Clusterización de alto desempeño en la actividad de Diseño y Arquitectura. High performance clustering activity Design and Architecture.

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1 Revista de Arquitectura e Ingeniería E-ISSN: melena-torrensp@empai.co.cu Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería de Matanzas Cuba Tárano León, Shouddy Clusterización de alto desempeño en la actividad de Diseño y Arquitectura. Revista de Arquitectura e Ingeniería, vol. 7, núm. 1, abril, 2013, pp. 1-7 Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería de Matanzas Matanzas, Cuba Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 Clusterización de alto desempeño en la actividad de Diseño y Arquitectura. High performance clustering activity Design and Architecture. Ing. Shouddy Tárano León Ingeniero Informático, Administrador de la Red Empresa de Proyectos para Industrias Varias, EPROYIV La Habana. Cuba Teléfono: shouddy@eproyiv.cu Recibido: Aceptado: RESUMEN: La utilización de tecnologías libres y código abierto permite desplegar un clúster de renderizado que apoya en la calidad visual de los modelos 3D con elevado impacto foto-realista. La primera condicionante en el diseño es la hibridación de plataformas que el clúster debe soportar y como segunda condicionante basar los nodos de procesamiento en computadoras convencionales. Se analizan las ventajas de la solución, en contraposición con el método clásico de empleo de la estación de trabajo del modelador 3D para el proceso de renderizado. Esto ha brindado la posibilidad de una nueva línea de trabajo en la empresa donde se despliega el clúster objeto de este trabajo. A partir de un análisis de las capacidades instaladas y el empleo racional de los recursos, se logra un impacto positivo tanto en la calidad de los productos finales como en el flujo de trabajo de los diseñadores y artistas digitales. Palabras clave: Renderizado, Modelación 3D, Código abierto, Software libre, Clúster híbrido. ABSTRACT: The use of Free Software and Open Source technologies allow to deploy a render cluster for supporting the visual quality of 3D models with a high photo-realistic impact. The first design condition was the platform hybrid nature of the processing nodes and as the second characteristic was that those nodes consisted in conventional computers. This paper analyzed the advantages of this solution versus the classic method of rendering in the modeler's workstation. The organization that built this cluster has opened a new line of work thanks to the current processing capacities. An appropriated study of resources use gives a positive impact in quality of final products as well as in the work-flow's organization of modelers and digital artists. Keywords: Rendering, 3D modeling, Open source, Free software, Hybrid cluster. Introducción: Renderizado (render en inglés) es un término usado en informática para referirse al proceso de generar una imagen desde un modelo tridimensional i. Este término técnico es utilizado por los animadores o productores 1

3 audiovisuales y en programas de diseño en 3D como Autodesk 3D Studio Max, Maya o Blender (ver Ilustración 1). Este proceso presenta un especial interés en el ámbito de la Realidad Virtual pues gracias a ello, se logra que un modelo construido mediante cualquier aplicación de Diseño Asistido por Computadora Ilustración 1: Construcción de un modelo 3D usando un software CAD/CAM, fuente Evermotion Archinteriors (en lo adelante CAD) o Modelación Asistida por Computadora (en lo adelante CAM), formado por entidades geométricas fundamentales; pueda visualizarse más tarde en una imagen de elevado foto realismo (ver Ilustración 2). Las fórmulas involucradas en el renderizado ocupan un espacio perenne en la mesa de análisis tanto en las ciencias puras, como en las aplicadas. Los aportes que el avance del conocimiento y las tecnologías brindan a la representación de la realidad por medio de las computadoras; arrojan como resultado, modelos matemáticos complejos de alto costo computacional. La renderización es un proceso de cálculo intensivo y dedicado desempeñado por uno o varios ordenadores destinados a generar una imagen 2D a partir de una escena 3D. La traducción más fidedigna es interpretación, aunque se suele usar el término inglés. Así podría decirse que en el proceso de renderización la computadora interpreta la escena en tres dimensiones y la plasma en una imagen bidimensional i. Ilustración 2: Renderizado del modelo construido en la Ilustración 1 2

