CC BY
9А.С. МОКРОУСОВ, Д.В. ГОРИН, Р.Р. КАРИМОВ
A.S. MOKROUSOV, D.V. GORIN, R.R. KARIMOV
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ КЛАСТЕР
COMPUTING CLUSTER
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КЛАСТЕРА ДЛЯ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ASTRALINUX
INCREASING THE EFFICIENCY OF USING INFORMATION TECHNOLOGIES BASED ON A COMPUTING CLUSTER FOR THE SPECIAL-PURPOSE OPERATING SYSTEM ASTRALINUX
Сведения об авторах: Мокроусов Алексей Сергеевич - заместитель начальника 9 кафедры (технических средств служб тыла) Вольского военного института материального обеспечения, подполковник, доктор экономических наук, доцент (г. Вольск. E-mail: dvgorin@mail. ru);
Горин Дмитрий Владимирович - доцент 9 кафедры (технических средств служб тыла) Вольского военного института материального обеспечения, кандидат технических наук (г. Вольск. E-mail: dvgorin@mail. ru);
Каримов Руслан Рафаильевич - офицер строевого отделения Вольского военного института материального обеспечения, майор (г. Вольск. E-mail: dvgorin@mail. ru).
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы по применению информационных технологий на основе вычислительного кластера для операционной системы специального назначения AstraLinux при выполнении курсового проектирования по дисциплине «Технологические сооружения». Описаны проблемы, возникающие при создании фотореалистичных изображений объектов, пути их решения на основе вычислительного кластера. Рассмотрено разработанное программное обеспечение для создания вычислительного кластера и сетевого рендеринга 3D-сцены.
Ключевые слова: вычислительный кластер, рендеринг, операционная система AstraLinux, Blender.
Information about the authors: Aleksey Mokrousov - deputy Head of the 9th department (technical means of rear services) Volsky Military Institute of Material Support, Lieutenant Colonel, Doctor of Economics, Associate Professor (Volsk. E-mail: dvgorin@mail. ru);
Dmitry Gorin - Associate professor of the 9th department (technical means of rear services) Volsky Military Institute of Material Support, Candidate of Technical Sciences (Volsk. E-mail: dvgorin@mail. ru); Ruslan Karimov - officer of the combatant department of the Volsky Military Institute of Material Support, Major (Volsk. E-mail: dvgorin@mail. ru).
Summary. The article discusses the issues of the application of information technologies based on a computing cluster for the special-purpose operating system AstraLinux when performing course design in the discipline «Technological structures». The problems arising in the creation of photorealistic images of objects, the ways of their solution on the basis of a computational cluster are described. The developed software for creating a computing cluster and network rendering of a 3D scene is considered.
Keywords: computing cluster, rendering, AstraLinux operating system, Blender.
Одной из важнейших задач, решаемых продовольственной службой воинской части в мирное время в стационарных условиях, является выполнение мероприятий по устройству и оборудованию столовых воинских частей, а также их содержанию в соответствии с существующими требованиями руководящих документов и с учётом изменений, происходящих в теории и практике организации войскового питания.
Начальник продовольственной службы должен иметь глубокие теоретические знания по вопросу содержания столовых воинских частей, а также практические навыки по выполнению расчётов технологического проектирования помещений столовых. Это объясняется тем, что при строительстве новых
и реконструкции существующих столовых начальник службы как заказчик должен уметь применить полученные знания, а также практические навыки по вопросу технологического проектирования с тем, чтобы эффективность от проведённых мероприятий была максимальной, и, кроме того, не допустить повторения тех просчётов и ошибок, которые возможно имели место ранее.
В рамках изучения дисциплины «Технологические сооружения» в Вольском военном институте материального обеспечения курсантами выполняется курсовое проектирование столовой воинской части с целью повышения теоретических знаний по вопросу содержания столовых воинских частей, а также получения практических
навыков по выполнению расчётов технологического проектирования помещений столовых.
Результатом проектирования является составление проекта, а одним из составляющих проекта - альбом типовых решений столовой воинской части, содержащий фотореалистичные изображения помещений столовой.
В настоящее время информационные технологии развиваются стремительно. Каждый из нас сталкивался с таким понятием, как компьютерная графика. Компьютерная обработка и создание изображений уже давно определяют следующие направления нашей деятельности: телевидение, дизайн, медицина, виртуальная и дополненная реальность в играх и обучении, инженерном проектировании и т.д.
Для построения изображений используют компьютерные программы, так называемые 3D-ре-дакторы. Создание объёмных объектов в трёхмерном пространстве, объёмных изображений и сцен содержит следующие этапы: моделирование, текстурирование, риггинг (создание скелета), анимация, освещение и финишный этап - рендеринг (визуализация
Рис. 1. Получение фотореалистичного изображения в результате рендеринга 3D-сцены
Рис. 2. Визуализация 8 одновременных тайлов (оранжевые квадраты) на 8-ядерной машине
или получение фотореалистичного изображения) (см. рис. 1).
