基于云计算架构的三维数字模型实时渲染的实现方法及云服务系统

摘要

本发明公开了一种新型三维数字模型实时渲染云服务系统，它包括：网络通讯服务和负载均衡系统及集群、网络应用服务系统及集群、业务处理服务系统及集群、渲染任务管理服务系统及集群、高性能三维图形实时渲染服务系统及集群、数据安全和鉴权服务器、计费管理系统、服务运营支撑系统、数据库集群以及分布式模型文件存储系统及集群。同时，本发明还提供了一种基于云计算架构的三维数字模型实时渲染的实现方法。本发明从根本上改变了基于本地图像处理能力的传统三维模型渲染方式，通过统一的云服务、互联网接口提供高效、简单、易用的三维模型实时渲染服务，使三维模型实时渲染不需要安装专业的三维制作软件，也无需本地高性能的图像硬件支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维数字模型实时渲染的实现方法，尤其涉及一种基于云计算架构的三维数字模型实时渲染的实现方法以及三维数字模型实时渲染云服务系统。

背景技术

三维数字模型通过3dMax、Maya等三维设计软件工具制作，并通过本地三维图形渲染引擎将三维数字模型渲染成具有物理真实效果的图片。三维数字模型进行角度调整、材质变换、位置移动、方向旋转、场景更新等动作，都必须依赖于三维设计软件进行动作调整，并进行重新渲染，方可看到调整后的效果图片。这样的实现方式，使三维模型的展示完全依赖三维设计工具。 

随着技术的进步，互联网应用的技术也有了长足的发展，浏览器可以承载更多的功能，比如，脚本语言执行、视频、流媒体、富媒体应用等，HTML5作为互联网应用新的技术标准，整合了WEBGL的三维处理能力，可以在互联网应用内实现简单的三维处理。它的原理是在HTML5协议内，描述三维模型的位置空间，并通过互联网传输三维模型数据，最终利用本地计算机的图形处理硬件的图形计算能力，实现三维模型展示的功能。这种方式一方面依赖于本地图形计算能力，设备兼容性弱；另一方面，需要通过互联网传输大文件，影响互联网应用的用户体验。

因此，在三维模型展示互动的领域里，这两种主流的方式，一方面过度依然于三维图形处理专业的软件的图像处理功能；另一方面，本地图形处理能力要求高，且需要传输大量的三维模型数据。因此，这两种方式无法支撑互联网、移动互联网等主流的网络应用推广三维模型展示的功能。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供了一种新型的三维数字模型实时渲染实现方法，并基于云计算的架构构建了新型的三维数字模型实时渲染云服务系统，从根本上改变了基于本地图像处理能力的传统三维模型渲染方式，通过统一的云服务、互联网接口提供高效、简单、易用的三维模型实时渲染服务，使三维模型实时渲染不需要安装专业的三维制作软件，也无需本地高性能的图像硬件支持，从而面向丰富的互联网、移动互联网应用提供简单、易用的三维模型实时展示云计算服务，帮助互联网应用、移动互联网应用快速开发新型的三维模型实时展示的用户体验的新型应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于云计算架构的三维数字模型实时渲染的实现方法，其中该方法包括下列步骤：在云端服务层，将数字模型从模型库中加载，并通过图形渲染服务器实时计算模型当前状态下的效果图片、图片流或动态视频流；参照标准的互联网脚本语言，制定模型实时展示的交互协议，并按照此协议封装模型的实时渲染的效果图片、图片流或动态视频流，通过互联网传输协议将封装好的协议包发送到互联网或移动互联网应用；应用接收到渲染结果后，按照类似互联网脚本语言的方式解析，并按照图片或视频的方式进行排版展示；应用捕获动作事件，如旋转、放大、切换场景、更换色板、变换材质等，将这些动作事件通过协议传送到云端服务层；云端服务层接收到动作事件后，将按照新的动作参数，在云端服务层的后台自动调整模型的位置空间、显示大小、材质贴图，并调用图形渲染服务器进行实时处理，将新的实时渲染效果图、图片流或视频流，通过协议封装后，重新发送给应用；应用收到实时渲染结果后，重新展示到应用层，从而完成一次实时的互动展示。

