥雄兵》、《怪物史瑞克》等三维动画片,也获得了巨大的商业成功。三维动画在电影中的运用更是神乎其技《蜘蛛侠》《泰坦尼克号》、《终结者》、《魔界》。可以说电影已经不能离开三维动画的参与了。
  
  2、三维影视动画中引入网格的原因
  
  三维动画的制作对计算机的总线带宽计算速度等硬件要求越来越高,从高速磁盘阵列、海量内存、专业显卡到视频压缩卡等专用芯片来提升制作时的实时性能。但用于生成最终效果的CPU,无论是单处理器的商用机还是双处理器甚至四处理器的工作站在面对渲染处理中的庞大计算量时,其处理能力都是十分有限的,即便是多处理器的工作站使用数小时渲染一帧较复杂场景也是很平常的事情。那么对于一个数分钟或者几小时拥有上万帧的片子,其渲染时间将是十分漫长的。这个过程究竟有多复杂呢?以大家熟悉的《玩具总动员》为例,如果仅使用1台电脑(单一处理器),这部长达77分钟影片的渲染时间将会是43年。如何继续提高渲染的速度?如何向远程用户提供三维渲染服务?如何最大限度的降低成本?这个问题已经成为三维动画制作的一大难题。因此,三维动画渲染研究迫切需要新一代的网格计算技术解决计算资源和存储资源问题,以便能在较短的时间内得到上万帧的数字动画。
  
  3、网格的基本概念、意义和原理
  
  网格的概念最早于20世纪90年代中期提出,“网格计算”这个词来源于另一专业名词“电力供应网”。网格的最终目的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。网格计算是伴随着互聯网而迅速发展起来的专门针对复杂科学计算的新型计算模式,这种计算模式利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个虚拟的超级计算机,其中每一台参与计算的计算机就是一个节点,而整个计算是由成千上万个节点组成的一张网格,所以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的虚拟超级计算机有三个优势:一是数据处理能力超强:二是能充分利用网上的闲置处理能力:三是价格相对于超级计算机低廉。
  网格概念的提出从根本上改变人们对“计算”的看法,因为网络提供的是与以往根本不同的计算方式,它的核心就是突破了以往强加在计算资源之上的种种限制。将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、远程设备等融为一体,使人们可以以一种全新的更自由、更方便的方式使用计算资源,解决更复杂的问题。网格的本质特征是远程高性能资源的共享,包括计算资源、存储资源、软件资源、信息资源、通信资源等。因此,网格计算受到世界各国和组织的高度重视,已经开展了许多实验环境和研究项目。
  网格计算实际上应归属于分布式计算(Distributed Computing)。网格计算系统一般由网格硬件、网格操作系统、网格界面、网格应用4层基本结构构成。任务的协同是网格计算的核心。要解决任务的协同,必须要解决好资源管理和任务管理。资源管理和任务管理的前提是通信和安全。所以网格计算系统的关键技术主要在于资源管理、任务管理、通信技术、安全机制、用户界面等。资源管理:资源管理包括资源的发现、描述、定位、组织(注册)、分配、监测(资源信息获取)、更新和信息发布等。组织网格计算的资源,通常使用单一映像文件系统来实现。单一映像文件系统将地理上分散的异构资源映像成一个单一入口的虚拟机器。任务管理:网格计算的目标是分解一个应用为几个任务(或子任务),并为每个任务匹配一个最适合执行的机器。任务管理完成任务提交、任务调度、任务查询、删除以及监测任务的运行状态等工作。安全机制:安全机制负责网格用户的身份验证,以及对网格计算进行有序的控制和管理。目前,采用基于公钥的网格安全基础协议(GSI)来解决网格计算中的身份验证问题。容错和自动修复也是网格计算系统所必须要考虑的问题。当网格计算系统某个结点停止工作或掉电时,应该保存必要的现场信息,以便重新启动时减少安装,恢复系统的最新状态,使用户看到最近运行所带来的系统变化。通信技术:通信技术是实现网格计算系统安全可靠地进行资源动态整合、任务分布协同的保证。通信能力的强弱对网格计算提供的性能影响甚大,要做到计算能力“即连即用”,则必须具备高质量的宽带网络系统支持。应用层的可视化工具:网格计算的主要领域是科学计算,它往往伴随着海量的数据,面对浩如烟海的数据想通过人工分析得出正确的判断十分困难。如果把计算结果转换成直观的图形信息,就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难。这就要研究能在网格计算中传输和读取的可视化工具,并提供友好的用户界面。
  总之。网格计算是一种软件和硬件结合 的基础底层结构,能够可靠、一致、有普遍性以及代价较低地使用高层计算能力。通过基于网格计算的一个虚拟平台,可以根据需要重新分配计算机资源。
  
