摘 要：本文基于通信、虛擬化、GPU渲染、圖像編解碼等技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)三維云渲染服務(wù)系統(tǒng)。通過將重量級可視化應(yīng)用在云端渲染，并加密編碼傳輸至客戶端，客戶端通過相對應(yīng)的解碼技術(shù)解碼，客戶端即可擁有云端高性能機器的渲染效果，客戶端可以基于任意操作系統(tǒng)、任意瀏覽器、不安裝任何插件的情況下輸入URL即可訪問。

關(guān)鍵詞：云渲染;數(shù)字孿生;可視化;虛擬化

1.概述

當(dāng)前處于一個信息化高速發(fā)展的時代，智慧城市的數(shù)字化、信息化建設(shè)離不開重量級可視化應(yīng)用的支撐，然而，重量級可視化應(yīng)用對客戶端硬件性能要求非常高，在移動端設(shè)備上幾乎無法使用這些重量級可視化應(yīng)用，用戶想要使用重量級可視化應(yīng)用就必須配置上一臺硬件配置非常好的電腦，并且需要在受限制的軟件環(huán)境下才能使用，讓這些重量級可視化應(yīng)用真正推廣落地使用成了難題。

目前重量級可視化應(yīng)用主要有桌面版應(yīng)用及網(wǎng)頁版應(yīng)用。桌面版應(yīng)用基于C/S模式開發(fā)，用戶使用需要下載相對應(yīng)的客戶端軟件，然后在其底層支持的操作系統(tǒng)下，使用高配置客戶機打開軟件查看應(yīng)用內(nèi)容，網(wǎng)頁版應(yīng)用是基于B/S模式開發(fā)出來的網(wǎng)頁應(yīng)用，用戶只需要輸入Url地址即可在線訪問，當(dāng)前已有兩種技術(shù)實現(xiàn)了重量級可視化應(yīng)用在瀏覽器上訪問：一種基于插件技術(shù)實現(xiàn)的（需要開發(fā)專門的可視化渲染插件，瀏覽器需要安裝專門插件，并不兼容所有瀏覽器），另一種基于WebGL技術(shù)實現(xiàn)（基于3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，無需安裝任何插件，可兼容大部分瀏覽器，但是不支持大場景三維應(yīng)用性能不足，會出現(xiàn)渲染卡頓，瀏覽器奔潰等現(xiàn)象），同時這兩種技術(shù)也都需要在高配置的客戶機下才能運行大數(shù)據(jù)量三維場景。以上當(dāng)前的技術(shù)方案，主要存在使用不便（如：受限制于操作系統(tǒng)，需要安裝客戶端軟件或者需要安裝插件，受限于瀏覽器），或者性能及穩(wěn)定性不足（如：WebGL技術(shù)下大場景應(yīng)用新能不足，會出現(xiàn)渲染卡段，瀏覽器崩潰等現(xiàn)場），或者客戶機配置要求高（如：需要高配置客戶機），無法在移動端設(shè)備（安卓或者IOS等）瀏覽器上運行?？傮w上，目前重量級可視化應(yīng)用存在使用不便、性能及穩(wěn)定性不足、客戶機硬件配置要求高、無法在移動端設(shè)備（安卓或者IOS等）上使用等原因，很難落地到普通用戶使用。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

三維云渲染服務(wù)系統(tǒng)基于基礎(chǔ)設(shè)施層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展示層的四層架構(gòu)：

基礎(chǔ)設(shè)施層：該層為基礎(chǔ)層，通過主機、網(wǎng)絡(luò)、存儲等硬件資源構(gòu)建云渲染的硬資源環(huán)境，以及搭配操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、安全系統(tǒng)等軟環(huán)境合力打造云渲染的資源環(huán)境。

服務(wù)層：該層為核心功能層，給應(yīng)用層提供云渲染所需要的支撐功能，包括：通信服務(wù)、數(shù)據(jù)流服務(wù)、控制流服務(wù)、圖像編碼等。