4 Dentro de las aplicaciones del render, se encuentran: el arte digital, la representación virtual de elementos industriales que aún no se han construido como automóviles, piezas y partes, recreación de interiores y cualquier otro campo que necesite de la representación gráfica de algún objeto, fenómeno o proceso que demande el mayor realismo posible basado en las capacidades de cómputo con que se cuente. En la Empresa de Proyectos para Industrias Varias (EPROYIV) se desarrolla la actividad de realización, comprendiendo esta las labores relacionadas con el diseño de interiores y sus modalidades de proyectos: Ideas conceptuales Proyecto básico Proyecto Ejecutivo Estos requieren de la proyección de diseño de espacios habitacionales; existentes o no, a partir de herramientas informáticas del tipo DAC y el posterior proceso de presentación al cliente de un dossier de imágenes foto-realistas a partir del render de esas escenas 3D. Es en este momento que se explotan los aspectos arquitectónicos y de diseño en la combinación de materiales, luz y colores de cada uno de los componentes de la escena propuestos por los especialistas a fines con este tipo de trabajo. La plataforma computacional que estos trabajos requieren es alta en cuanto a prestaciones en las estaciones de trabajo. Para que los programas a emplear funcionen adecuadamente, sin detrimentos de tiempo o calidad en el proceso de proyección, se demanda de valores elevados en cuanto a capacidades de memoria RAM, tarjeta de video y microprocesador. Esto se debe a que la lógica de la representación gráfica, necesita de un cálculo intensivo y de tiempos de respuesta cortos en pos de la productividad y la eficiencia de la labor de modelado. No obstante no es hasta el proceso de render que se hace evidente que una foto-realismo elevado, implica directamente su correspondiente costo en programas y hardware. Sumado a lo anterior se debe tener en cuenta que actualmente la diversidad de aplicaciones que usan los diseñadores, ya no sólo está enmarcada por las versiones de los programas que se ejecutan en la familia de sistemas operativos de Microsoft ii. Estos, como la mayoría de los usuarios, tienen ante sí aplicaciones que se encuentran en otros sistemas como los de la firma Apple iii y los más intrépidos han decidido migrar hacia la independencia tecnológica y la libertad fuera de las patentes y licencias de uso, empleando para sus computadoras el sistema operativo GNU/Linux iv. Aunque se ha priorizado la asignación de computadoras con las mejores prestaciones posibles para el diseño de interiores y paisajismo, estas no suplen eficientemente las exigencias del trabajo con 3D. El momento de render en la estación del diseñador impide el trabajo simultáneo con otros programas impidiéndose la utilización del equipo durante el tiempo que demore el proceso, este trabajo pretende ofrecer la solución al proceso de renderizado por medio de un modelo de computación distribuida v. La limitación del render se ha evidenciado tanto fuera como dentro del país. Para un equipo de diseñadores, sujeto a plazos de entrega muy estrictos, el hecho de no poder disponer de las máquinas mientras las imágenes se generan implica un coste elevado, tanto en recursos como en calidad vi. A veces los tiempos de procesamiento entran en conflicto y se superponen con los tiempos efectivos de modelado. O no es suficiente el tiempo físico restante para completar el render de todos los marcos de imagen del proyecto. vii Este trabajo tiene como objetivo presentar los resultados, sobre la base del diseño de un cluster híbrido de computadoras para la solución del proceso de render de los proyectos de realización 3D en la EPROYIV. Métodos y materiales: Para la construcción de este clúster de computadoras híbrido se procedió a la selección de los medios de cómputo que intervendrán en el mismo, así como los dispositivos de interconexión necesarios. Es importante destacar que todos los artefactos empleados son computadoras y medios convencionales que, como norma; se encuentran en cualquier entidad dedicada a proyectos, se recomienda identificar los requerimientos de memoria RAM y procesador para los nodos integrantes del cluster, ver Tabla 1. La capacidad de estos nodos de soportar a la vez múltiples sistemas operativos viene dada por la posibilidad que brindan las técnicas de virtualización viii, las cuales permiten dado una computadora personal física, desplegarla en múltiples computadoras virtuales. Las técnicas de virtualización son varias viii,ix, no obstante dado lo encontrado en el estado del arte, este estudio se centró en implementar la virtualización a partir de la técnica de virtualización completa pero en ejecución nativa x,xi, característica presente en los procesadores actuales la cual reduce considerablemente la diferencia entre las llamadas del sistema 3

5 En la tabla a continuación se detallan esas características dependientes del microprocesador. Recurso Características Observaciones Memoria RAM 4 GB La RAM estará condicionada por cuánto se le asignará a cada máquina virtual dentro del nodo físico + 1 GB del sistema anfitrión Microprocesador Intel: 2 núcleos o más Se recomienda que estos soporten tecnología Vanderpool xii AMD: 2 núcleos o más Se recomienda que estos soporten tecnología Pacífica xii Tabla 1: Relación básica de la infraestructura de Hardware para un nodo de procesamiento Entorno de aplicaciones Cada nodo anfitrión se instaló con el sistema operativo Centos 5.5 xiii de 64 bits sobre un hardware que soporta tecnología Vanderpool debido al Microprocesador Intel E-2180 en su arquitectura. Otra observación fue la inclusión de 2 tarjetas de Red adicionales las cuales corresponderán a las diferentes conexiones que, según exigencias de cada aplicación a clusterizar, se requerirán. De disco duro se empleó un Fujitsu de 160 GB Los nodos virtuales se concibieron con los siguientes requerimientos semejantes a la PC de un especialista de diseño: RAM = 1,5GB, HDD = 20 GB, No. Procesadores = 2 El primer nodo se le instaló un Centos 5.5 de 64 bits y en otro un Windows XP de 64 bits también. La aplicación que se empleó para el render distribuido en los nodos virtuales Centos fue DrQueue xiv. Esta aplicación permite montar un clúster de renderizado con cola de administración de trabajos que los usuarios pueden enviar a través de una interfaz Web como se muestra en la Ilustración 3 e Ilustración 4 a continuación. Este entorno es propicio para el empleo de la aplicación Blender xv y sus respectivos motores de renderizado. Ilustración 1: Entrada a la aplicación DrQueue Ilustración 2: Manejo de la cola de trabajos por usuario Para las aplicaciones de MS Windows como 3D Studio, Maxwell Render, Maya y Adobe Premiere se emplearon las propias colas que traen las mismas. Las mediciones que se muestran a continuación son casos prácticos del desempeño de las mismas en la infraestructura del clúster. 4

