呂紫源

（中北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西太原 030000）

三維動畫造型已成為影視、游戲等娛樂產(chǎn)業(yè)的核心部分，然而，其制作成本高、周期長，使得資源共享成為一項重要挑戰(zhàn)。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的共享可以為用戶更加廣泛利用資源提供了極大的便利，也提升了資源利用率。在三維動畫造型資源中，將資源信息化、共享化，可以提高學(xué)習(xí)和工作效率，促進該領(lǐng)域進入到新的形態(tài)[1]。

區(qū)塊鏈技術(shù)以去中心化、透明化和不可篡改的特性[2]，為三維動畫造型資源的共享提供了新的解決方案。文中旨在構(gòu)建一個自動化的、透明的、安全的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的三維動畫造型資源共享系統(tǒng)，提高資源使用效率。期望通過這個系統(tǒng)，實現(xiàn)三維動畫造型資源的最大化利用，推動產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1 三維動畫造型資源共享系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計三維動畫造型資源共享系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)

系統(tǒng)由應(yīng)用層、用戶層、區(qū)塊鏈信用層和數(shù)據(jù)層組成，其中，區(qū)塊鏈信用層包含的資源引入模塊、資源傳輸模塊和資源投放模塊以及數(shù)據(jù)層的共享資源庫模塊是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

資源引入模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源管理、定時任務(wù)設(shè)置、數(shù)據(jù)拉取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與過濾、數(shù)據(jù)存儲以及錯誤處理與日志記錄等功能。資源傳輸模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議選擇、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮、數(shù)據(jù)分片與重組、傳輸速率控制、錯誤處理與重傳機制、進度跟蹤與日志記錄。資源投放模塊是系統(tǒng)中負責(zé)將可共享的資源從資源庫中提供給用戶的模塊。該模塊具有資源查詢與篩選、資源預(yù)訂與申請、資源狀態(tài)管理、投放協(xié)議與合同管理、請求響應(yīng)與通知、使用反饋與評價功能。數(shù)據(jù)層的共享資源庫模塊是負責(zé)存儲和管理所有可共享資源的模塊。該模塊具有資源信息錄入與更新、資源分類與標簽管理、資源狀態(tài)管理、資源權(quán)限控制、數(shù)據(jù)存儲與備份功能，為系統(tǒng)提供了存儲和管理所有資源的基礎(chǔ)，保證資源的有效管理和共享。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 資源處理器

資源共享系統(tǒng)會將網(wǎng)絡(luò)中的純文本、動畫造型仿真、音視頻數(shù)據(jù)等三維動畫造型資源進行整合和多源讀取，從而實現(xiàn)資源共享過程。因此，在系統(tǒng)硬件中，首先設(shè)計一個系統(tǒng)資源處理器，目的是將本地端資源和外域資源進行統(tǒng)一匯總處理。該系統(tǒng)中選用的資源處理器型號為S3C6410，基于ARM 架構(gòu)，得到的資源嵌入式處理器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。圖2 中，整個資源處理器中共包含兩個128 MB 的移動式內(nèi)存器，同時該內(nèi)存器內(nèi)部自帶256 MB 的FLASH 閃存，可支持大規(guī)模數(shù)據(jù)接入；將閃存芯片工作頻率設(shè)置為其額定頻率（70 MHz），并在芯片接口處利用32 位的DMX512 控制總線將其與Geforce8 芯片分別與時鐘電路的正向端和負向端相連，以起到掉電保護作用；利用S3C6410芯片中的運算放大器放大內(nèi)存器內(nèi)部的衰減信號，保證資源數(shù)據(jù)的完整度；為控制資源數(shù)據(jù)的傳輸進程，將處理器上的三個引腳與放大器的I/O 引腳相連，并達到保護資源處理器的目的[3]。當系統(tǒng)資源處理器接收到的資源來自多個外域系統(tǒng)時，嵌入式處理器的外接顯示設(shè)備上的負載功率會出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，為此，采用矩形USB 接口和SD 卡接口來平衡負載功率；將高速USB 接口、SD 卡接口以及主機接口分別與接口板的三個端口連接，在接口板剩余的接口處均設(shè)置八位模式的MMC 控制器。網(wǎng)絡(luò)模塊采用的是自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，參數(shù)速率高達1 000 MB/S，通過其自身附帶的以太網(wǎng)控制器，將網(wǎng)絡(luò)中各項三維動畫轉(zhuǎn)型資源進行整合并儲存[4]。

