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摘要：虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，縮寫：VR）技術(shù)在教育領(lǐng)域中的科學(xué)運用帶來了一場教改風(fēng)暴，在提升教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)習(xí)興趣、降低教學(xué)成本等方面效果顯著。云VR技術(shù)方案大幅降低了部署和維護成本，加速了VR在教育領(lǐng)域的普及和應(yīng)用。從云VR業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計著手，分析了強交互VR業(yè)務(wù)和VR視頻業(yè)務(wù)的關(guān)鍵約束，提供相應(yīng)的解決方案和應(yīng)用場景，并通過案例論證云VR不同技術(shù)路徑的應(yīng)用范圍和價值，提升VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用可行性，加快實現(xiàn)利用VR技術(shù)為教育教學(xué)賦能的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；CloudVR；教育信息化；強交互業(yè)務(wù)；云VR視頻業(yè)務(wù)

0引言

云虛擬現(xiàn)實（簡稱：云VR）業(yè)務(wù)利用云GPU渲染和云服務(wù)器架構(gòu)提供的計算能力，5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延的特性能確保VR視頻流的穩(wěn)定傳輸和高精度圖像顯示，降低了對VR終端硬件計算能力的要求，從而能夠降低學(xué)校的應(yīng)用成本，減小本地的維護壓力，為教育信息化發(fā)展創(chuàng)造新的契機。多種多樣的VR教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式對提高學(xué)習(xí)成績、提升教學(xué)質(zhì)量、優(yōu)化教育體系都有著積極作用，使得傳統(tǒng)教育能基于技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。

1云虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方案架構(gòu)設(shè)計

虛擬現(xiàn)實的云化，即將云計算、云渲染的理念和技術(shù)引入到VR業(yè)務(wù)應(yīng)用中，借助高速穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)，將云端的圖像輸出和聲音輸出經(jīng)過編碼壓縮后傳輸?shù)接脩艚K端設(shè)備，實現(xiàn)VR業(yè)務(wù)內(nèi)容上云、渲染上云。云VR是VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳形態(tài)，它將產(chǎn)業(yè)的VR內(nèi)容聚合在一起，快速分發(fā)到大眾和垂直行業(yè)用戶。虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和5G網(wǎng)絡(luò)的日趨完善，從VR終端初現(xiàn)，到面向公眾和政企用戶的虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)平臺解決方案的成型，虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的內(nèi)容和規(guī)模不斷豐富深化。隨著中國電信天翼云VR業(yè)務(wù)的，并有大量用戶實際開通業(yè)務(wù)，標(biāo)志著云VR產(chǎn)業(yè)走向成熟[1]。

1.1云VR解決方案架構(gòu)。云VR有更大的用戶基數(shù)空間、有聚合平臺、有共享內(nèi)容，相比本地VR，也更容易規(guī)模化發(fā)展，云VR解決方案由內(nèi)容層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和終端層四部分組成。內(nèi)容層主要負(fù)責(zé)向平臺層提供VR內(nèi)容，包含內(nèi)容提供方和內(nèi)容聚合方，VR的內(nèi)容主要包括視頻業(yè)務(wù)和強交互業(yè)務(wù)。平臺層對視頻業(yè)務(wù)和強交互業(yè)務(wù)提供云渲染、流化、轉(zhuǎn)碼、儲存、編碼、計費、控制等功能。視頻業(yè)務(wù)平臺負(fù)責(zé)VR視頻的導(dǎo)入、轉(zhuǎn)碼、存儲和播控分發(fā)處理，包含VR點播系統(tǒng)、直播系統(tǒng)、MDN、CDN等，其架構(gòu)與當(dāng)前成熟的IPTV、OTT視頻業(yè)務(wù)平臺相似，區(qū)別在于云VR視頻業(yè)務(wù)需要支持全景視頻數(shù)據(jù)傳輸，需要布局FOV傳輸能力。強交互業(yè)務(wù)平臺負(fù)責(zé)對強交互業(yè)務(wù)進行渲染，包含實例運行、邏輯計算、實時渲染、實時推流等功能，為每個用戶在云端生成一個應(yīng)用實例，對其VR畫面進行實時渲染、編碼和推流。VR投屏系統(tǒng)通過建立可靠的消息同步機制，使得VR頭盔和機頂盒之間的消息可以互通，實現(xiàn)VR內(nèi)容在家庭電視上的同屏顯示，也可以利用IPTV機頂盒或頭盔無線投屏功能實現(xiàn)[2]。網(wǎng)絡(luò)層包括有線和無線網(wǎng)絡(luò)方案，負(fù)責(zé)為云VR業(yè)務(wù)提供大帶寬、低時延的穩(wěn)定傳輸。有線網(wǎng)絡(luò)可以選擇普通互聯(lián)網(wǎng)、專線網(wǎng)絡(luò)，還可以選擇更高效更穩(wěn)定的云專網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)方案可以選擇5G網(wǎng)絡(luò)、5G專網(wǎng)和Wi-Fi6組網(wǎng)。終端層主要實現(xiàn)VR內(nèi)容呈現(xiàn)、末端網(wǎng)絡(luò)接入和用戶鑒權(quán)等功能，通過有線或無線接入網(wǎng)絡(luò)，與平臺層連接。

