基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，包括利用Docker架构在图形集群内部实现虚拟桌面系统的部署；在虚拟桌面系统中嵌入VNC服务端，VNC客户端访问所述VNC服务端后，通过VNC协议建立远程桌面连接；图形集群根据远程桌面连接情况进行动态负载均衡，建立图形集群动态任务调度与管理机制；通过图形集群动态任务调度与管理机制，在平台客户端与图形集群服务端间建立实时图像传输通道,综合集成基于图形集群的远程实时渲染平台。本发明专利技术针对大量远程用户基于不同需求的渲染应用问题，根据面向多用户的异步分布式工作模式，依托图形集群硬件环境，利用虚拟化手段来满足不同用户按需使用的需求，既方便管理又确保了数据安全。

Construction method of remote real-time rendering platform based on graphics cluster

The invention discloses a method for constructing a remote real-time rendering platform based on a graphics cluster, including realizing the deployment of a virtual desktop system within a graphics cluster by using a Docker architecture, embedding a VNC server in a virtual desktop system, and establishing a remote desktop connection through a VNC protocol after the VNC client accesses the VNC server. Based on the dynamic load balancing of the remote desktop connection, the dynamic task scheduling and management mechanism of the graphics cluster is established, and the real-time image transmission channel is established between the platform client and the graphics cluster server through the dynamic task scheduling and management mechanism of the graphics cluster, which integrates the remote real-time rendering based on the graphics cluster. Dye the platform. Aiming at the rendering application problems of a large number of remote users based on different requirements, the invention utilizes virtualization means to meet the needs of different users according to the asynchronous distributed working mode for multi-users, relying on the graphics cluster hardware environment, and ensures the data security as well as the convenient management.

【技术实现步骤摘要】
基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法
本专利技术属于计算机图形渲染
，尤其涉及一种基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，用于给多用户提供一种远程实时高效的图形渲染环境，有助于军事仿真、教育训练、移动办公以及自主可控系统推广等方面的工作。
技术介绍