圖2 嵌入式資源處理器硬件結(jié)構(gòu)

FPGA 芯片內(nèi)置20 kB 邏輯單元，用于控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)部的主動配置電路如圖3 所示。在FPGA 芯片配置電路中，控制AS 接口與EPCS4 配置芯片串聯(lián)后直接連接到FPGA 芯片的TCK、DTO 以及TMS 接口上，作為備用控制電路。

圖3 FPGA芯片配置電路

1.2.2 資源數(shù)據(jù)輸入輸出電路

在資源嵌入式處理器的控制下，在系統(tǒng)硬件部分設(shè)計了資源數(shù)據(jù)傳輸接口電路板，用于實現(xiàn)資源的傳輸功能?；赨SB 接口配置，根據(jù)處理器各芯片的功能特點，以電流在處理器中的返回路徑最近的原則，利用S/R2 接口兩端異步引腳與FPGA 芯片并聯(lián)，形成接口電路板，控制FPGA 芯片的輸出電壓[5]。在USB 接口和S/R2 接口之間設(shè)置電平轉(zhuǎn)換器，將兩個接口間的電平保持一致。同時，遵循線路等長原則，利用蛇形走線的方式對硬件接口連接電路進行整合。經(jīng)過上述設(shè)計與處理，完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 資源引入模塊

資源引入模塊采用拉模式資源引入方式，即定時從其他數(shù)據(jù)源系統(tǒng)拉取所需數(shù)據(jù)成功返回后生成本地資源庫的過程。首先系統(tǒng)根據(jù)實際需求對資源進行分類，進而將除本地端之外的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)，按需接入不同網(wǎng)關(guān)以實現(xiàn)資源共享，并存儲成統(tǒng)一資源模型落庫[6]。三維動畫轉(zhuǎn)型資源分類情況如表1所示。

表1 三維動畫造型資源分類表

設(shè)計師通過自身權(quán)限將資源上傳至網(wǎng)站，當系統(tǒng)審核數(shù)據(jù)無誤后，上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)向其他系統(tǒng)發(fā)起資源引入請求，請求包括資源類別、數(shù)量、大小等信息。當測試數(shù)據(jù)源連接狀態(tài)正常時，以Schduel 提供的API 注冊定時任務(wù)，注冊完畢后，Scheduel 以注冊任務(wù)時設(shè)定的cron 表達式定時對數(shù)據(jù)源系統(tǒng)發(fā)起調(diào)用，對于場景下的記錄信息，統(tǒng)一暫存至配置平臺DRM 中，當構(gòu)建下一次請求參數(shù)時按需取用[7]。為了提高其他資源系統(tǒng)接入時的便利性，需要資源引入代碼具有較高的擴展性。在構(gòu)建請求參數(shù)過程中，要對不同資源數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的資源傳輸接口，該系統(tǒng)利用工廠模式和策略模式對不同處理器間接口進行創(chuàng)建[8]。syncResource 方法用于實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)引入，buildl mportContext主要用于資源構(gòu)建并引入上下文，通過getProcessor 從靜態(tài)工廠和動態(tài)策略中取出數(shù)據(jù)引入執(zhí)行器，并采用preExcute 來判斷是否所有感知到的資源數(shù)據(jù)都存入到引入上下文中的參數(shù)Map中，保留新增資源，對重復(fù)資源進行比較后予以刪除，然后利用excute 程序完成實際引入并獲取外域資源的過程，在此期間，根據(jù)資源類別信息對設(shè)定的參數(shù)邏輯進行調(diào)整，最后通過EcoResourceRepository將引入的資源數(shù)據(jù)批量落庫。

1.3.2 基于區(qū)塊鏈的資源傳輸模塊

區(qū)塊鏈技術(shù)有著大帶寬、低時延、支持海量接入等優(yōu)勢，可有效提高系統(tǒng)資源傳輸性能。根據(jù)系統(tǒng)的基本功能，利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計的傳輸模塊主要包括端、管、云三部分[9]，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在傳輸模塊的“端”部分，主要將引入的資源進行整合和實現(xiàn)遠程控制；“管”是該模塊的核心部分，主要是資源傳輸?shù)耐ǖ?，利用切片技術(shù)根據(jù)資源類別進一步細分為具有不同資源側(cè)重能力的子通道，并在承載之間形成隔離[10]。系統(tǒng)根據(jù)不同資源類別和需求，選擇對應(yīng)的切片服務(wù)，從而保證系統(tǒng)終端與控制系統(tǒng)之間高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；“云”部分主要是負責(zé)初步管理系統(tǒng)資源，包括資源切片、資源計算和統(tǒng)計分析等，可根據(jù)不同共享需求，靈活分配系統(tǒng)資源庫的資源，實現(xiàn)資源高效利用。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的資源傳輸模塊結(jié)構(gòu)