6 En la Ilustración 5 se muestra la interconexión de los nodos respecto a la Red de Área Local de EPROYIV. Ilustración 3: Modelo de Conexión de los nodos del clúster Con este modelo de computación distribuida, se tiene que el especialista puede desarrollar su escena en 3D empleando el software de CAD establecido tanto para Microsoft Windows o GNU/Linux; y luego enviar múltiples tareas al clúster para su renderizado asimismo podrá contar con una plataforma adecuada y versátil para realizar varias pruebas en un corto plazo de tiempo antes de enviar el producto final al cliente sin que ello atente contra la operatividad de su estación de trabajo. Con la solución propuesta, se realizó una serie de comparaciones de 3 modelos en cuanto a tiempo de render en la PC del especialista contra el valor de tiempo con el empleo del clúster, los resultados se muestran a continuación. Ilustración 4: Vista de render del modelo 2 Ilustración 7: Vista de render del modelo 1 Ilustración 5: Vista de render del modelo 3 5

7 Resultados y discusión: Tabla 2: Tiempos de Render (minutos) por modelos, por entorno de renderizado, *No Medible, referente a que no se pudo determinar porque el proceso se abortó en la PC por falta de capacidad, se empleó un valor aproximado multiplicado por 3 el tiempo del clúster. Ilustración 6: Comparativa entre los modelos, por tiempo de render 200 Tiempos de Render Tiempos Tiempo en el Cluster (min) Tiempo PC especialista (min) Modelos Los resultados demuestran la factibilidad del proceso de render a partir de un clúster para el trabajo de renderizado en diseño y realización 3D. De esta manera los nodos de cálculo, liberan de esto a la PC del especialista, permitiendo a éste contar con la posibilidad de continuar trabajando en la estación de trabajo mientras la tarea es completada en el clúster. Esto permite un mejor aprovechamiento del tiempo y calidad en el renderizado al poder elevar los parámetros que representan los materiales en las superficies de los objetos 3D de la escena, así como una expansión de las capacidades de la PC del diseñador para permitir un despliegue más rico en la actividad de creación estética del lugar que se modela en cuestión. Conclusiones y Recomendaciones: Este trabajo demuestra la ventaja de la construcción de un clúster híbrido de computadoras para el renderizado de modelos tridimensionales. El empleo de la computación distribuida puede dar al traste con un uso más adecuado de los recursos que se tienen a mano en las entidades, así como la posibilidad de fomentar la modernización justificada y oportuna de estos en los lugares que realmente lo requieran a partir de conocer las características de la carga computacional demandada. 6

8 Referencias bibliográficas: i Renderizado o Renderización, disponible en URL: visitado 10/05/2011 ii Sitio oficial de la empresa Microsoft, disponible en URL: visitado 10/11/2012 iii Sitio oficial de la empresa Apple Computers, disponible en URL: visitado 10/11/2012 iv Sitio oficial del proyecto GNU, disponible en URL: visitado 09/09/2012 v Computación Distribuida, disponible en URL: visitado 29/05/2011 vi SummuS Render, Empresa dedicada a la Representación 3D, España, sitio disponible en URL: visitado 15/05/2010 vii Información de CAD, GIS y negocios relacionados, Chile viii Virtualización, disponible en URL: visitado 02/10/2012 ix García Diéguez, David y cols. Comparativa De Virtualización, Escola Superior de Enxeñería Informática x Xen and the Art of Virtualization, disponible en URL: xensosp.pdf, visitado 15/05/2010 xi Xen, Wikipedia, disponible en URL xii Virtualización x86, disponible en URL: visitado 02/10/2012 xiii Sitio oficial de la distribución Centos, disponible en URL: visitado en URL: 02/11/2012 xiv Wiki oficial de DrQueue, disponible en URL: visitado 02/10/2011 xv Blender Foundation, Sitio oficial de Blender, disponible en URL: visitado 02/11/2011 7