應(yīng)用層：該層基于服務(wù)層提供的服務(wù)支撐實現(xiàn)Web可視化展示以及后臺管理，通過后臺管理用戶可以通過可視化界面進行用戶管理、節(jié)點管理、云渲染發(fā)布等操作，通過Web可視化可以將三維應(yīng)用輕量化。

展示層：該層對外開放給用戶使用，用戶可以通過PC、移動終端、大屏等設(shè)備，在任意操作系統(tǒng)、任意瀏覽器不安裝任何插件下訪問三維應(yīng)用。

3.系統(tǒng)技術(shù)原理

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要技術(shù)原理是：在云端構(gòu)建虛擬服務(wù)器集群[1]，將可視化應(yīng)用部署至所述虛擬服務(wù)器集群上，采用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)在云端進行渲染[2]，同時在云端實現(xiàn)相對應(yīng)的控制流指令來控制可視化應(yīng)用的渲染，并在云端實現(xiàn)相對應(yīng)的圖像編碼技術(shù)將渲染好的圖像進行編碼，在客戶端進行相對應(yīng)的解碼，從而將圖像可視化展示在客戶端中，無需處理任何數(shù)據(jù)，兼容各種引擎，無需關(guān)心底層引擎，同時無需額外開發(fā)量即可完成將應(yīng)用轉(zhuǎn)為使用云端渲染的網(wǎng)頁應(yīng)用，普通客戶機或者移動端即可隨處打開瀏覽器訪問。

4.詳細功能設(shè)計

4.1.Web可視化模塊

Web可視化模塊在云渲染服務(wù)能力的支撐下，擁有云端的高性能渲染能力，可輕松加載城市級海量三維模型數(shù)據(jù)，本模塊主要負責(zé)客戶端基于Web的可視化呈現(xiàn)以及交互，在云渲染的賦能下它擁有其它普通Web三維應(yīng)用所沒有的特性，主要體現(xiàn)在：易用性、兼容性、穩(wěn)定性、渲染力、安全性等幾方面具有非凡的效果。

4.1.1.可視化展示子模塊

可視化展示子模塊主要基于Html web前端技術(shù)，將云端渲染的內(nèi)容在Web 控件上繪制出來從而可視化呈現(xiàn)在頁面中。由于Web 控件被所有瀏覽器支持，且對系統(tǒng)不做要求，所以用戶通過任意操作系統(tǒng)、任意瀏覽器，在不需要安裝任何插件的情況下，就可以通過在瀏覽器上輸入URL地址即可展示由云端渲染的三維可視化系統(tǒng)內(nèi)容。

4.1.2.圖像解碼子模塊

圖像解碼子模塊是Web可視化中的核心功能，其主要功能為負責(zé)將云端傳輸過來的數(shù)據(jù)流按照與云端約定好的格式，基于解密技術(shù)以及解碼技術(shù)進行解密解碼，同時基于Web前端Html技術(shù)將圖像在Html控件繪制出來。

4.1.3.交互聯(lián)動功能子模塊

交互聯(lián)動功能子模塊是Web可視化模塊的樞紐中心，主要負責(zé)與云端的交互聯(lián)動。負責(zé)實現(xiàn)指令的收發(fā)功能，將用戶的操作事件傳輸給云端從而達到交互聯(lián)動， 如：用戶通過鼠標(biāo)滾動，按下鍵盤按鍵等來交互聯(lián)動。交互聯(lián)動模塊通過實現(xiàn)Web端事件中心來處理鼠標(biāo)、鍵盤等事件來達到交互聯(lián)動目的。

4.1.4.指令與數(shù)據(jù)傳輸集成子模塊

指令與數(shù)據(jù)傳輸集成子模塊與云渲染服務(wù)模塊中的通信服務(wù)模塊結(jié)合，用于流程化的處理云渲染服務(wù)端的三維可視化應(yīng)用與web客戶端間的指令交換，數(shù)據(jù)傳輸。達到通信方式簡單快捷。本模塊依托于云渲染服務(wù)端，三維可視化應(yīng)用端以及web客戶端三端通信鏈路，在web客戶端實現(xiàn)與云端的數(shù)據(jù)傳輸。