  在五层沙漏结构中,最底层是构造层(fab ric),构造层面对的是一个个具体的物理(也可以是邏辑的)资源,它通过对这些局部资源的管理,向上层提供对这些资源的管理和控制界面。构造层的上面是连接层(connectivity),主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信能力,这是资源之间进行互操作的前提,连接层使得孤立的单个资源之间建立联系。连接层的上面是资源层(resource),它反映的是抽象的局部资源的特征。而资源层上面的汇聚层(collective)完成的功能是如何将下面以单个资源形式表现出来的资源集中起来。协调解决多个资源之间的问题。最上面的应用层(application)和资源的距离最远,它关心的是有什么样的资源可以由下面提供给虚拟组织,解决不同虚拟组织的具体问题。为了便于理解,可以与TCP/IP网络协议结构做简单对比,如图1所示:
  开放网格服务结构OGSA(Open G ridServices Architecture)是Global Grid Forum4的重要标准建议,是继五层沙漏结构之后最重要,也是目前最新的一种网格体系结构。被称为是下一代的网络结构。
  OGSA是以服务为中心的“服务结构”。这里的服务是指具有特定功能的网络化实体。在五层沙漏结构中,强调的是被共享的物理资源,而在OGSA中,服务所指的概念更广,包括各种计算资源:存储资源、网络、程序、数据库等等,简而言之,一切都是服务。五层模型试图实现的是对资源的共享,而OGSA实现的将是对服务的共享。从资源到服务,这种抽象,将资源、信息、数据等统一起来,十分有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现,使得分布式系统管理有了标准的接口和行为。为了使服务的思想更加明确和具体,OGSA定义了“网格服务”的概念。网格服务是一种Web Service,该服务提供了一组接口,这些接口的定义明确,并且遵守特定的惯例,解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。简单地说。网格服务=接口/行为 服务数据。
  以网格服务为中心的模型具有如下好处:(1)由于网格环境中所有的组件都是虚拟的,因此,通过提供一组相对统一的核心接口,所有的网格服务都基于这些接口实现,就可以很容易地构造出具有层次结构的、更高级别的服务,这些服务可以跨越不同的抽象层次,以一种统一的方式来看待。(2)虚拟化也使得将多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上成为可能,在对服务进行组合时不必考虑具体的实现。可以以底层资源组成为基础,在虚拟组织中进行资源管理。通过网络服务的虚拟化。可以将通用的服务语义和行为,无缝地映射到本地平台的基础设施之上。
  
  
  5、网格技术在三维动画中的实际应用
  
  数字媒体制作对计算机的总线带宽计算速度等硬件要求越来越高,但用于生成最终效果的CPU。其处理能力都是十分有限的,即便是多处理器的工作站使用数小时渲染一帧较复杂场景也是很平常的事情。那么对于一个数分钟或者几小时拥有上万帧的片子,其渲染时间将是十分漫长的,因此,三维动画渲染研究迫切需要新一代的网格计算技术解决计算资源和存储资源问题,以便能在较短的时间内得到上万帧的数字媒体。
  在我国,网格研究已列入“863计划”。中国科学院计算技术研究所从1996年开始了网格技术的研究开发工作,2001年提出了织女星网格计划。同济大学从事基于OGSI的网格计算相应的理论研究:西安交通大学、中科院遥感重点实验室也针对网格的Web service内容进行了深入研究。国防科技大学、中国科技大学针对网格安全问题及网格环境下文件传输的操作方法也有所开展。同时,清华大学、武汉大学、江南计算技术研究所及一些应用领域的单位,目前已经开始用Globusl具集来构建网格,并做一些工作流方面的网格性能研究。尤其值得关注的是,华中师大建成的高性能计算网格平台及其三维动画应用系统(如图3所示)正是将网格技术和三维动画技术相结合,为三维动画提供了一个强大的网格应用服务系统,该系统的聚合计算能力达到5000亿次/秒、存储能力达到20TB,较好地解决了数字媒体渲染时间长的问题。利用高性能计算网格平台及其三维动画应用网格系统,对于三维动画项目如动画片“7摄氏度”、“孔子的故事”、“数字武当山”、“三峡考古数字展”等的研究及开发工作提供了良好的工作平台。
  三维动画应用网格系统主要集成了专业网格平台管理软件License;Maya、3DMax等多种专业软件:以及CCNUGrid大量异构的高性能计算资源。该系统具有统一的Web图形化交互界面,注册用户经身份论证后。可以利用CCNUGrid整合的计算资源和三维动画应用网格系统进行相关的应用研究,大大减少了数字媒体的制作周期。高性能计算网格渲染平台将在原系统的基础上扩大到规模为5个网格节点,250个AMD或Intel CPU,聚集能力达到每秒8000亿次的计算能力。网格渲染应用系统将Platform软件产品LSF HPC、Platform LSF MultiCluster和Platform LSFReports之上,采用高级编程语言通过三维建模软件提供的SDK平台与Platform软件接口API开发而成。高性能计算网格渲染系统的网格结点集群将采用线性度的高性能扩展设计方案,在节点机增加一倍的情况下,其渲染速度几乎增加一倍。
  
  6、结语
  
  网格技术是信息领域的新技术,它就是将各种资源连接起来,使得资源在物理上是分散的,逻辑上是整体的,用户可以非常方便透明的使用各种资源。如何将网格技术应用于三维动画当中,目前还处于摸索阶段,而本文作者的创新点:将目前流行的网格技术和三维动画技术进行结合。探讨了网格技术应用于三维动画中所带来的优势,展现了网格技术应用于三维动画的光明前景。
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