1.2云VR解決方案的關(guān)鍵約束和解決路徑。時延是整個解決方案的關(guān)鍵約束。云VR云端強大的計算能力可以以相對低的成本為用戶提供高質(zhì)量VR內(nèi)容。但是其缺點也很明顯，由于VR應(yīng)用運行在云端，畫面需要進行渲染、編碼傳輸?shù)接脩舳诉M行解碼顯示，這個過程會引入網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，造成畫質(zhì)損失和增加交互時延，出現(xiàn)畫面模糊和黑邊問題，降低用戶體驗。隨著5G時代的到來，VR對帶寬和時延的要求決定了它將是5G時代的典型應(yīng)用之一。多接入邊緣計算（Multi-AcessEdgeComputing，簡稱：MEC）作為5G網(wǎng)絡(luò)的延伸，是承載5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵。在MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，計算節(jié)點下沉到應(yīng)用場景附近，將數(shù)據(jù)收集和分析行為放到靠近用戶側(cè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的邊緣閉環(huán)，從而能夠減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，縮短數(shù)據(jù)處理的時間周期。MEC的高帶寬、低時延和移動接入特性，將是實現(xiàn)VR高體驗的最佳方式。實現(xiàn)基于MEC的VR視頻內(nèi)容制作技術(shù)；管、端聯(lián)動，實現(xiàn)VR內(nèi)容高畫質(zhì)、低時延傳輸；端、管、云聯(lián)動，內(nèi)容快速分發(fā)三個關(guān)鍵技術(shù)是通過5GMEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決云VR關(guān)鍵約束的重要路徑之一[3]。

2強交互業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)及其在高職院校的應(yīng)用

強交互業(yè)務(wù)是指用戶通過交互設(shè)備與云端應(yīng)用進行實時互動，云端進行計算、實時渲染、編碼壓縮后，以視頻流形式將畫面?zhèn)鞯浇K端。強交互業(yè)務(wù)系統(tǒng)的時延更大，如果控制不好，會引起暈動癥，為此需要保障媒體傳輸協(xié)議（MediaTransferProtocol，縮寫：MTP）不超過20ms，同時約束系統(tǒng)時延保證畫面質(zhì)量[4]。端云異步渲染技術(shù)使MTP不超過20ms成為可能，它的核心思想是將云渲染及流化和終端刷新顯示分離成并行處理，使VR終端每次刷新畫面時，使用的是云渲染平臺送來的第N幀渲染幀作為基礎(chǔ)幀進行二次投影，同時，云渲染平臺處理第N+1幀渲染幀，與VR終端處理并行，此時，MTP由終端來決定，不依賴網(wǎng)絡(luò)和云渲染，從而滿足MTP繼續(xù)≤20ms。端云異步渲染技術(shù)如圖1所示。雖然云渲染及流化時延不會影響MTP，但該時延的長短仍會影響畫面質(zhì)量和用戶體驗，為了保證畫面體驗，需要約束云渲染及流化時延在70ms以內(nèi)，保證不會出現(xiàn)黑邊和畫面扭曲現(xiàn)象。云VR強交互業(yè)務(wù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2019年初浙江電信與浙江公路技師學(xué)院聯(lián)合建立了5G+VR數(shù)字職教試點基地，結(jié)合電信天翼云+MEC邊緣計算能力以及云渲染計算能力，實現(xiàn)了云VR強交互業(yè)務(wù)的落地和運用。浙江公路技師學(xué)院的數(shù)字職教試點將新能源汽修課程體系通過虛擬工廠、AR教材、VR模擬訓(xùn)練、數(shù)字3D課件等數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新化融入到教學(xué)系統(tǒng)中，從而形成新的教學(xué)方法和技能學(xué)習(xí)模式，提高在校學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效率、降低教學(xué)成本、拓展學(xué)習(xí)深度，為建立完整的新一代數(shù)字化融合的新能源汽車人才培養(yǎng)輸出體系和標(biāo)準(zhǔn)夯實基礎(chǔ)。高職院校可以在汽修、工業(yè)、化工、駕駛等操作性要求高、模擬實踐成本高、操作安全要求高的專業(yè)著手，從大學(xué)生自主學(xué)習(xí)培養(yǎng)角度出發(fā)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為培養(yǎng)大學(xué)生實際操作能力、增強自主學(xué)習(xí)意識來加以運用【5】，從而在降低教學(xué)成本的同時使高職院校教學(xué)工作質(zhì)量、實操能力和學(xué)習(xí)成績得到顯著提高。