От рендеринга зависят реалистичность и эффективность итогового изображения. Этот процесс занимает большое количество времени, так как приходится решать ресурсоёмкую задачу. Так, например, для получения отрен-деренного высококачественного изображения (high-quality) разрешением 2500x1400 на компьютере, имеющем такие параметры, как процессор i7-980 (4ГГц) и ОЗУ 16 Гб., тратится около 5 ч 30 мин, при этом если проектировщик вносит изменения в свой проект, то операция визуализации должна повториться.
Осознавая эту проблему, компании, производящие фильмы, представляют свои компьютерные анимационные изображения с гигантскими «фермами рендеринга», которые обходятся в миллионы долларов за скромную установку. Причина в том, что компьютерные изображения являются по существу решениями математических уравнений, которые определяют местоположение и цвет каждого элемента изображения (пикселя) на дисплее компьютера. Это означает, что современные компьютерные графические рендеры включают в себя один из самых сложных и трудоёмких видов обработки - математические операции с плавающей точкой.
Таким образом, у современных компьютерно-сгенерированных изображений есть один недостаток - требуют много времени для рендеринга. Часто бывает так, что не хватает вычислительной мощности одного компьютера для выполнения поставленной задачи визуализации.
Для решения этой проблемы при выполнении курсового проектирования по дисциплине «Технологические сооружения» в качестве рендер-фермы используется вычислительный кластер - группа узлов, которые переназначены для решения распределённых задач в параллельном режиме с большой
производительностью и используются как единый ресурс.
Каждый вычислительный узел - это компьютер или нода, которая имеет собственную оперативную память, операционную систему и т.д. Чем больше компьютеров находится в локальной сети, тем меньше времени требуется для визуализации сцены.
В настоящее время в Российской Федерации происходит импортоза-мещение компьютерных программ и, в частности, переход на отечественную операционную систему AstraLinux, в состав которой входит графический 3D-редактор Blender.
Большинство компьютерных BD-редакторов содержат в себе программное обеспечение для использования распределённых
вычислений при рендеринге. Однако в основном оно используется для создания анимаций (фильмов). Для конкретной отдельной сцены BD-модели невозможно осуществить распределённые вычисления. Не миновала эта участь и BD-графического редактора Blender. Использование разработанного преподавателями и членами военно-научной группы метода распределённого рендеринга для Blender позволяет осуществить распределённый рендеринг сцены в вычислительном кластере.
Когда Blender визуализирует изображение на одноядерной машине, он разбивает задачу на «плитки», размер которых находится под контролем пользователя, и (на одноядерном компьютере) визуали-
зирует плитки по одному. Если компьютер имеет более одного ядра, Blender использует это преимущество и одновременно визуализирует столько тайлов (тайл - небольшие изображения одинаковых размеров, которые и служат фрагментами большого изображения), сколько ядер (см. рис. 2, оранжевые квадраты).
Разработанный метод распределённого рендеринга на основе вычислительного кластера может выполнять рендеринг по сети отдельных сложных изображений, для рендеринга которых на одном компьютере в противном случае потребовались бы часы времени. Повышение скорости рендеринга более или менее пропорционально количеству доступных компьютеров, если они имеют одинаковую производительность и количество ядер. Но что ещё более важно: благодаря доступным тестам скорости и настройкам можно использовать комбинацию компьютеров с различной производительностью, не позволяя менее производительным компьютерам задерживать рендеринг, или когда один или несколько компьютеров бездействуют, а другие всё ещё работают.
В методе распределённого рендеринга Blender на основе вычислительного кластера вертикальные полосы изображения назначаются отдельным компьютерам для рендеринга после того, как тест производительности определяет относительную производительность компьютеров. Наилучший вариант, когда графические изображения (и все области изображения) имеют одинаковый уровень сложности. Простой тест скорости процессора с плавающей запятой, за которым следует рендеринг, распараллеленный в вычислительном кластере на основе результата теста, покажет, что все компьютеры будут работать более или менее одновременно. В этом случае изображение разбивается на столько вертикальных полос, сколько есть участвующих в рендеринге компьютеров, и на-
Рис. 3. Конфигурация сетевого рендеринга после теста скорости 1 и 2 (отрегулированная ширина полосы изображения)
значается по одной полосе каждому компьютеру.
Вышеупомянутая схема назначения сетевых ресурсов могла бы работать нормально, если бы все компьютеры в сети были идентичны, имели одинаковую скорость доступа и если бы сложность изображения была одинаковой по всей области изображения. Но ни то, ни другое вряд ли будет в реальности, поэтому в методе распределённого рендеринга на основе вычислительного кластера выполняются два вида тестов скорости для более эффективного распределения сетевых ресурсов.
