三维云渲染服务系统设计.docx

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三维云渲染服务系统设计

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摘要：本文基于通信、虚拟化、GPU渲染、图像编解码等技术，设计实现三维云渲染服务系统。通过将重量级可视化应用在云端渲染，并加密编码传输至客户端，客户端通过相对应的解码技术解码，客户端即可拥有云端高性能机器的渲染效果，客户端可以基于任意操作系统、任意浏览器、不安装任何插件的情况下输入URL即可访问。

关键词：云渲染;数字孪生;可视化;虚拟化

1.概述

当前处于一个信息化高速发展的时代，智慧城市的数字化、信息化建设离不开重量级可视化应用的支撑，然而，重量级可视化应用对客户端硬件性能要求非常高，在移动端设备上几乎无法使用这些重量级可视化应用，用户想要使用重量级可视化应用就必须配置上一台硬件配置非常好的电脑，并且需要在受限制的软件环境下才能使用，让这些重量级可视化应用真正推广落地使用成了难题。

目前重量级可视化应用主要有桌面版应用及网页版应用。桌面版应用基于C/S模式开发，用户使用需要下载相对应的客户端软件，然后在其底层支持的操作系统下，使用高配置客户机打开软件查看应用内容，网页版应用是基于B/S模式开发出来的网页应用，用户只需要输入Url地址即可在线访问，当前已有两种技术实现了重量级可视化应用在浏览器上访问：一种基于插件技术实现的（需要开发专门的可视化渲染插件，浏览器需要安装专门插件，并不兼容所有浏览器），另一种基于WebGL技术实现（基于3D绘图标准，无需安装任何插件，可兼容大部分浏览器，但是不支持大场景三维应用性能不足，会出现渲染卡顿，浏览器奔溃等现象），同时这两种技术也都需要在高配置的客户机下才能运行大数据量三维场景。以上当前的技术方案，主要存在使用不便（如：受限制于操作系统，需要安装客户端软件或者需要安装插件，受限于浏览器），或者性能及稳定性不足（如：WebGL技术下大场景应用新能不足，会出现渲染卡段，浏览器崩溃等现场），或者客户机配置要求高（如：需要高配置客户机），无法在移动端设备（安卓或者IOS等）浏览器上运行。总体上，目前重量级可视化应用存在使用不便、性能及稳定性不足、客户机硬件配置要求高、无法在移动端设备（安卓或者IOS等）上使用等原因，很难落地到普通用户使用。

2.系统架构

三维云渲染服务系统基于基础设施层、服务层、应用层、展示层的四层架构：

基础设施层：该层为基础层，通过主机、网络、存储等硬件资源构建云渲染的硬资源环境，以及搭配操作系统、数据库、安全系统等软环境合力打造云渲染的资源环境。

服务层：该层为核心功能层，给应用层提供云渲染所需要的支撑功能，包括：通信服务、数据流服务、控制流服务、图像编码等。

应用层：该层基于服务层提供的服务支撑实现Web可视化展示以及后台管理，通过后台管理用户可以通过可视化界面进行用户管理、节点管理、云渲染发布等操作，通过Web可视化可以将三维应用轻量化。

展示层：该层对外开放给用户使用，用户可以通过PC、移动终端、大屏等设备，在任意操作系统、任意浏览器不安装任何插件下访问三维应用。

3.系统技术原理

系统实现的主要技术原理是：在云端構建虚拟服务器集群[1]，将可视化应用部署至所述虚拟服务器集群上，采用虚拟化技术实现在云端进行渲染[2]，同时在云端实现相对应的控制流指令来控制可视化应用的渲染，并在云端实现相对应的图像编码技术将渲染好的图像进行编码，在客户端进行相对应的解码，从而将图像可视化展示在客户端中，无需处理任何数据，兼容各种引擎，无需关心底层引擎，同时无需额外开发量即可完成将应用转为使用云端渲染的网页应用，普通客户机或者移动端即可随处打开浏览器访问。

4.详细功能设计

4.1.Web可视化模块

Web可视化模块在云渲染服务能力的支撑下，拥有云端的高性能渲染能力，可轻松加载城市级海量三维模型数据，本模块主要负责客户端基于Web的可视化呈现以及交互，在云渲染的赋能下它拥有其它普通Web三维应用所没有的特性，主要体现在：易用性、兼容性、稳定性、渲染力、安全性等几方面具有非凡的效果。

4.1.1.可视化展示子模块

可视化展示子模块主要基于Htmlweb前端技术，将云端渲染的内容在Web控件上绘制出来从而可视化呈现在页面中。由于Web控件被所有浏览器支持，且对系统不做要求，所以用户通过任意操作系统、任意浏览器，在不需要安装任何插件的情况下，就可以通过在浏览器上输入URL地址即可展示由云端渲染的三维可视化系统内容。

4.1.2.图像解码子模块

图像解码子模块是Web可视化中的核心功能，其主要功能为负责将云端传输过来的数据流按照与云端约定好的格式，基于解密技术以及解码技术进行解密解码，同时基于Web前端Html技术将图像在Html控件绘制出来。

4.1.3.交互联动功能子模块

交互联动功能子模块是Web可视化模块的枢纽中心，主要负责与云端