导读
近期，由边缘计算社区举办的全球边缘计算大会深圳站圆满落幕，会上火山引擎边缘云产品经理黄旭能分享了《基于边缘计算的渲染新应用》，从行业需求出发，介绍了传统渲染面临的挑战以及火山引擎基于边缘计算构建的渲染新应用及其最佳实践。
连接和计算无处不在
近几年来国产动漫正在崛起，根据艾瑞咨询分析报告，2020年中国动漫生产总值达2212亿元，相比2010年增长近5倍；在游戏方面，3A大作游戏云化也逐渐成为趋势，预计2025年，云游戏收入将达到342.8亿元。
另外，《“十四五”数字经济发展规划》中也明确提出要发展互动视频、沉浸式视频、云游戏等创新业务。随着动漫、云游戏等行业的发展，用户对更高质量、更沉浸式的玩法要求越来越高，传统的渲染模式开始面临挑战。
01 传统的渲染模式
常见的渲染主要分为离线渲染和实时渲染两种类型，如影视动画、院线大片，其视觉效果都是由离线渲染生成的。传统的离线渲染生产流程包括三维设计、骨骼绑定、动画设计、特效渲染和后期等。如上图，左边是设计师的日常工作环境，设计师需要在本地三维软件上完成建模、绑定和动画设计。由于受限本地机器的算力限制，设计过程中只能看到非常粗糙的效果，而经过离线渲染后，可以生成如右侧非常精细化的图片，在色彩、纹理、粒子效果相比本地都有非常大的提升，效果也更加酷炫和震撼。
然而传统离线渲染时间往往非常长，一台机器渲染一帧影视级别的图片可能需要将近50个小时，按1秒24帧算，则1秒短片需要连续渲染50天才可以完成，可见离线渲染是通过算力的时间积累来实现照片级图片的渲染生成的。
讲完离线渲染，再给大家分享一下实时渲染的传统生产流程。我们在玩大型3D游戏时可以自由操控，游戏动效和画面特效实时呈现，这都是计算机实时渲染生成的。上图左边是游戏引擎UE4的开发环境，开发者在这里完成模型绑定、动画设计和游戏逻辑的设定。右边是用户玩游戏的渲染效果，可以看到效果是一致的。
基于本地机器强大的算力，可以在开发过程中即可实时看到渲染效果，1:1还原游戏玩家的体验感，但是这对用户的硬件要求非常高，通常需要依赖高端昂贵的显卡，成本较高，且效果无法比拟离线渲染的效果。可见实时渲染是通过高端的硬件来短时间提供大量的算力，最终保证较高质量的实时交互体验。
离线渲染主要应用于影视特效、CG动画、家装设计等场景，而实时渲染则更多应用在对实时互动要求比较高的场景，如云游戏、AR/VR、虚拟培训等。进一步来看，目前图形渲染主流的实现技术有如下三种，包括光栅化、光线投射、光线追踪。这三种方式本质都需要大量的算力去模拟现实中光线反射和折射的仿真效果，从而渲染出图片上的每一个像素，传统方式一般都是由中心云提供算力支撑。
但随着业务的发展，比如影视动画渲染亟需更低的带宽成本、直播场景的特效渲染亟需更实时的人脸跟随、云游戏场景的交互亟需更低的时延响应，这些场景既要求高质量的渲染效果，同时还需要保证实时的交互体验，所以对算力有更高的性能要求和更低的时延要求。
而“边缘计算”是在更靠近用户的位置，提供通用、高效、低时延的算力资源，可以更大程度地加速渲染效率，进而能满足更多的场景需求，甚至催生出更多创新玩法。以下将详细分享我们如何基于边缘计算来构建新的渲染应用。
02 基于边缘计算的渲染新应用
首先来看一下我们边缘渲染的整体架构。
- 应用层主要包含边缘渲染农场和边缘实时渲染，是基于边缘云原生操作系统构建的PaaS和SaaS平台，通过智能调度、资源编排等核心能力，配合优化的网络传输协议和实时音视频通讯协议，为影视动画制作、虚拟培训、数字人、云游戏、AR/VR等场景提供高质量的实时渲染和离线渲染能力。
- “边缘云”底座具有覆盖全国各省市的边缘计算节点，支持多种CPU/GPU算力规格、支持就近接入，为渲染业务提供充足的算力支撑；基础资源层则提供100Ge/25Ge的智能网卡、并提供支持单线、多线等多种网络形态，保证低时延的交互体验。
本文将以离线渲染为例，重点介绍火山引擎边缘渲染的核心产品能力及最佳实践案例。
03 高效边缘渲染农场服务
边缘渲染农场是基于边缘计算的离线渲染平台，用户将任务提交至云端渲染农场，由农场完成渲染任务并返回结果。基于边缘云海量、弹性的资源特性、稳定安全的系统能力，渲染农场实现百万渲染帧队列轻松编排、渲染任务就近调度、多任务多节点并行渲染，极大提高影视行业、家装行业的成本效益和渲染效率。
为什么需要边缘渲染农场