图形渲染系统是视景仿真、虚拟现实和增强现实等技术的实现基础。图形渲染解决方案从最初的基于SGI(SiliconGraphics，美国硅图公司)的专用图形工作站，发展到多机并联的图形集群系统，再到采用NVIDIA(美国英伟达公司)的SLI(ScaleableLinkInterface，可升级连接界面)或AMD(AdvancedMicroDevices，美国超微半导体公司)的CF(CrossFire，显卡交火)技术的多显卡图形工作站，硬件技术发展使得图形渲染应用模式呈现出螺旋上升的态势。为了解决大规模、远程、实时渲染的问题，同时也为了有效整合图形资源，提高资源使用效率，基于图形集群的渲染模式再次成为业界研究的焦点。一般情况下，与图形集群配套使用的集群渲染系统也称作分布式渲染环境或渲染农场，它是指由许多运行渲染软件的计算机组成，在集群渲染管理软件的统一调配下，协调工作以并行方式完成所分配的渲染任务。从实时性的角度大致可分为两类：一类是非实时渲染系统，即管理端向图形集群下发渲染指令，图形集群在一定的时间内完成渲染任务后将渲染场景发送至管理端或存储系统，再由用户检验调用渲染成果。这种渲染系统多用于影视、动漫制作等领域；另一类是实时渲染系统，即管理端向图形集群下发渲染指令，图形集群完成渲染任务后将渲染结果实时反馈给用户，同时响应用户的交互与控制指令。这种渲染系统多用于视景仿真和虚拟现实系统。通过对当前远程实时渲染平台相关的厂家与技术进行调研，发现其涵盖的核心技术主要包括VDI(VirtualDesktopInfrastructure，虚拟桌面架构)、VMM(VirtualMachineMonitor，虚拟机监视器)、DCV(DesktopCloudVisualization，桌面云可视化)、vGPU(VirtualGraphicsProcessingUnit，虚拟图形处理器)等，其面向的应用情况主要体现在以下三个方面。1、单机访问单站获取虚拟桌面服务用户在本地安装客户端软件，远端的图形工作站节点安装服务软件，利用RDP(RemoteDesktopProtocol，远程桌面协议)将图形工作站桌面虚拟到本地，实现对图形软件的远程访问与显示。事实上，基于Windows的RDP协议可以有效支持远程桌面的文件操作以及简单的文档处理等，但并不适合对视频以及动态图像的处理。在此基础上，惠普公司提出了RGS(RemoteGraphicsSoftware，远程图像软件)解决方案，该方案在RDP协议的基础上做了很多优化，包括使用具有自主专利的图像压缩/解压缩技术(可达到170:1的压缩率)，大大减小了网络传输负载，另外通过对RDP的扩展，能够实现远程多用户共享桌面服务的功能(Windows的远程桌面连接同一时间只允许一个用户访问，且访问后服务端变成锁屏状态；惠普的RGS允许多个用户同时访问服务端的桌面，而服务端的桌面还可以正常显示)。这种方案支持Windows、Linux和Unix操作系统，基本上能够满足远程渲染任务的需求，但是该服务端软件要求必须安装在惠普的图形工作站上，并且在图形渲染资源的分配上并没有做其他的优化处理工作。2、多机访问单站获取虚拟桌面服务前面提到的方案比较适合于多人协同开展同一工作，不能满足多人通过共享图形资源来开展不同工作的需求，如果要实现每个用户都能够获取独立的虚拟桌面而又能共享图形资源，则需要在图形工作站节点上为每个用户都能开辟出独立的桌面系统，即VDI架构的部署与运行。目前，主流的VDI技术主要包括Hyper-V+RGS、XenServer+HDX和NICEDCV三种解决方案，对比分析如下：(1)Hyper-V+RGSHyper-V(美国微软公司推出的基于Windows的虚拟化产品)内置于WindowsServer2008及以后的操作系统产品中，相对于微软过去的虚拟化技术多了一层操作系统，兼容性好，但速度较慢。Hyper-V让虚拟机可以较直接的使用实体主机的硬件资源，以提高虚拟系统之效能。Hyper-V借用微软平台优势切入到服务器虚拟化领域，但在对于Linux系统支持上，Hyper-V还有所不足。RGS软件的功能与不足如前所述。(2)XenServer+HDXXenServer(美国思杰公司推出的虚拟化软件产品)是一种全面而易于管理的服务器虚拟化平台，能高效地管理Windows和Linux虚拟服务器，可提供经济高效的服务器整合和业务连续性，XenServer具备了操作系统的功能，能直接安装在服务器上引导启动并运行。美国思杰公司的HDX(HighDefinitionExperience，高清使用体验)则是针对桌面虚拟化和应用虚拟化市场推出的远程高清交互式产品，能实现对多媒体、语音、视频和3D图形交互。但在工程设计领域，该产品只能实现基于Windows平台的桌面虚拟化交互，而且无法实现对GPU资源的共享。(3)KVM+NICEDCVNICEDCV(美国亚马逊公司旗下的NICE公司推出的DCV产品)是一种能在标准网络上远程访问2D或3D应用的交互式产品，使用户可利用远端的3D高端图形卡、快速的I/O性能，以及大量的内存节点。值得强调的是，通过在KVM(Kernel-basedVirtualMachine，基于内核的虚拟机)虚拟化平台上部署NICEDCV，能充分发挥该软件的性能。该方案能支持Linux操作系统，而且在硬件层面上NICEDCV支持各种GPU虚拟化技术，利用NVIDIA公司的专用图形卡配合vGPU驱程，给每个虚拟机分配vGPU，可在一定程度上实现了GPU资源的共享。