張 亭

(天津美術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)與新媒體藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300342)

延遲光照算法對(duì)Hadoop集群渲染系統(tǒng)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

張 亭

(天津美術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)與新媒體藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300342)

針對(duì)集群渲染系統(tǒng)在三維場景文件輸出過程中，海量數(shù)據(jù)處理以及存儲(chǔ)的問題，利用Hadoop框架對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行分布式模型改造，以基于延遲光照算法的處理方式，對(duì)分布式存儲(chǔ)和計(jì)算的業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)部署，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)Hadoop集群渲染系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的處理策略，提供高容錯(cuò)、可靠的存儲(chǔ)和海量計(jì)算數(shù)據(jù)的方式。通過實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)的Hadoop集群渲染系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)利用率和任務(wù)處理能力。

集群渲染系統(tǒng)；Hadoop；延遲光照算法

將三維軟件中建立的虛擬場景文件進(jìn)行數(shù)字化輸出，需對(duì)每個(gè)物體的顏色、材質(zhì)、光照等效果進(jìn)行渲染處理。由于計(jì)算量大，單靠一臺(tái)高配置服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，無法滿足任務(wù)完成時(shí)間的要求，所以通常用網(wǎng)絡(luò)將分布的計(jì)算機(jī)設(shè)備連接起來，使三維軟件的場景文件以及材質(zhì)和光照信息一起提交，通過集群方式進(jìn)行渲染輸出運(yùn)算，在時(shí)效性方面大大提高。為了項(xiàng)目任務(wù)的遠(yuǎn)程提交，以及渲染任務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，已經(jīng)開發(fā)出基于Struts和Hibernate架構(gòu)的渲染集群管理系統(tǒng)的平臺(tái)，利用可視化的Web界面，使用戶和管理員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)情況及時(shí)響應(yīng)。

隨著計(jì)算機(jī)硬件集成度提升，對(duì)最終渲染輸出結(jié)果真實(shí)效果要求不斷提高，使三維場景幾何體的復(fù)雜度、物體材質(zhì)的模擬質(zhì)感以及對(duì)光照表達(dá)效果的真實(shí)性也相應(yīng)提升[1]。但一味的增加設(shè)備規(guī)模會(huì)加大創(chuàng)作成本，而改進(jìn)集群渲染系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務(wù)邏輯處理方式才是一個(gè)有效的解決途徑。

本文解決的方法是利用延遲光照算法，將三維場景中物體的光照計(jì)算轉(zhuǎn)移到圖像光柵化處理之后進(jìn)行。在項(xiàng)目文件的渲染過程中，最消耗處理資源的過程就是對(duì)場景中的每個(gè)物體進(jìn)行多光源光照計(jì)算。針對(duì)延遲光照算法中MRT(多渲染目標(biāo))和G-Buffer(幾何緩存)兩項(xiàng)技術(shù)原理分析，設(shè)計(jì)出一個(gè)可應(yīng)用于分布式存儲(chǔ)和計(jì)算的渲染任務(wù)業(yè)務(wù)邏輯模型，可以對(duì)Hadoop架構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)。通過Hadoop的Java API接口調(diào)用，使改進(jìn)的Hadoop架構(gòu)嵌入到已建立的集群渲染系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)分布式處理的業(yè)務(wù)流程。最后將改進(jìn)的Hadoop集群渲染系統(tǒng)進(jìn)行部署實(shí)驗(yàn)，通過測試與原先集群渲染系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得到提高渲染效率的結(jié)果。1Hadoop框架的應(yīng)用功能分析

Hadoop是一種基于分布式處理模型的開源框架，利用虛擬機(jī)技術(shù)將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行部署，建立一個(gè)穩(wěn)定的、高性能的Hadoop集群系統(tǒng)[2]。Hadoop對(duì)應(yīng)用程序提供接口，用戶只需關(guān)注于業(yè)務(wù)邏輯的應(yīng)用，使分布式系統(tǒng)的實(shí)施更加容易。Hadoop系統(tǒng)中兩大關(guān)鍵技術(shù)為Hadoop分布式文件系統(tǒng)HDFS(Hadoop distributed file system)和MapReduce處理模型。