1.4 資源投放模塊

資源投放模塊主要實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層資源對用戶投放的功能。在資源傳輸基礎(chǔ)上，對資源進行取出、規(guī)則功率以及展位渲染操作。資源投放時序圖如圖5 所示。傳輸模塊將資源傳輸?shù)酵斗拍K的資源層，當系統(tǒng)發(fā)出資源對用戶投放請求時，首先在資源層取出投放所需要的基礎(chǔ)資源層資源，包括案例、文獻、元素、音視頻、效果等動畫資源，對以上資源進行拼裝后，此時展位中已有資源數(shù)據(jù)，然后按需將各類資源參照過濾規(guī)則進行過濾，包括標題、關(guān)鍵字、作者、上傳時間、文本類型、瀏覽次數(shù)以及擴展性信息等[11]。完成過濾后，系統(tǒng)接入SmartEngine程序，對資源進行編排，需要在解析數(shù)組中配置編排對應(yīng)的方法，流程配置過程中標注各原子能力，同時在資源層中利用@Activity 標識以系統(tǒng)能力的原子，在SOFA 運行加載期間，系統(tǒng)會優(yōu)先啟動WorkFLowServiceTemplate 程序?qū)Y源進行掃描加載解析數(shù)組文件，并根據(jù)標注能力屬性值將各流程串聯(lián)起來，則調(diào)用此編排方法時，就依據(jù)流程編排的順序依次調(diào)用各原子能力[12]。完成對資源的過濾編排后，此時展位中的資源即為需要投放到共享資源庫中的資源。

圖5 資源投放時序圖

1.5 共享資源庫模塊

資源投放完畢后，根據(jù)不同用戶需求，對資源的屬性進行劃定，將相同屬性的資源整合在一個公共共享資源庫專區(qū)，實現(xiàn)資源共享[13]。由于系統(tǒng)中的資源數(shù)據(jù)來源不同，所以資源格式也不一致，因此需要將所有陣元轉(zhuǎn)換為特定類型，統(tǒng)一格式，構(gòu)建資源子模式。將生成的子模式作為共享資源庫與資源投放端的連接通信，匯總和整合接口處的資源數(shù)據(jù)，組建資源集合A，由此可以將資源傳輸函數(shù)表示為：

式中，s表示陣元傳輸時間；Q表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量；ω表示緩沖參數(shù)。

根據(jù)上述資源數(shù)據(jù)的傳輸過程，假設(shè)相同硬件結(jié)構(gòu)對每次傳入的資源數(shù)據(jù)的敏感度均相同[14]，因此，引入屬性參數(shù)r，可將參數(shù)的數(shù)量關(guān)系表示為：

式中，e11和e21分別表示在不同時刻下的資源數(shù)據(jù)傳輸量；a11表示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的敏感度參數(shù)，由此形成的資源屬性模式可表示為：

式中，uk表示資源穩(wěn)定參數(shù)；vk表示資源傳輸?shù)钠骄俣?；j表示傳輸延遲參數(shù)；κ表示系統(tǒng)對資源的敏感度；E表示資源首次傳輸?shù)臅r間；p表示資源屬性因子。

在不同資源傳輸時間控制下，將上述資源的各屬性參數(shù)進行標準化處理[15]，以統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)格式，標準化計算公式為：