本发明还提供一种新型三维数字模型实时渲染云服务系统，该系统包括：网络通讯服务和负载均衡系统及集群、网络应用服务系统及集群、业务处理服务系统及集群、渲染任务管理服务系统及集群、高性能三维图形实时渲染服务系统及集群、数据安全和鉴权服务器、计费管理系统、服务运营支撑系统、数据库集群以及分布式模型文件存储系统及集群。

网络通讯服务和负载均衡系统及集群，负责处理并响应各种互联网、移动互联应用的网络请求，并确保海量的网络请求可以有效的负载均衡，同时有效地管理网络通讯会话正确匹配和及时响应。

网络应用服务系统及集群，负责处理互联网、移动互联网等网络应用的业务请求，负责将从应用接收到的业务协议包正确解析，识别应用的业务操作请求，如模型展示、模型放大、模型缩小、调整位置等，并将业务处理请求传送给业务处理服务系统。网络应用服务系统还负责从业务处理服务系统接收实时渲染结果，并将三维模型实时渲染的结果、展示区域的位置描述、可支持的动作操作功能等信息封装成标准的协议内容包，并将协议内容包传输给网路通讯服务系统，通过网络会话传送给网络应用。 

业务处理服务系统及集群，实现三维模型实时展示的核心业务功能。负责与网络应用服务系统对接，处理三维模型实时渲染业务功能，包括业务请求接收、业务处理、业务数据返回等。三维模型索引检索，从数据库系统中，查询三维模型对应的模型参数、模型格式、模型文件存储索引等信息。三维模型文件加载，从分布式模型文件存储系统中，查询并读取模型文件。模型动作事务处理，将三维模型的各种动作如选择、放大、调整位置、更换颜色、变换材质等，转化为模型的参数数据信息。业务会话管理，负责建立并维护实时渲染业务的会话，包括业务信息缓存、业务场景数据存储等。负责与渲染任务管理系统对接，发起实时渲染任务请求，并负责接收实时渲染的结果数据。

渲染任务管理服务系统及集群，负责建立并管理实时渲染任务。渲染任务创建，渲染任务数据加载、渲染任务队列管理，渲染任务场景数据存储，渲染任务调度，渲染结果数据管理等。

高性能三维图形实时渲染服务器集群，通过高性能的图形计算服务器系统，进行实时的三维数据模型渲染，并可以支持高并发的渲染任务需求。

数据安全和鉴权服务器，负责整个系统的数据安全和业务鉴权的认证。模型数据加密安全管理。实时渲染结果文件的安全管理，提供包括图片水印、品牌信息、分辨率调整等多种形式的渲染结果安全管理功能。业务鉴权认证，确认业务请求的合法性，包括业务时效性、业务是否付费等。网络安全认证，负责用户信息、用户安全证书的审核。负责网络安全通道的加密解密。

计费管理系统服务器，提供统一的业务计费管理服务，包括业务套餐管理、业务使用量统计、业务费用核算、费用收支管理等。

服务运营支撑系统，提供综合的运营支撑服务功能。用户管理功能，包括用户申请、用户信息编辑、用户信息查询等；模型管理功能，模型文件上传、模型参数配置，模型发布管理等功能。业务管理功能，开通实时渲染服务，包括展示模型个数、展示模型类型、展示模型的时间周期等；调整实时渲染服务业务的功能，包括增加展示模型个数、调整模型展示的类型、延长展示周期等。

数据库存储系统及集群，为系统提供统一的数据存储服务，并构建安全、健壮的数据库存储集群。

分布式模型文件存储系统集群，提供高性能、高扩展、高可用的三维模型文件存储系统，可支撑存储海量的三维模型文件。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1为本发明的整体系统网络结构拓扑图。