HDFS適用于通用硬件上的分布式文件系統(tǒng)，通過將數(shù)據(jù)塊分割并適度的復(fù)制，使集群可以并行讀取數(shù)據(jù)，從而提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量[3]。HDFS可以為MapReduce處理模型的大規(guī)模數(shù)據(jù)集處理提供保障。

MapReduce是一種分布式計(jì)算處理模型，很容易將海量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)處理集群中進(jìn)行并行處理。MapReduce中的兩項(xiàng)任務(wù)是Map和Reduce函數(shù)處理。Map函數(shù)功能是自定義的，將處理的數(shù)據(jù)解析出相應(yīng)鍵/值對(duì)作為輸入，按照指定的運(yùn)算規(guī)則，產(chǎn)生以鍵/值對(duì)表示的中間結(jié)果集合，函數(shù)庫將具有相同鍵/值的中間結(jié)果集合在一起，傳遞給Reduce函數(shù)。Reduce函數(shù)也是根據(jù)中間鍵/值集合定義功能處理，將得到相應(yīng)值的集合進(jìn)行合并，最后形成完整的結(jié)果集合。Map和Reduce函數(shù)處理是相互獨(dú)立的，從而具有分布式處理的功能。

2 Hadoop集群渲染系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

Hadoop集群渲染系統(tǒng)表現(xiàn)層：采用Struct與Hiberate結(jié)合建立的集群渲染系統(tǒng)表現(xiàn)層框架，提供B/S結(jié)構(gòu)的用戶界面，可以讓用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和項(xiàng)目文件的提交，與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層進(jìn)行交互，通過Web界面顯示。

Hadoop集群渲染系統(tǒng)管理層：可以使分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足系統(tǒng)訪問和操作的需求，對(duì)分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行管理；可以對(duì)提交的項(xiàng)目文件任務(wù)執(zhí)行情況和處理層服務(wù)器的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控管理。對(duì)應(yīng)用層處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，以提供給表現(xiàn)層調(diào)用。

Hadoop集群渲染系統(tǒng)應(yīng)用層：利用MapReduce的分布式處理模型，以虛擬機(jī)的方式將Map函數(shù)和Reduce函數(shù)的處理任務(wù)分配給相關(guān)的服務(wù)器資源進(jìn)行統(tǒng)一處理，將最終結(jié)果反饋給系統(tǒng)管理層，將最終結(jié)果保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：利用HDFS文件系統(tǒng)的部署，數(shù)據(jù)文件以塊的形式對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取、響應(yīng)，提供一種分布式存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖1所示，應(yīng)用Hadoop框架的集群渲染系統(tǒng)，利用HDFS文件系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目文件進(jìn)行存儲(chǔ)，然后由TaskTracker劃分成大小相似的塊，交給Map分析Reduce合并處理，完成最終的處理后輸出。這樣可以使現(xiàn)有的集群渲染系統(tǒng)利用率得到極大的提高，達(dá)到分布式計(jì)算的需求[4-5]。

圖1 改進(jìn)Hadoop集群渲染系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Working flow chart of improvecl Hadoop cluster rendering system

3 延遲光照算法對(duì)Hadoop集群渲染系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯模型的改進(jìn)