3、多机访问图形集群获取虚拟桌面服务前面两种方案中提到的虚拟桌面服务，都是建立在单台图形工作站基础上实现虚拟桌面服务的，如果用户数量过多，则在单台图形工作站上创建虚拟机的形式就无法满足应用需求，因此就需要以多台图形工作站的形式来代替单台图形工作站，这就是图形集群的概念。第三种方案主要是建立在前两种方案的基础上，重点解决图形集群的聚合问题，即怎样组织管理当前的多台图形工作站，使他们能够像一台机器一样方便高效的实现对多用户的图形服务。如果要把独立的多台图形工作站聚合成为统一的图形集群系统，首先需要有渲染任务管理软件进行资源分配与调度，典型的如VCM(VisualizationClusterManager，可视化集群管理器)和TechViz(法国TechViz公司的可视化软件产品)等。(1)VCM以色列Orad公司推出的VCM是在图形集群管理节点上安装的集群管理软件，它是通过规划图形节点的连接方式来分配渲染任务，再利用专用集成接口实现图像的集成与同步。这种集群管理方式较好的实现了渲染任务的分配与管理，但其理念主要是为多通道显示系统提供服务，比较适合多路同步输出的大屏显示，在应用方面明显不够灵活与智能。(2)TechVizTechViz在集群管理方面采用了另外一种思路，在集群的管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，包括：步骤一、利用所述Docker架构在图形集群内部实现虚拟桌面系统的部署；步骤二、在所述虚拟桌面系统中嵌入VNC服务端，VNC客户端访问所述VNC服务端后，通过VNC协议建立远程桌面连接；步骤三、图形集群根据远程桌面连接情况进行动态负载均衡，建立图形集群动态任务调度与管理机制；步骤四、通过图形集群动态任务调度与管理机制，在平台客户端与图形集群服务端间建立实时图像传输通道,综合集成基于图形集群的远程实时渲染平台。

【技术特征摘要】
1.基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，包括：步骤一、利用所述Docker架构在图形集群内部实现虚拟桌面系统的部署；步骤二、在所述虚拟桌面系统中嵌入VNC服务端，VNC客户端访问所述VNC服务端后，通过VNC协议建立远程桌面连接；步骤三、图形集群根据远程桌面连接情况进行动态负载均衡，建立图形集群动态任务调度与管理机制；步骤四、通过图形集群动态任务调度与管理机制，在平台客户端与图形集群服务端间建立实时图像传输通道,综合集成基于图形集群的远程实时渲染平台。2.如权利要求1所述的基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，其特征在于，步骤一，具体包括：在图形集群渲染节点操作系统上创建Docker容器；将封装后的虚拟桌面系统做成Docker镜像存入共享存储系统中；Docker容器通过加载Docker镜像，在图形集群内部实现虚拟桌面系统的部署，同时在虚拟桌面系统内实现基于Docker架构的GPU渲染加速。3.如权利要求1或2所述的基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，其特征在于，所述在虚拟桌面系统内实现基于Docker架构的GPU渲染加速的步骤，包括：将图形集群渲染节点操作系统的显卡驱程内核文件映射到Docker容器的集成环境中，同时调用OpenGL的窗口扩展插件，实现在虚拟桌面系统内的GPU实时渲染加速。4.如权利要求1至3之一所述的基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，其特征在于，所述虚拟桌面系统的显示采用虚拟外接输出的方式，该方式包括：为每一个Docker容器分配虚拟的显示输出，当用户访问该Docker容器时，Docker容器中的图形通过虚拟的显示输出，输出至客户端，使得GPU渲染不依赖于实际的图形卡输出接口。5.如权利要求1所述的基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，其特征在于，步骤二具体包括：VNC服务端利用分块匹配的区域变化检测算法对发生变化的图像区域进行筛选，经图像压缩后发送给对应的VNC客户端，通过VNC协议建立基于C/S架构的远程桌面连接。6.如权利要求5所述的基于图形集群的远程实时渲染平台构建方法，其特征在于，所述VNC服务端利用分块匹配的区域变化检测算法对发生变化的图像区域进行筛选，包括：设定需要变化检测的单位区域；获取截获系统屏幕重绘区域的信息；若截获的系统屏幕重绘区域小于单位区域，发送该区域位置信息；若截获的系统屏幕重绘区域大...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海洋，李智，陈勇，林琪，宋旭民，徐灿，刁华飞，章兰英，柴华，邴启军，刘海涛，周雯雯，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11