式中，f表示資源數(shù)據(jù)傳輸頻率；T表示系統(tǒng)運行周期。

根據(jù)式（4），可得到資源屬性參數(shù)隨資源傳輸頻率變化的曲線，將傾向中最小振幅頻率作為屬性劃分分界點，即可實現(xiàn)對資源屬性的劃分。

根據(jù)資源屬性劃分，將三維動畫造型資源劃分為上傳共享、下載共享和輸出共享三個功能模塊，具體功能及操作流程如圖6 所示。系統(tǒng)中的共享資源庫模塊為更好地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共享共建，將來源不同的豐富優(yōu)質(zhì)資源進行分門別類并組織在公共共享資源庫專區(qū)，便于用戶根據(jù)自身需求隨時查詢所需資源[16]。在該模塊中，還設(shè)置了資源審核模塊，該模塊主要負責(zé)維護和優(yōu)化共享資源庫，負責(zé)對上傳入庫的資源進行審核，判斷資源是否符合入庫以及共享的要求。資源共享系統(tǒng)中的所有用戶均具有相互間獨立的資源使用權(quán)限，在現(xiàn)在共享功能中，只要輸入自己的賬號和密碼，即可下載感興趣的資源，同時，使用者也可以將自己的作品上傳到系統(tǒng)資源庫中，審核無誤后，即為共享資源。系統(tǒng)后臺調(diào)用數(shù)據(jù)庫代理服務(wù)器用于資源讀取，利用FTP 服務(wù)器進行資源的上傳和下載操作。

圖6 資源共享庫功能劃分及操作流程

2 系統(tǒng)的性能測試與分析

在系統(tǒng)整個設(shè)計以及研發(fā)過程中，需要對系統(tǒng)的現(xiàn)有功能進行測試，以驗證系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，根據(jù)前文研究實際的資源共享系統(tǒng)，設(shè)置系統(tǒng)仿真測試環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

2.1 實驗準備

實驗測試的仿真環(huán)境在阿里云搭建Apache+PHP 平臺，編程技術(shù)采用.NET 框架+C#語言+WinForm 技術(shù)，在局域網(wǎng)的控制下，共計申請10 臺服務(wù)器作為資源共享用戶訪問裝置，操作系統(tǒng)均為CentOS7.1。從內(nèi)部集群中的部署來看，選擇服務(wù)器集群中的四個節(jié)點為主節(jié)點，其余為副節(jié)點。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫使用ACCESS 以及Oracle。10 臺服務(wù)器上均配置了CIoudEngine 容器化技術(shù)，為其他資源系統(tǒng)的接入提供了極大的便利。在測試環(huán)境相關(guān)參數(shù)控制下，將三臺服務(wù)器連接到局域網(wǎng)中，對其進行調(diào)試，檢測服務(wù)器的運行狀態(tài)。部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，基于Apache2.0 協(xié)議開源，采用Ganache-cli:v6.6.0 以太坊節(jié)點仿真器和React: v16.5.2 前端框架，其中以太坊APT 的開發(fā)工具為Web3:v1.0.0-beta34，且容器之間相互獨立，無需外部接口即可實現(xiàn)虛擬化。另外，測試環(huán)境中還需要Hyperledger Fabric 源碼將資源數(shù)據(jù)編碼成二進制數(shù)組，這些二進制數(shù)組可以通過源碼編譯形成，為了簡化測試流程，利用git 源碼庫，將其內(nèi)部的源碼直接拉取出來，由git 源碼庫編譯出的二進制數(shù)值可直接調(diào)用，并讀取配置文件，在系統(tǒng)啟動時起作用。上述所選擇的環(huán)境工具均為目前較為穩(wěn)定的版本，兼容性較高，可保證測試過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定開發(fā)和運行。

2.2 測試說明

基于上述測試準備，在系統(tǒng)的性能測試部分，文中利用區(qū)塊鏈創(chuàng)建資源，在Fabric 區(qū)塊鏈中，資源在數(shù)據(jù)庫中以鍵值對的形式存在，以資源id 信息為鍵將資源分布存入共享庫中，并將資源分為數(shù)據(jù)模型、基礎(chǔ)信息和擴展信息。三維動畫造型資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 三維動畫造型資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對資源數(shù)據(jù)的屬性進行劃分，在資源屬性基礎(chǔ)上，用戶進行請求資源共享操作。利用資源植入代碼將資源植入到系統(tǒng)資源庫中，在資源植入過程中，為避免出現(xiàn)由于系統(tǒng)資源庫拼接不完整而產(chǎn)生資源丟包現(xiàn)象，加入服務(wù)器補包程序，當系統(tǒng)感知到丟包時，會向資源庫發(fā)送丟包請求，得到響應(yīng)后等待接收補包數(shù)據(jù)，并將新資源數(shù)據(jù)插入到原數(shù)據(jù)隊列，從而保證資源庫中數(shù)據(jù)的完整性。