3.1延遲光照算法的概述

渲染任務(wù)在執(zhí)行過程中，最消耗系統(tǒng)處理資源的步驟就是對(duì)場景物體進(jìn)行多光源光照計(jì)算。多光源光照計(jì)算方法有：單光源多光照算法、多光源多光照算法和延遲光照算法。單光源多光照在一個(gè)繪制管道中計(jì)算繪制中需要同時(shí)管理多個(gè)光源，無法處理多個(gè)光源影響的陰影效果。多光源多光照通過在多個(gè)繪制管道中使用多個(gè)光源，對(duì)所有物體都計(jì)算每個(gè)光源的影響，但會(huì)造成多余的隱藏面的繪制，光源的相互獨(dú)立造成較高的計(jì)算復(fù)雜度。延遲光照算法將場景幾何體的光照算法轉(zhuǎn)移到圖像光柵化處理之后進(jìn)行，經(jīng)過對(duì)場景中各個(gè)物體進(jìn)行頂點(diǎn)幾何計(jì)算，得到各種物體幾何信息，將法線向量、深度信息和物體材質(zhì)屬性等存儲(chǔ)到幾何緩存(G-Buffer)中，在光照計(jì)算階段，按照各個(gè)光源的種類和強(qiáng)弱信息設(shè)置，把多個(gè)光源信息作用于G-Buffer中的幾何信息中，通過紋理運(yùn)算各個(gè)顯示像素點(diǎn)實(shí)時(shí)光照計(jì)算，最后將各像素點(diǎn)光照值結(jié)果進(jìn)行匯總，得到最終渲染結(jié)果[6]。延遲光照算法流程如圖2所示。

圖2 延遲光照算法流程Fig.2 Deferred lighting algorithm process

3.2基于延遲光照算法對(duì)Hadoop業(yè)務(wù)邏輯模型的改進(jìn)

在G-Buffer中每個(gè)物體的幾何信息分別儲(chǔ)存，而利用MRT(多渲染目標(biāo))技術(shù)就是將物體各種幾何信息(顏色信息、法線向量、深度信息和物體材質(zhì)等)分別渲染并保存到G-Buffer不同的渲染目標(biāo)中，每個(gè)渲染目標(biāo)相互獨(dú)立。根據(jù)延遲光照兩項(xiàng)技術(shù)的分析，可以將G-Buffer中的幾何信息映射到HDFS中進(jìn)行存儲(chǔ)，在每種幾何信息分別存儲(chǔ)的同時(shí)，被HDFS將文件劃分成多個(gè)數(shù)據(jù)塊，將數(shù)據(jù)塊復(fù)制多份，存儲(chǔ)在整個(gè)集群中需要進(jìn)行響應(yīng)業(yè)務(wù)處理的服務(wù)器文件系統(tǒng)中。G-Buffer幾何信息在HDFS中的映射如圖3所示。

圖3 G-Buffer幾何信息在HDFS中的映射Fig.3 G-Buffer geometry information mapping in the HDFS

MRT(多渲染目標(biāo))技術(shù)的應(yīng)用可以使在G-Buffer中存放的進(jìn)行光照和其他操作需要的全部幾何信息，從渲染到存儲(chǔ)都有自己的目標(biāo)緩沖空間，使光照算法所消耗的資源獨(dú)立于場景的復(fù)雜度，在一個(gè)有M個(gè)物體在N種光源光照進(jìn)行渲染計(jì)算的情況下，算法的計(jì)算復(fù)雜度為O(M+N)，而以前的算法復(fù)雜度是O(M*N)，直接提高了渲染輸出時(shí)多光照計(jì)算的處理速度。這樣可以滿足延遲光照算法對(duì)改進(jìn)Hadoop集群中業(yè)務(wù)邏輯處理的應(yīng)用需求[7-8]。

