天猫3D渲染：尖端技术可将图像预览速度提高30倍

2020年天猫618购物节宣布了3D购物时代。本文介绍了3D购物背后的前沿技术，包括3D真实场景再现，3D渲染，3D算法和AceRay高速渲染。

天猫于2020年5月28日宣布了3D购物时代。这将3D购物推到了电子商务的最前沿。现在，您无需离开家就可以参观大型购物中心，并在模拟的3D世界中找到适合您家的家具。

3D购物是一个大型项目，需要多种技术才能将离线购物中心的所有数据数字化。这些技术包括3D内容生成，数据链接集成和3D渲染。该项目需要设计师，工程师和产业链参与者的共同努力。

家具市场涉及高度复杂的业务。为此类企业实施渲染需要上传许多不同格式的模型，并为各种平台创建模型和材料。上载之前，必须将不同格式的模型转换为中间格式。当前，家庭装修模型具有许多三角形表面。我们需要通过几何优化来减少这些表面的数量。另外，家庭装修模型具有许多映射。我们需要基于特定平台优化这些映射。

需要许多服务器才能完成这些优化。必须有一个管理和控制平台才能正确连接和调度这些服务器，以最大程度地提高整体服务器效率。然后，我们使用服务器同时处理大量模型，并为各种平台创建不同的模型格式。我们开发了一个中央模型控制平台，该平台支持无限数量的提交模型。该平台可同时处理许多模型，为每个模型定义不同的自定义处理工作流程，并支持对每个模型的处理优先级的临时控制。

当新模型需要格式转换时，流程引擎分析流程节点以找到第一个要执行的节点，然后将任务交付给调度引擎。调度引擎会找到最合适的远程执行程序并将任务分配给它。远程执行程序完成任务后，调度引擎将任务返回给流程引擎。然后，流程引擎将当前模型传输到流程的下一个节点，并将第二个任务交付给调度引擎。重复前面的过程，直到完成当前模型的所有工作流程为止。

大量的表面有助于增强模型的细节。但是，它们阻碍了高速渲染的效果。因此，在渲染之前，我们需要预处理具有许多三角形表面的模型。可以使用多种工具来简化这些模型的众多表面。减少曲面数量后，我们仍然需要保留模型的所有详细信息以及准确的法线，U轴和V轴。更重要的是，我们需要一组参数来控制所有模型，还需要一组工具来自动按比例处理模型。这些参数和工具在业界尚不存在。因此，我们独立开发了一套几何优化工具来满足我们的需求。

以下部分说明了如何解决与材料相关的问题。Vray是家用家具市场中的常用材料。该材料包含许多参数，并且其计算过程很复杂，这是高速渲染的难点。到目前为止，我们还没有找到将Vray转换为更简单材质的方法。因此，我们独立开发了一种材质转换解决方案，以将现有材质转换为更简单的材质并加速渲染。

淘宝商家依靠我们的3D云渲染服务。我们开发了云渲染平台而不是单点渲染引擎来处理服务器群集中的许多请求。云渲染平台管理所有类型的渲染请求，包括脱机渲染，高速渲染和结构仿真。云渲染平台将业务与渲染服务器隔离开，并统一了渲染界面。调度程序将每个渲染请求发送到最合适的服务器，以在最短的时间内完成请求。

云渲染平台分为两层：调度集群和渲染集群。调度集群将任务发送到呈现集群，并且呈现集群将状态数据报告给调度集群。

在接收到渲染任务后，调度群集将该任务转发到最合适的渲染服务器，该服务器根据报告的状态和交付历史记录确定。该渲染服务器更新并报告其状态，然后开始渲染。

设计工具通常使用离线渲染器。脱机渲染产生良好的效果，但是速度很慢。渲染图像可能需要几分钟甚至几小时。对于设计人员而言，慢速渲染会降低3D场景的生成效率，尤其是在某些场景中的元素需要频繁调整时。可以通过高速渲染解决此问题。消费者希望尽快预览图像。等待渲染实现很烦人。

AceRay高速渲染服务旨在加速离线渲染。它旨在帮助设计人员提高3D场景制作的效率，并改善3D功能的用户体验。

渲染效果是我们的首要目标。如果渲染质量差，则高速渲染无用。我们使用AceRay云渲染平台在几秒钟内生成了两个室内家庭装修场景的渲染图。

在保持令人满意的渲染效果的同时，高速渲染功能将脱机渲染速度提高了20到30倍。这使得高速渲染在家庭装修渲染领域极具吸引力。Tangping Designer提供了高速预览功能，可在3到5秒内生成图像预览。这大大提高了设计效率。

栅格化和射线追踪

首先，让我们简要看一下渲染的工作原理。光栅化渲染器通常用于游戏领域的实时渲染。光线跟踪渲染器通常用于脱机渲染中以在影片中创建特殊效果，或者与设计工具结合使用。

栅格化渲染管线与光线跟踪渲染管线不同。传统的栅格化渲染管线包括顶点处理，图元装配，栅格化和像素着色。它是游戏和实时渲染领域中经过时间考验的渲染解决方案。图形硬件旨在加速栅格化渲染。但是，栅格化渲染会丢失对象之间的关系。这是致命的缺陷。该缺陷使得难以计算由对象间关系产生的照明效果。必须使用专门设计的算法进行计算，这很昂贵。这些效果包括阴影，间接照明，镜面反射和环境光遮挡。此缺陷还使得难以产生与脱机渲染相当的光栅化渲染效果。

脱机渲染基于光线跟踪。简而言之，光从相机发射到屏幕上每个像素的位置，并且通过模拟光的反射，折射和散射来渲染真实场景。光线跟踪很简单，但是它需要大量的光并需要对每个像素进行计算才能渲染真实场景。这是离线渲染需要这么长时间的主要原因。由于巨大的计算工作量，即使是高级计算硬件（例如多核CPU）也无法显着加速脱机渲染。当前的脱机渲染效率远远不足以在十几秒甚至几秒钟内生成渲染。

光线追踪脱机渲染器将光线追踪与蒙特卡洛方法结合起来，以估计高维渲染方程的值。蒙特卡洛方法使用随机采样，这需要大量采样才能获得更好的渲染质量。

AceRay高速渲染功能使用自定义优化算法，该算法可显着减少脱机渲染所需的样本数量。此功能还使用光线跟踪算法在短时间内产生平滑的照明效果。

尽管图形和射线跟踪已经很长时间了，但是基于射线跟踪的高速渲染仍然是一个相对新颖的领域。当前摆在我们面前的挑战是通过有效利用硬件的计算能力来开发高质量的，可用于业务的高速渲染器。在最终渲染图呈现给用户之前，需要进行其他工作，包括模型处理，场景处理和服务器调度。这些是渲染服务的基本工作流程。3D数据流具有多种格式。我们必须更加努力地实现所有类型的数据流之间的兼容性，将这些数据流转换为渲染器支持的统一输入格式，并有效地调度服务器资源以完成渲染。

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