图2为本发明的整体系统逻辑结构图。

图3为本发明的网络应用的三维模型操作界面。

图4为本发明的网络应用对三维场景进行操作界面。

图5为本发明的网络应用启动三维模型展示的初始化流程图。

图6为本发明的网络应用进行三维模型操作的流程图。

图7为本发明的网络应用对三维场景进行操作的流程图。

图8为本发明的用户后台模型上传的流程图。

图9为本发明的用户模型发布处理及预览的流程图。

图10为本发明的用户后台管理模型渲染业务的流程图。

图11为本发明的服务运营支撑系统鉴权的流程图。

图12为本发明的三维模型展示的渲染鉴权流程图。

具体实施方式

下面结合说明书的附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的整体系统网络结构图。图1所示的实时渲染云服务系统结构包括：实时渲染客户端1-1，用来实现实时在线3D模型渲染操作的结果呈现。Internet互联网1-2。实时渲染云服务器端1-3，该服务器包括防火墙1-3-1，提供网络安全保护，防止来自外部的网络攻击；网络通讯服务负载均衡服务器1-3-2，提供HTTP请求的负载均衡调度和失效转移工作；网络通讯服务系统集群1-3-3，有效地管理网络通讯会话正确匹配和及时响应；网络应用服务系统集群1-3-4,负责处理互联网、移动互联网等网络应用的业务请求；数据安全和鉴权服务器1-3-5，负责整个系统的数据安全和业务鉴权的认证；业务处理服务系统集群1-3-6，实现三维模型实时展示的核心业务功能；服务运营支撑系统服务器1-3-7，提供综合的运营支撑服务功能；渲染任务管理服务系统集群1-3-8，负责建立并管理实时渲染任务；计费管理系统服务器1-3-9，提供统一的业务计费管理服务；数据库存储系统集群1-3-10，为系统提供统一的数据存储服务，并构建安全、健壮的数据库存储集群；防火墙1-3-11，提供渲染引擎服务器的网络安全保护；高性能三维图形实时渲染服务器集群1-3-12，通过高性能的图形计算服务器系统，进行实时的三维数据模型渲染；防火墙1-3-13，提供模型文件存储系统服务器的网络安全保护；分布式模型文件存储系统集群1-3-14，提供高性能、高扩展、高可用的三维模型文件存储系统。

图2是本发明的系统结构框图。本系统包括：应用层2-1，包括2-1-1三维模型展示模块以及2-1-2三维模型管理模块，并提供相应的协议转换模块2-1-3以及2-1-4网络通讯模块。业务层，包括2-2-3数据安全和鉴权服务器，负责整个系统的数据安全和业务鉴权的认证；2-2-1网络通讯服务系统，提供网络接口以及负载均衡服务；2-2-2网络应用服务系统，负责将从应用接收到的业务协议包正确解析，识别应用的业务操作请求；2-2-4业务处理服务系统，实现三维模型实时展示的核心业务功能，包括三维模型实时渲染、三维模型管理等；2-2-6渲染任务管理服务系统，负责建立并管理实时渲染任务；2-2-7计费管理系统，提供统一的业务计费管理服务；2-2-5服务运营支撑系统，提供用户管理功能、业务管理等功。渲染层，包括2-3-1高性能三维图形实时渲染服务系统，提供多种规格的渲染软硬件以及对应的网络接口。数据层，包括2-4-1模型文件存储系统，存放海量的模型数据；2-4-2数据库集群，存储用户信息以及渲染任务信息。

图3为本发明的网络应用的三维模型进行操作的界面，该界面是基于html和javascript的网页应用，其中3-1是该应用的整体界面，包括三维模型展示部分和商品描述部分；3-2是三维模型渲染的结果展示的区域；3-3是重置按钮，点击之后把这个渲染过程重新初始化；3-4是转动按钮，点击之后用户可以用鼠标来随意转动，同时会调用系统接口，在3-2中显示转动之后的图片；3-5是放大按钮；3-6是平移按钮。

图4为本发明的网络应用对三维场景进行操作的界面，该图和三维模型操作界面类似，不同的在于按钮4-7，点击之后显示更换材质的对话，用户选择材质之后会调用系统接口，显示更换材质之后渲染的图片；按钮4-8则是更换场景按钮，点击之后显示对话框4-3，用户可以在该对话框中选择新的场景。