4 改進(jìn)Hadoop集群渲染系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

4.1Hadoop集群渲染系統(tǒng)中的HDFS的分布式存儲(chǔ)功能

HDFS采用主從架構(gòu)，有一個(gè)名稱節(jié)點(diǎn)(Namenode)和若干數(shù)目的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)(Datanode)。名稱節(jié)點(diǎn)用來操作文件命名空間的文件或目錄操作，同時(shí)確定塊和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的映射。將HDFS存儲(chǔ)的幾何信息(顏色信息、法線向量、深度信息和物體材質(zhì)等)記錄如何被劃分成塊，并且在哪些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過收集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的心跳信息了解整體的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)是執(zhí)行HDFS的具體工作，將存儲(chǔ)的幾何信息塊通過執(zhí)行底層I/O任務(wù)，讀取或?qū)懭氲教幚矸?wù)器的系統(tǒng)文件中，同時(shí)向名稱節(jié)點(diǎn)報(bào)告具體存儲(chǔ)情況，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間相互通信，復(fù)制這些數(shù)據(jù)塊以實(shí)現(xiàn)冗余?？梢愿鶕?jù)存儲(chǔ)在G-Buffer各種幾何信息的排列情況，每個(gè)渲染目標(biāo)的分割方式，以及數(shù)據(jù)塊的分配給處理節(jié)點(diǎn)的位置信息一起傳遞給名稱節(jié)點(diǎn)。通過對(duì)渲染目標(biāo)中分割的數(shù)據(jù)塊內(nèi)容復(fù)制到DataNode，使每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行相應(yīng)的Map函數(shù)和Reduce函數(shù)處理，將結(jié)果進(jìn)行匯總和保存，并將信息傳遞給名稱節(jié)點(diǎn)，這樣就可以完成在HDFS中分布式讀取、處理和存儲(chǔ)的功能。

4.2MapReduce渲染任務(wù)的處理功能

在MapReduce框架中運(yùn)行著JobTracker和TaskTracker兩類服務(wù)。對(duì)于場景中的各種信息的渲染結(jié)果，可以將項(xiàng)目文件按照渲染目標(biāo)數(shù)據(jù)塊大小分解成若干個(gè)子文件。利用MapReduce模式，將文件進(jìn)行處理。首先輸入HDFS文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，JobTracker接收SubmitJob方法的調(diào)用，交由作業(yè)調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，創(chuàng)立運(yùn)行任務(wù)列表，任務(wù)調(diào)度器從文件系統(tǒng)中獲取JobClient已經(jīng)計(jì)算好的輸入劃分范圍，然后為每一個(gè)劃分創(chuàng)建相應(yīng)的Map和Reduce任務(wù)。當(dāng)在HDFS中讀取一個(gè)塊的幾何信息后，分別在每個(gè)渲染目標(biāo)不同的信息名稱作為Map函數(shù)的Key_Input，將渲染的像素值作為Value_Input，在Map函數(shù)中定義在光照處理中多個(gè)光源的各種信息配置，然后進(jìn)行光照渲染計(jì)算，使每個(gè)信息對(duì)應(yīng)的Key值都有與其對(duì)應(yīng)的像素光照值，形成中間值(Key_mid，Value_mid)。調(diào)用Reduce函數(shù)進(jìn)行處理，對(duì)中間值進(jìn)行歸并處理后得到結(jié)果(Key_Output，Value_Output)，將每種幾何信息對(duì)應(yīng)的多光源光照渲染值進(jìn)行最后處理，最后將渲染結(jié)果傳送給HDFS中進(jìn)行存儲(chǔ)[9]。

4.3MapReduce對(duì)Hadoop集群渲染系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)

JobTracker主要是對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配和監(jiān)控所有的TaskTracker節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況，并對(duì)TaskTracker發(fā)送的反饋信息進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)有任務(wù)需要處理時(shí),先檢測是否有處于空閑狀態(tài)的TaskTracker的可用資源,然后把Map任務(wù)和Reduce任務(wù)分配給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并負(fù)責(zé)監(jiān)控任務(wù)運(yùn)行,而TaskTracker負(fù)責(zé)任務(wù)的具體執(zhí)行。當(dāng)某個(gè)TaskTracker出現(xiàn)故障,JobTracker就會(huì)把該節(jié)點(diǎn)正在執(zhí)行的任務(wù)重新分配給其他空閑的TaskTracker[10-11]。