4.1.5.權(quán)限校驗集成子模塊

權(quán)限校驗集成子模塊主要功能是用于對用戶的系統(tǒng)訪問的安全和權(quán)限進行校驗。當(dāng)客戶端用戶通過URL訪問時，前端會對其請求信息轉(zhuǎn)發(fā)至云端認(rèn)證是否擁有訪問權(quán)限，對于沒有權(quán)限用戶，拒絕訪問，從而也在web端保障了安全性。

4.1.6.云節(jié)點智能匹配子模塊

云節(jié)點智能匹配子模塊為用戶智能匹配返回一個最佳節(jié)點地址[3]，主要功能包括地址轉(zhuǎn)換、安全轉(zhuǎn)碼和智能分析匹配。

4.2.云渲染服務(wù)模塊

服務(wù)模塊是整個三維云渲染服務(wù)子系統(tǒng)的“心臟”，作為整個系統(tǒng)的核心，起到了服務(wù)中心，控制中心，傳輸中心的作用。主要包括：通信服務(wù)子模塊，云智能選址服務(wù)子模塊，數(shù)據(jù)流服務(wù)子模塊，圖像編碼子模塊，控制流服務(wù)子模塊。

4.2.1.通信服務(wù)子模塊

通信服務(wù)子模塊在WEB端與云渲染后端服務(wù)以及三維應(yīng)用端之間建立連接，負責(zé)建立起云端與客戶端之間的通信，傳輸數(shù)據(jù)流、控制指令信息。通信服務(wù)模塊是整個云渲染服務(wù)基礎(chǔ)，通過通信服務(wù)三維應(yīng)用端，云渲染服務(wù)端，Web端建立通信鏈路。

4.2.2.云智能選址子模塊

負責(zé)當(dāng)用戶在瀏覽器上輸入地址時，智能分析計算匹配一個云端節(jié)點給用戶。為Web端提供的地址匹配服務(wù)，通過該模塊Web端可以智能匹配最佳節(jié)點，從而達到最好的訪問效果。

4.2.3.數(shù)據(jù)流服務(wù)子模塊

數(shù)據(jù)流服務(wù)子模塊實現(xiàn)三維應(yīng)用窗口內(nèi)容監(jiān)聽功能，根據(jù)云渲染后臺配置的分辨率，碼率，幀率等信息，實現(xiàn)基于這些參數(shù)對三維應(yīng)用句柄的監(jiān)聽，從而獲取三維應(yīng)用窗口內(nèi)容，并轉(zhuǎn)為相對應(yīng)的數(shù)據(jù)流服務(wù)。

4.2.4.圖像編碼子模塊

圖像編碼子模塊負責(zé)圖像的編碼及解碼格式的約定，從而使得編碼后的數(shù)據(jù)能夠在傳輸效率，清晰度，質(zhì)量以及WEB端解析效率，解析質(zhì)量上有很好的效率。

4.2.5.控制流服務(wù)子模塊

實現(xiàn)處理云端與客戶端之間相互發(fā)送的指令。整個實現(xiàn)的過程為：Web客戶端端發(fā)送交互指令給云端時通過控制流服務(wù)子模塊，經(jīng)過控制流服務(wù)子模塊處理發(fā)送至云端，云端接收消息給三維應(yīng)用端，三維應(yīng)用端響應(yīng)并返回消息通過控制流服務(wù)發(fā)送給Web客戶端，我Web端指令與數(shù)據(jù)傳輸集成子模塊進行消息接收處理，反饋給Web用戶。