用户界面的操作通过标准格式与后台交互数据。例如，图3的转动操作与图4的更换场景操作可按照标准公共服务接口对象协议描述为：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<interredner>

  <action type="rotate" dx="1.1" dy="1.2"/>

  ……

  <action type="changescene" newvalue="sceneid3"/>

</interredner>

XML的主体interredner描述了界面的操作命令，操作命令从逻辑上分为rotate(旋转)、move(平移)、zoom(缩放)、changescene(更换场景)、changematerial(更换材质)这几种类型。其中rotate包含dx、dy两个子元素，表示三维模型的x和y方向上旋转的角度；move包含屏幕的x和y方向上移动的距离；zoom包含缩放之后的放大倍数；changescene包含新的场景信息；changematerial包含新的场景材质。

下面结合图5到图12说明本发明的系统实现方法。

图5是本发明的初始化流程。在步骤S101中，模型展示应用发送初始化请求，该请求中包括有模型的相关信息。经过网络接口处理时需要通过步骤S102验证用户的身份信息，检查用户是否有权限进行操作，如果检查通过之后再把请求发送给业务处理服务系统。此时，首先通过步骤S105对操作进行计费，然后经过步骤S106读取模型数据，步骤S108读取模型相关的设置参数，步骤S110转换为对于渲染引擎适合的格式，步骤S111初始渲染引擎，然后是步骤S112设置场景信息，步骤S113设置模型文件，步骤S114设置相机的初始化位置。才能够把请求发送给渲染任务管理服务系统，在该系统中经过步骤S116排队之后，请求发送给空闲的渲染服务器，最终得到了初始化的渲染图片。各个层把该图片发送回模型展示应用，显示给用户。如果在步骤S122中用户信息验证失败的话，则会提示用户失败信息。

图6是本发明的对三维模型进行旋转、平移以及缩放等操作的流程。在步骤S201中，模型展示应用发送操作模型的动作请求，该请求中包括有模型的信息。经过网络接口的步骤S202鉴权之后把请求发送给业务处理服务系统。在业务处理服务系统中经过步骤S205对操作进行计费，步骤S206读取上一次渲染的信息，步骤S208转换为对应渲染引擎适合的格式之后把请求发送给渲染任务管理服务系统。在渲染任务管理服务系统中经过步骤S210排队之后，请求发送给空闲的渲染服务器，即可以得到了此时的渲染图片。各个层把该图片发送回模型展示应用，显示给用户。

图7是本发明的对三维模型所处的场景进行切换，修改模型的材质以及颜色等操作的流程，这一些操作和对模型进行旋转、平移以及缩放等操作的流程图比较，区别就在于本流程的操作不需要读取上一次渲染的信息，所以对于本流程就不进行详细描述了。

图8为本发明的用户后台模型上传的流程图。在步骤S401中，模型管理应用根据用户的操作发送包含模型数据描述的请求。经过网络接口之后通过步骤S402验证用户的身份信息，检查用户是否有权限进行操作，如果检查通过之后再通过步骤S404把请求发送给服务运营支撑系统。步骤S405把模型上传到模型文件存储系统中。如果在步骤S409中用户信息验证失败的话，则会提示用户失败信息。