5 實(shí)驗(yàn)分析

利用5臺(tái)HPZ210工作站電腦，單機(jī)配置為CPU 四核I7-2600,8 GB內(nèi)存，進(jìn)行Hadoop部署。1臺(tái)配置Namenode節(jié)點(diǎn)，在其中運(yùn)行JobTracker服務(wù)，其他4臺(tái)配置Datanode節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行TaskTracker服務(wù)。Hadoop需要所有機(jī)器上Hadoop部署目錄結(jié)構(gòu)一致,并且以相同的用戶名登錄。Hadoop環(huán)境搭建關(guān)鍵步驟就是配置文件,在hadoop/conf目錄下,conf目錄中的hadoop-default.xml中包含了Hadoop的所有配置選項(xiàng),配置Namenode的IP地址[12-13]。節(jié)點(diǎn)IP地址分布如下。

Namenode:192.168.0. 100

Datanode1:202.168.0.101

Datanode4 :192.168.0.104

測試1個(gè)有220萬面的場景，在40幀的渲染測試中，有4臺(tái)相同配置的電腦共同完成，經(jīng)過最后統(tǒng)計(jì)平均每幀的渲染時(shí)間為348.6 s，實(shí)驗(yàn)利用相同配置的10臺(tái)HPZ210工作站測試，5臺(tái)采用原先部署的集群渲染系統(tǒng)模式，5臺(tái)采用改進(jìn)的基于Hadoop的集群渲染系統(tǒng)模式，對(duì)以上場景的相同幀數(shù)進(jìn)行測試。兩種系統(tǒng)在任務(wù)的處理過程中，在相同幀處理區(qū)間CPU的利用率如表1所示，執(zhí)行時(shí)間的對(duì)比圖如圖4所示。

表1 兩種系統(tǒng)CPU的利用率

圖4 兩種系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間的對(duì)比圖Fig.4 Two kinds of system of execution time contrast figure

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：在相同的配置下，如果集群系統(tǒng)采用改進(jìn)后的Hadoop集群渲染系統(tǒng)，首先需要進(jìn)行場景文件信息的讀取、調(diào)用，在很短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)信息的本地調(diào)用后，無論在CPU的利用率上，還是在處理相同幀數(shù)的場景文件的速度上，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 語

利用基于延遲光照技術(shù)可以對(duì)渲染的場景文件中涉及光照計(jì)算的運(yùn)算，在處理效率上得到一定的提高。利用延遲光照算法對(duì)Hadoop集群渲染系統(tǒng)改進(jìn)，可以分布式對(duì)每個(gè)燈光的渲染目標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，可以發(fā)揮集群渲染系統(tǒng)中設(shè)備較高的性能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的利用率，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Improvement and implementation of Hadoop cluster rendering system based on deferred lighting algorithm

ZHANG Ting

(Experimental Teaching Center of Design and New Media Art, Tianjin Academy of Fine Arts, Tianjin 300342, China)

In view of the problem of massive data processing and storage in 3D scene file output process in cluster rendering system, the distributed model is reconstructed for the existing system by using the Hadoop framework. It uses deferred lighting algorithm to realize the business logic structure of the deployment of distributed storage and computing. The task processing strategies to improve Hadoop cluster rendering system is provided with high fault tolerance, reliable storage and mass data calculation. Experimental results show that the developed Hadoop cluster rendering system can improve system efficiency and tasking ability.

cluster rendering system; Hadoop; deferred lighting algorithm

1008-1534(2014)04-0337-05

2013-11-20;

2014-03-18；責(zé)任編輯：陳書欣

張 亭(1981-)，男，天津人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事計(jì)算機(jī)信息安全、信息智能處理方面的研究。

E-mail：zt3562@163.com

TP311

A

10.7535/hbgykj.2014yx04014

張 亭.延遲光照算法對(duì)Hadoop集群渲染系統(tǒng)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[J].河北工業(yè)科技,2014,31(4):337-341. ZHANG Ting.Improvement and implementation of the Hadoop cluster rendering system base on deferred lighting algorithm[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):337-341.