为什么需要边缘渲染农场？我们可以来看一组数据对比，假设渲染一部100秒的短片，1秒24帧，单台机器渲染一帧平均时长50小时。在早期传统的本机渲染中，渲染这一部短片大概需要12wh的渲染时长，工作效率极低；而后来迫于项目交付的时间压力，往往需要多台机器来并发渲染提高工作效率，所以部分企业会选择自建渲染农场来加速渲染，但是从固定资产的成本考虑，往往只会购置少量机器，渲染时间依旧很长，如自建农场有6台机器仍然要花2wh，同时还要自己维护分发策略和机器调度等运维管控能力，成本较高。
而边缘渲染农场则能从数量、成本、质量给客户极佳的渲染体验，基于全域覆盖的边缘渲染节点，从数量规模上看，千级主机同时并发只需要120h即可完成渲染，效率提升1000倍；就近接入、按需付费也能极大降低成本；同时完善的多租户隔离、分发策略和调度机制，为海量的并发渲染保驾护航。
边缘渲染农场能极大地加速内容创作的生命周期。我们在设计师传统的本地三维设计流程中，在提交渲染这一步，从提交用户本机转化为提交边缘渲染农场，农场完成渲染并快速返回结果。用户只要完成“接入、上传、渲染、下载”四步，即可轻松拿到渲染结果。平台基于边缘云海量、弹性的资源，实现百万渲染帧队列轻松编排、任务就近调度、多节点并行渲染等核心能力，来进一步保障用户的渲染体验，极大提高影视动画、家装设计的渲染效率。
边缘渲染农场工作原理
首先，设计师在本地完成三维建模、绑定和动画设计后导出工程文件并上传至渲染平台，文件就近存储在边缘云端，上传完成后设计师设置渲染参数并提交任务，边缘渲染平台继而就近下发指令，从存储集群中本地读取工程文件，并通过分片策略将子任务分发至集群中的渲染节点。
分片策略会根据当前资源繁忙情况和工程文件的帧数动态调整策略，比如在拥有100台空闲的机器集群中，1000帧将会切成10帧每个分片来调度渲染集群，最大限度利用集群的算力，进而提升渲染效率。任务完成后渲染结果存储回边缘云端，同时用户会接收到渲染完成的消息，点击下载即可拿到最终的渲染效果图。
边缘渲染农场核心特性
基于为用户提供的高速渲染服务，我们提炼出边缘渲染农场的四大产品特性：
- 第一，简单易用，我们提供可视化的交互客户端，用户拖拽即可上传工程文件、点击即可一键提交渲染。同时支持渲染进度实时查看，工作节奏随时掌控。
- 第二，安全传输，我们支持数据加密和断点续传，可以保障文件的高效传输。
- 第三，极速渲染，多任务多节点并行渲染，同时支持算力资源的弹性扩缩容，能极大提升渲染效率。
- 第四，高效存储，我们使用基于NVMe SSD盘的分布式存储方案，能够提供超高I/O性能，轻松应对海量小文件的并发读写。
这些特性保证了极佳的渲染体验。下面，我将给大家分享一下边缘渲染农场在一些特定用户场景中的实践和案例。
04 最佳实践案例
首先，大力教育动画渲染案例。大力教育是一个面向青少年的教育平台，有大量动画培训视频的制作需求。大力教育之前都是用本地机器进行渲染，一部片子需要将近30天的渲染时间，周期非常长，并且需要的机器数量比较大，还需要进行技术维护；在接触边缘渲染农场后，发现边缘渲染农场可以近场调度，并且可以同时使用上百上千台机器同时渲染，原本需要30天的渲染任务，只需要3天就能完成，效率提升了90%。目前在我们平台上，大力教育每周仍保持较大的渲染量。
其次，住小帮家装渲染案例。住小帮是一个互联网家装平台，平台期望通过极速渲染来帮助用户快速看到自己未来的家。如图所示，左边是三维家装设计的界面，右边是渲染出来的全景图。平台支持用户在APP上快速搜户型、一键智能摆放家具、一键渲染来快速实现VR全景图输出。但渲染往往需要较长的时间，而用户则需要短、平、快的用户体验。快速渲染并呈现，降低用户等待时长是住小帮业务面临的挑战之一。边缘渲染农场通过全域覆盖的边缘异构算力，结合近场调度、智能分发等能力，快速实现全景图从数据采集、传输，到渲染、缝合，再到最终呈现的业务闭环，最终助力住小帮实现分钟级的出图体验。
除了上述两个案例，边缘渲染农场还在影视动画、游戏、影视特效等多个场景落地，以优质、高效渲染服务能力助力业务提升渲染效率，摆脱资源束缚。未来，我们希望能够携手各界合作伙伴，在工业视觉、数字孪生、三维道路模拟、动画渲染等领域探索更多可能性，诚邀大家一起，共创边缘新生态。
作者：黄旭能
来源： 边缘计算社区
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