图9为本发明的用户模型发布处理及预览的流程图。图9是本发明渲染方案生成的流程。在步骤S501中，用户向网络应用服务系统发送查询相关模型的请求。在步骤S502中，网络应用服务系统把模型查询的请求转发给服务运营支撑系统。在步骤S503中，服务运营支撑系统向数据库存储系统发送查询处理。在步骤S504中，数据库存储系统把查询得到的相关模型结果信息返回给服务运营支撑系统。在步骤S505中，服务运营支撑系统在把查询结果数据返回给网络应用服务系统。在步骤S506中，网络应用服务系统得到模型信息后，向渲染任务管理系统发送初始化渲染模型的请求。在步骤S507中，渲染任务管理系统把渲染任务转发给相关高性能三维图形实时渲染服务器来完成初始化渲染工作。在步骤S508中，高性能三维图形实时渲染服务器向分布式模型文件存储系统发送加载模型文件的请求。在步骤S509中，模型库服务器向高性能三维图形实时渲染服务器返回模型文件。在步骤S510中，高性能三维图形实时渲染服务器根据得到的模型文件，完成渲染初始化工作。在步骤S511中，高性能三维图形实时渲染服务器把渲染得到的结果图片返回给渲染任务管理系统。在步骤S512中，渲染任务管理系统再把渲染结果图片返回给Web应用服务器。在步骤S513中，网络应用服务系统再把从模型的相关信息及初始化的渲染结果图片返回给客户端。在步骤S514中，客户用户可能会对加载的模型完成相关设置的操作(如场景、颜色、材质、角度等)，并把这些设置模型后的重新渲染请求再次发生给网络应用服务系统。在步骤S515中，网络应用服务系统把模型设置后的渲染请求转发给渲染任务管理系统。在步骤S516中，渲染任务管理系统调度相关渲染引擎来完成渲染任务处理。在步骤S517中，高性能三维图形实时渲染服务器完成渲染处理。在步骤S518中，高性能三维图形实时渲染服务器把渲染结果图片返回给渲染任务管理系统。在步骤S519中，渲染任务管理系统再渲染结果图片返回给网络应用服务系统。在步骤S520中，网络应用服务系统再把渲染结果图片返回给客户端。处理过程可能会多次重复完成S514到S520之间的步骤操作。在步骤S521中，客户端向网络应用服务系统发送保存模型方案的请求。在步骤S522中，网络应用服务系统把模型方案的保存请求转发给服务运营支撑系统。在步骤S523中，服务运营支撑系统生成模型方案的客户端代码。在步骤S524中，服务运营支撑系统把此模型方案信息保存到数据库存储系统中。在步骤S525中，数据库存储系统返回保存方案是否成功。在步骤S526中，如果保存成功，服务运营支撑系统把模型方案的客户端代码返回给Web应用服务器。在步骤S527中，网络应用服务系统再把模型方案的客户端代码返回客户端。

图10为本发明的用户后台管理模型渲染业务的流程图。首先步骤S601中，用户通过模型渲染管理模块向网络应用服务系统发送操作请求，该请求为开启渲染，关闭渲染，查询费用、充值的业务。在步骤S602中，经过网络应用服务系统后请求发送给安全和鉴权服务器。在步骤S603中，网络应用服务系统得到返回验证信息。在步骤S604中，验证失败，则回验证失败信息给客户端。在步骤S605中，验证成功，则交由服务运营支撑系统完成业务处理。在步骤S606中，服务运营支撑系统保存开启渲染，关闭渲染，查询费用、充值等业务处理结果数据到数据库。在步骤S607中，数据库存储系统返回数据处理信息给服务运营支撑系统。在步骤S608中，服务运营支撑系统再组装成业务处理信息给客户端。

图11为本发明的服务运营支撑系统鉴权的流程图，该流程包含用户注册、登录等操作。在注册流程中，模型管理应用提交用户的注册信息通过步骤S701给网络接口，完成注册信息的验证，验证通过的则提示用户注册成功，同时通过步骤S704把对应的用户信息保存在数据库中并返回注册成功的提示给用户。在登录流程中，模型管理应用通过步骤S706提交用户的登录信息给网络接口，然后传递给安全和鉴权服务器根据数据库中的用户信息进行验证，验证通过的则提示用户登录成功。

图12为本发明的三维模型展示的渲染鉴权流程图，完成模型展示过程中的鉴权以及收费操作。首先，步骤S801中模型展示应用发送操作模型的展示请求，可以是初始化、旋转、缩放、更换场景等请求，该请求中包括有模型的信息以及操作的信息。首先需要根据数据库中记录来验证用户的身份信息，检查用户是否有权限进行操作，如果检查通过之后再把请求发送给业务处理服务系统，并对操作进行计费。如果用户信息验证失败的话，则会提示用户失败信息。

虽然本发明专利通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样在发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。