2.3 資源搜索效率

通過以上實驗環(huán)境部署和數(shù)據(jù)準備，對系統(tǒng)資源上傳、瀏覽、查詢以及下載等操作進行多次測試，最終選取10 次實驗平均值進行結(jié)果分析。分別采用基于大數(shù)據(jù)的資源共享系統(tǒng)(系統(tǒng)1)和基于混合云平臺的資源共享系統(tǒng)(系統(tǒng)2)與文中設(shè)計的資源共享系統(tǒng)開展資源搜索效率測試。測試中利用對系統(tǒng)的不同操作和所用時間的關(guān)系來評價系統(tǒng)資源搜索效率。為保證測試結(jié)果的公平性，三種系統(tǒng)均在統(tǒng)一局域網(wǎng)且所用資源大小都相同，對比結(jié)果如圖8 所示。分析圖8 可知，在不斷增加資源共享系統(tǒng)的搜索次數(shù)時，三種系統(tǒng)的搜索時間均有不同程度變化。當搜索次數(shù)超過8時，系統(tǒng)1表現(xiàn)出的搜索時間最長，最終搜索時間為2.7 s 左右，系統(tǒng)2 最終搜索時間大約為1.3 s，而文中設(shè)計的資源共享系統(tǒng)的搜索時間最短，最終搜索時間數(shù)值在0.3 s 左右，且隨著搜索次數(shù)的增加，其搜索時間并不呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢，由此可以證明，文中設(shè)計的資源共享系統(tǒng)的資源搜索效率較高。

圖8 資源搜索效率對比結(jié)果

2.4 共享丟包率

設(shè)定每2 min 發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，指定相應(yīng)的共享目標，將四個測試小組分別用來對50個、100個、150個和200 個資源數(shù)據(jù)包進行測定和分析，并按順序逐次分享給100 名用戶。記錄數(shù)據(jù)共享前的數(shù)據(jù)包大小和共享完成后用戶收到的數(shù)據(jù)包，計算丟包率，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 共享丟包率對比結(jié)果

分析圖9 可知，通過不同數(shù)量的資源數(shù)據(jù)包共享，測得不同系統(tǒng)的丟包率。系統(tǒng)1 的丟包率達到4.8%，系統(tǒng)2 的丟包率達到3.5%，而文中系統(tǒng)的資源共享丟包率均較好的控制在了1.5%以下，表明該系統(tǒng)在運行的過程中，共享的精準度高、誤差小，具有實際的應(yīng)用價值。

2.5 并發(fā)用戶數(shù)

以CPU 占用率達到80%為系統(tǒng)最大負載標準，逐漸增加用戶數(shù)量，驗證不同系統(tǒng)提供的最大并發(fā)用戶數(shù)，結(jié)果用圖10 描述。由圖10 可知，系統(tǒng)1 和系統(tǒng)2 的最大并發(fā)用戶數(shù)分別為248 和212 個，而文中系統(tǒng)最大并發(fā)用戶數(shù)為307 個，可承載較多的并發(fā)用戶數(shù)，表明文中系統(tǒng)的承載性良好。

圖10 并發(fā)用戶數(shù)對比結(jié)果

2.6 資源利用率

在上節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，驗證不同系統(tǒng)對不同大小的資源數(shù)據(jù)包共享的資源利用率，結(jié)果如表2 所示。由表2可知，通過不同數(shù)量的資源數(shù)據(jù)包共享，系統(tǒng)1的資源利用率平均為85.75%，系統(tǒng)2的資源利用率平均為89.25%，而文中系統(tǒng)的資源利用率平均為97%，表明文中系統(tǒng)可以全面、完整地共享資源，通過系統(tǒng)中的各個模塊的協(xié)同工作，用戶可以便捷地搜索、預(yù)訂和使用各種資源，從而實現(xiàn)資源的最大化利用和共享。

表2 資源利用率對比結(jié)果

3 結(jié)束語

三維動畫造型資源自動共享系統(tǒng)是當前的研究熱點，針對當前三維動畫造型資源共享系統(tǒng)存在高時延，數(shù)據(jù)傳輸和資源搜索效率低等難，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的三維動畫造型資源共享系統(tǒng)。首先設(shè)計了三維動畫造型資源自動共享系統(tǒng)的總體框架，并設(shè)計系統(tǒng)資源處理器和資源輸入輸出技術(shù)，然后利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了系統(tǒng)的資源傳輸模塊，結(jié)合資源引入模塊、資源投放模塊和共享資源庫模塊構(gòu)成資源共享系統(tǒng)，最后對三維動畫造型資源自動共享系統(tǒng)的性能進行了測試，結(jié)果表明，文中系統(tǒng)較好地解決了當前三維動畫造型資源自動共享系統(tǒng)存在的問題，大幅度提升了資源利用率，資源搜索效率也得到明顯改善。