嵌入式图形渲染系统的研究与实现

摘要

　　三维图形渣染是影视动漫制作过程中的关键环节,需要进行海量的数据计算,极其耗时,一直是3D动画制作领域的难题。为了提高擅染速度,国内外普遍采用的是将渣染技术与计算机集群技术相结合的集群这染系统。然而,对于小型动漫企业或工作室而言,构建一个具有商业渣染能力的集群这染系统,不仅需要在软件和硬件等方面投入大量成本,而且还要考虑集群对场地空间的需求、前期搭建和后期维护对高端的技术支持方面的要求。

　　为了提高值染效率、节省集群成本,W ARM架构处理器为硬件核屯、、开源软件Blender为痘染引擎、嵌入式Linux为操作系统,对集群渣染系统进行了研究。首先利用开发板和Android设备作为值染节点,实现了基于异构ARM平台的集群谊染系统。然后,基于A80处理器和D洗ian系统,从硬件和软件两方面设计一个图形擅染专用的ARM平台。使用Blender软件制作3D模型,对集群系统和图形擅染平台分别进行了这染测试。结果表明嵌入式平台同样能集群渣染,其效率与渣染节点的性能和数量大致成正比例关系。最后,从场景配置、负载均衡和节能控制等方面给出简洁的嵌入式集群擅染系统的优th方案。

　　相比于传统PC构建的集群谊染系统,本文提出的嵌入式集群渔染系统实现简单、成本低、占用空间小,并且具有较高的性能/功耗比和良好的可扩展性。

　　另外,精简后的ARM图形这染平台单机这染性能提升10%左右,可应用于搭建基于该平台的同构集群系统,进一步提高这染速度。

　　关键词:三维图形这染;集群渣染;嵌入式Linux; ARM; Blender

Abstract

　　3D graphics rendering is a key link in the process of nIm and thlevisionanimation production, which is extremely time-consuming because of the need formassive data computing,and has been a problem in the field of 3D animation. Inorder to improve the rendering speed,it is widely used in domestic and aboard iscluster rendering system,which is the combination of rendering technology andcomputer cluster technology. However, for small animation companies or studios, tobuild a cluster rendering system with commercial rendering capabilities,not onlyneed to invest lots of cost in software and hardware, but also to consider therequirement of space in the cluskr,high-end technical support for the preCOnstruction and post maintenance.

　　In order to improve rendering efficiency and save the cost of clus1;ering,theARM archhecture processor as the hardware core,the open source software Blenderas the rendering engine,the embedded Linux as the operating syst;em,Research thecluster rendering system. Iirstly,a rendering system based on the hel:erogeneousARM platform is realized by using the development boards and the Android devicesas the rendering nodes. Then,based on the A80 processor and Debian sys1;em,designa hardware and software of a graphics rendering dedicated RM platform. Usingglender software in make 3D models,the rendering thSt of cluster systhm andgraphics rendering platform are respectively carried out. The results show that theembedded platform can also be clustered to rendering,and its efficiency is roughlyproportional to the performance of rendering nodes. Finally,this paper presents asimple optimization scheme for the embedded cluster rendering syst:em,行om thescene configuration, load balancing and energy saving control, etc.

　　Compared wUh the traditional c山ster rendering systhm construct;ed with PCs,the embedded cluster rendering syst;em proposed is simple,space-saving,and hashigher performance / power COnsumption ratio and good scalability. In addition,thesimplified ARM graphics rendering platform performance improvement of 10%,andit can be applied to build a homogeneous clus1;er syst:em based on the platform,tofurther improve rendering speed.

　　Keywords: 3D graphics rendering; Cluster rendering; Embedded Linux; ARM;Blender

　　随着CG　(Computer　Graphic)技术的进步,三维动画制作技术也得到了蓬勃的发展,应用也越来越广泛。尤其,近几年人们对具有强烈视觉冲击效果和更具真实感的3D影视作品的需求越来越大,高清、超高清画面越来越普及,以及政府对高新技术的大力支持,更是使得我国的CG影视动画产业呈现出迅猛发展的态势。

　　在计算机上使用3D动画制作软件进行场景建模,然后根据场景中的设置,增加模型材质、贴图、灯光效果和摄像机定位控制等,最后经过CPU的大量光学计算和物理模拟计算,将3D场景模型转化输出成2D图片或动画图形序列的过程就是擅染(Render)。它是影视动画制作的最后一步,需要海量的计算和时间,比如,2013年上映的《疯狂原始人》,其这染规模是8000万核小时,而2014年年初由迪斯尼公司制作并发行的《冰雪奇缘》,其痘染花费的时间更长化面对动画渣染中庞大的计算量,普通PC机的处理能力显然"力不从心',而专用的图形工作站价格过于昂贵。针对以上问题,为了解决3D　CG动画制作的瓶颈,基于并行计算的思想,出现了集群渔染系统。

　　集群渣染系统也称作分布式这染环境(Distributed　Rendering　Environment)或渣染农场(RenderFarm),其本质上属于分布式并行集群计算系统P-3],它是将多台同构或者异构的计算机通过高速网络构建起来的一个计算机集群,擅染性能可以接近超级计算机。集群渣染系统能充分利用集群中的计算机软件和硬件资源,将客户端制作并提交的H维动画场景分配到安装有渣染软件的各个计算节点,通过大量的计算,最终生成预览图形序列或特效场景以。由于它具有性能高、可靠性高、易于使用、易于管理、开发期短、开发难度小等特点,己经广泛应用于商业兰维动画和影视制作等行业。