Второй вид теста скорости использует небольшой размер конкретного целевого изображения (с минимальными настройками) для проверки скорости сети перед рендерингом изображения (с максимальными настройками).
Тест скорости 1: производительность компьютера.
Тест производительности компьютера ставит перед каждым компьютером задачу выполнить
длинную последовательность операций с плавающей точкой и подводит итоги. Тест скорости вычисляет и сохраняет профиль сети на основе этого результата, который назначает больший объём работы более производительным компьютерам.
Тест скорости 2: скорость рендеринга изображения.
Тест скорости рендеринга изображения использует уменьшенную версию изображения для тестирования сетевых компьютеров таким образом, чтобы принять во внимание как производительность компьютера, так и специфические особенности изображения, которое нужно визуализировать. Это наиболее точный тест, но он требует, чтобы пользователь создал уменьшенную версию изображения, которая будет визуализирована в полном масштабе.
Имея под рукой результаты теста скорости, создаётся профиль скорости сети: в тесте скорости 1 самым производительным компьютерам назначается более
широкая полоса изображения, а в тесте скорости 2 учитываются как производительность компьютера, так и сложность изображения (см. рис. 3).
В Вольском военном институте материального обеспечения преподавателями кафедры и курсантами ВНИГ создано программное обеспечение для ускорения рендеринга одного изображения с использованием метода распределённого рендеринга на основе вычислительного кластера и получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Программное обеспечение позволяет создавать вычислительный кластер, содержащий любое количество компьютеров с ОС AstraLinux. Установка на компьютеры программного обеспечения происходит автоматически. Помимо разработанной программы дополнительно устанавливаются все необходимые дополнительные пакеты без привлечения установочного диска с ОС AstraLinux. Кроме того, программа позволяет удалённо включать и выключать необходимые компьютеры для осуществления сетевого рендера с головного компьютера.
Разработанное программное обеспечение применяется курсантами на занятиях при выполнении курсового проектирования
столовой воинской части в рамках изучения дисциплины «Технологические сооружения» для создания альбома типовых решений столовой воинской части, содержащего фотореалистичные изображения, при этом для создания вычислительного кластера используются не занятые в это время компьютеры локальной вычислительной сети нашего института.
Разработанное программное обеспечение демонстрировалось в выставочной экспозиции, приуроченной к празднованию Дня Тыла Вооружённых Сил в Атриуме 3 Дома Национального центра управления обороной Российской Федерации. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Горин, Д. В., Диянов, Я. С., Пестов, В.А. Ускорение рендеринга в 3D-Blender с использованием технологии распределённого рендеринга на основе вычислительного кластера для ОС AstraLinux. Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и пути развития энергетики, техники и технологий» (23 апреля 2020 года). - М.: НИЯУ МИФИ; Балаково: БИТИ НИЯУ МИФИ, 2020.
2. Технологическое проектирование столовых воинских частей:
учеб. пособие / под ред. канд. воен. наук, доц. Рихеля С. Г. - Вольск: ВВИМО, 2018. 242 с.
3. Бобков, ВА., Кудряшов, А. П. Воксельный метод построения триангуляционной поверхности по множеству видов // Информатика и системы управления, 2012. № 2. С. 31-38
4. Варфоломеев, ВА, Гуцу, O JI. Вычислительные кластеры: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Высокопроизводительные вычислительные системы железнодорожного транспорта».- М.: ИИТ, 2014. 35 с.
5. Клименко, В. П., Ледян-кин, Ю. Я. Вычислительные системы. Тенденции развития архитектуры гетерогенных структур // ММС, 2013. № 2. С. 19-31.
6. Wikipedia Foundation, Inc [Электронный ресурс]: Рендеринг -https://ru. wikipedia. org/wiki/Рен-деринг
7. Wikipedia Foundation, Inc [Электронный ресурс]: Кластер -https://ru. wikipedia. org/wiki/Кла-стер_(группа_компьютеров)
8. ITKN. RU Информационные технологии и коммуникации [Электронный ресурс]: Вычислительные кластеры, кластер для расчёта трёхмерных моделей и сцен - http://www. itkn. ru/ solutions/clusters.
НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
А.А. Чернослихов, Е.Г. Аккуратов, В.А. Коробов «Медицинское обеспечение»
В учебнике систематизированно изложены основы медицинского обеспечения частей и подразделений, задачи и организация медицинской службы ВС РФ, формы и методы организации медицинского обеспечения частей и подразделений в мирное и военное время. Подробно рассмотрены способы и методы оказания раненым и больным первой медицинской помощи при различных ранениях и поражениях на поле боя с помощью табельных средств индивидуальной медицинской защиты и подручных средств.