4.3.云渲染后臺管理模塊

云渲染后臺管理模塊提供可視化管理界面負責(zé)三維云渲染服務(wù)子系統(tǒng)的后臺資源配置，用戶、群主等管理功能，為云渲染穩(wěn)定運行提供強有力支撐，為用戶提供友好的界面操作，方便進行應(yīng)用管理。主要包括：云渲染用戶管理子模塊，群組管理子模塊，云渲染項目列表管理子模塊，云節(jié)點管理子模塊，云節(jié)點智能化反饋子模塊，云渲染發(fā)布中心子模塊，GPU虛擬化管理子模塊，資源監(jiān)控管理子模塊，運營管理子模塊，日志管理子模塊。

4.3.1.用戶管理子模塊

用戶管理子模塊主要包括：用戶信息管理，權(quán)限信息管理，角色信息管理。

4.3.2.云渲染項目列表管理子模塊

云渲染項目列表管理子模塊展示所有已發(fā)布的云渲染項目。

4.3.3.云節(jié)點管理子模塊

管理員通過該云節(jié)點管理模塊自主配置云渲染環(huán)境的服務(wù)器信息，通過該模塊進行云節(jié)點的添加可輕松完成對服務(wù)器擴容，從而達到增強并發(fā)能力，以滿足日益增長的用戶，以及三維應(yīng)用的擴容的需求。

4.3.4.云節(jié)點智能化反饋子模塊

負責(zé)列表化展示云節(jié)點的活躍信息。智能化的反饋云節(jié)點的活躍情況，及時回收釋放云節(jié)點，防止節(jié)點資源的不必要浪費。本子模塊通過其他資源監(jiān)控管理服務(wù)等獲取云渲染服務(wù)環(huán)境的云節(jié)點的資源使用情況，能夠智能分析判斷回收釋放資源，達到資源合理利用目的。

4.3.5.云渲染發(fā)布中心子模塊

負責(zé)三維應(yīng)用項目的可視化發(fā)布，通過上傳項目壓縮包、編輯項目的名稱、分辨率、幀率、渲染引擎等參數(shù)信息進行項目發(fā)布，發(fā)布完成的項目基于云端渲染，通過任意操作系統(tǒng)任意瀏覽器輸入URL即可訪問。

4.3.6.資源監(jiān)控管理子模塊

資源監(jiān)控管理子模塊主要功能包括資源概覽、參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控報警。

5.結(jié)語

本系統(tǒng)通過在云端搭建高性能的服務(wù)集群，將復(fù)雜的重量級可視化應(yīng)用放在云端高性能服務(wù)器集群中進行渲染計算，借助通信技術(shù)、傳輸技術(shù)、虛擬化技術(shù)、遠程協(xié)議技術(shù)、GPU渲染技術(shù)、圖像編解碼技術(shù)，在云端渲染重量級可視化應(yīng)用內(nèi)容，將渲染后的內(nèi)容基于圖像編碼技術(shù)編碼，在云端將編碼后的內(nèi)容傳輸給客戶端進行解碼，客戶機不需要進行其它復(fù)雜的運算操作，只需要將其按照相對應(yīng)的圖像解碼技術(shù)解碼即可在客戶機上運行重量級可視化應(yīng)用。由于客戶端只需要進行簡單的圖像解碼操作，從而使得客戶機的硬件配置不再受要求，操作系統(tǒng)不受限制，瀏覽器不受限制，不需要任何插件即可非常輕松的加載展示重量級可視化應(yīng)用，在普通客戶端上即可享受工作站級的高性能渲染體驗。

參考文獻：

[1]丁錦程，李勇琪.一種云渲染的系統(tǒng)與方法：中國，CN111614780A[p].2020-09-01

[2]基于服務(wù)器端的三維渲染技術(shù)綜述[J]. 徐嬋嬋. 中國傳媒大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2019（01）

[3]云計算環(huán)境中優(yōu)化遺傳算法的資源調(diào)度策略[J]. 劉愉，趙志文，李小蘭，孔令榮，于淑環(huán)，于妍芳. 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2012（04）