　　目前,国内外的集群擅染系统大部分是采用Intel、AMD等主流商业PC或刀片服务器硬件设备、昂贵的商业道染软件和操作系统搭建而成的,对于小型企业或个人而言,自行构建一个具有商业道染能力的集群这染系统,需要大量的成本投入和高端的技术支持。并且由于计算机集群执行这染时CPU高速运转进行计算,功耗很大,大规模集群也对空间有一定的要求。因此,如何构建一个低成本、低功耗、高效率的图形这染系统至关重要。

　　另一方面,由于计算机技术、电子技术的飞速发展,嵌入式系统己经成为计算机领域的一个重要组成部分,广泛应用于手持智能设备.、汽车电子、医疗设备、工业自动化、军事航空等领域。嵌入式系统是应用为中屯、,基于计算机技术,可对软件和硬件进行自由裁剪,并且适用于系统对可靠性、成本、功能、体积、功耗等要求比较严格的专用计算机系统。与传统的PC　—样,嵌入式系统也是集软硬件于一体,主要包括嵌入式微处理器、外围设备、嵌入式操作系统及应用软件四个部分。在摩尔定律问世四十多年里,集成电路技术与巧片封装技术的迅速发展,使得嵌入式微处理器性能越来越高、物理尺寸不断缩小、价格也逐渐降低。以目前使用最广泛的主流嵌入式微处理器ARM为例,己经发展到64位的ARMv8架构,并且出现许多高性能的多核屯、SOC　(SystemOn　Chip)。比如,美国的高通(Qualcomm)推出的基于ARMv8-A　64位架构的24核屯、处理器、中国的飞腾(Phytium　)发布的64位ARM处理器"火星(Mars)"更是拥有64核。在后PC时代,由于ARM架构处理器低功耗、低成本和高性能等特点,它会替代传统的X86架构处理器做一些工作,如应用于服务器、超级计算机、高性能计算等。

　　图形道染在3D动画电影、建筑实景制作、3D游戏、展览馆的3D展示以及虚拟现实等领域都有应用。提高图形渔染效率的方法主要有以下几种:(1)采用高性能专业图形工作站;(2)采用计算机集群渔染系统;(3)采用优秀的集群任务调度算法。其中,集群滨染系统能大大提离计算和数据处理能力、软硬件资源利用率,缩短图形谊染时间,可扩展性强,并且解决了成本高昂的问题;ARM架构嵌入式处理器低功耗、体积小、性能高,并且可根据需要增减外围设备,将其进行集群并应用在图形擅染方面很少有人涉及;Linux系统由于其开源、高效、稳定等特性,并且其内核可以自由定制、裁剪修改,使得把Linux系统应用于图形渣染成为很好的选择。本课题即是选择基于Linux系统并采用嵌入式平台构建一个分布式集群图形这染系统,是嵌入式系统在图形值染上的新型应用,具有较高的研究价值。

硬件整体结构

A80处理器的内部结构框图

A80和SDRAM连接示意图

网络接口电路原理图

系统部分原理图

Linux内核的组成部分与关系

内核配置界面

GMAC驱动框架

GMAC配置界面

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题背景及研究的目的和意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 3D图形谊染
　　　　　　1.2.2 嵌入式系统
　　　　1.3 论文的主要研究内容
　　第二章 系统整体方案设计
　　　　2.1 集群擅染基本理论
　　　　　　2.1.1 渣染
　　　　　　2.1.2 集群及其种类
　　　　　　2.1.3 集群这染系统概述
　　　　2.2 嵌入式集群渔染系统的功能需求
　　　　2.3 系统的硬件架构设计方案
　　　　2.4 系统的软件设计方案
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 嵌入式集群谊染系统的研究与实现
　　　　3.1 集群设备简介
　　　　3.2 渔染节点的系统部署
　　　　　　3.2.1 开发板
　　　　　　3.2.2 智能设备
　　　　3.3 集群渣染环境搭建
　　　　　　3.3.1 SSH远程登录配置
　　　　　　3.3.2 檀染测试环境搭建与配置
　　　　3.4 谊染测试与结果分析
　　　　　　3.4.1 3D模型制作
　　　　　　3.4.2 擅染测试及其结果分析
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 ARM架构图形擅染平台的设计与实现
　　　　4.1 硬件平台设计
　　　　　　4.1.1 硬件整体结构设计
　　　　　　4.1.2 A80处理器简介
　　　　　　4.1.3 存储器模块
　　　　　　4.1.4 网络模块
　　　　　　4.1.5 电源模块
　　　　　　4.1.6 处理器系统部分
　　　　4.2 软件平台设计
　　　　　　4.2.1 交叉编译环境搭建
　　　　　　4.2.2 U-Boot　移植
　　　　　　4.2.3 Linux　内核移植
　　　　　　4.2.4 根文件系统制作
　　　　　　4.2.5 系统文件的烧写
　　　　　　4.2.6 擅染软件编译与安装
　　　　4.3 ARM平台性能测试
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 嵌入式集群这染系统的优化研巧
　　　　5.1 Blender工程文件配置
　　　　5.2 硬件方面的优化
　　　　　　5.3.1 负载均衡
　　　　　　5.3.2 节能控制
　　　　　　5.3.3 效果测试
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 内容总结
　　　　6.2 工作展望
　　参考文献
　　发表论文和参加科研情况说明
　　致谢

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