3云VR視頻業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)及其在K-12教育中的應(yīng)用

對于已經(jīng)具備傳統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)平臺的浙江電信而言，可以基于IPTV平臺快速構(gòu)建云VR視頻業(yè)務(wù)平臺系統(tǒng)，只需要新建VR點播和直播系統(tǒng)。對于傳統(tǒng)視頻而言，VR視頻需要更高的碼率，當(dāng)前全視角4KVR視頻單用戶碼率達40Mbps，因此在構(gòu)建云VR視頻業(yè)務(wù)架構(gòu)時需要考慮云端內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(ContentDeliveryNetwork，縮寫：CDN)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和終端解碼能力，對于有實時性要求的VR視頻直播系統(tǒng)，則需要提升實時轉(zhuǎn)碼和切片能力。在當(dāng)前階段，方案的關(guān)鍵要求是要支持全視角傳輸方案，包括云端全傳、終端解碼、基于全視角傳輸?shù)慕M播方案等。全視角傳輸方案就是將360度環(huán)繞畫面都傳輸給終端，當(dāng)用戶頭部轉(zhuǎn)動需要切換畫面時，終端即時完成碼流解析、視頻解碼和畫面渲染等處理。云端全傳+終端全解碼方案是當(dāng)前多數(shù)VR終端采用的方案，即在云端準(zhǔn)備一個全視角4KVR視頻源，對整個全視角內(nèi)容進行編碼后，按4K質(zhì)量傳輸，終端解碼全部VR內(nèi)容。云端全傳+終端全解碼方案的關(guān)鍵功能要求包括支持基于4K全視角內(nèi)容轉(zhuǎn)碼切片的VR點播直播系統(tǒng)，支持至少40Mbps碼率的MDN&CDN，支持4K視頻流的解碼能力的VR終端。基于全視角傳輸?shù)慕M播方案，能解決用戶并發(fā)率高造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞和由此導(dǎo)致的用戶體驗劣化的問題。云VR視頻業(yè)務(wù)在教育領(lǐng)域主要應(yīng)用在K-12方面，視頻設(shè)計主要依據(jù)教綱教材進行體系化設(shè)計，融入現(xiàn)有的學(xué)科教學(xué)計劃，使學(xué)生能夠更加具象地理解抽象化的知識點。為教師、學(xué)生提供了與知識點同步的VR實驗，幫助學(xué)生提高對實驗教學(xué)的認(rèn)知度，助力教學(xué)目標(biāo)的達成。在實際教學(xué)過程中，融入VR教學(xué)后，學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動機、自我效能、課程滿意度上都有明顯提升，在認(rèn)知負(fù)荷上也有明顯下降。小學(xué)低年級段，VR一般融入以安全教育為主的教學(xué)中，例如地震逃生、消防演習(xí)、急救知識等；小學(xué)高年級段，則以地理、科學(xué)這類比較抽象或者無法實地觀察的學(xué)科為主，比如VR觀看地質(zhì)地貌、VR進行科學(xué)小實驗等；初高中階段，則應(yīng)用于物理原理、化學(xué)實驗、生物現(xiàn)象、科學(xué)探索、宇宙探險、海洋科普、航天科學(xué)、心理輔導(dǎo)、創(chuàng)客工作坊等多學(xué)科領(lǐng)域。教學(xué)方式也更為豐富多樣，包括直播互動教學(xué)、同步課堂、遠程教研等。

4結(jié)束語

云VR技術(shù)架構(gòu)方案是VR業(yè)務(wù)得以規(guī)模發(fā)展的充要條件，云VR在教育信息化中應(yīng)用的基礎(chǔ)是解決強交互業(yè)務(wù)和云視頻業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)難點。在教育教學(xué)應(yīng)用實踐領(lǐng)域，云VR技術(shù)有更強的沉浸體驗和實操體會，有利于全面且便利地提高教學(xué)能力和教育質(zhì)量，特別是在高職院校專業(yè)教育的強化實踐中，云VR技術(shù)有著無法比擬的基礎(chǔ)性優(yōu)勢。規(guī)模化發(fā)展VR業(yè)務(wù)的必需條件是大量的用戶基礎(chǔ)、完善的基礎(chǔ)設(shè)施和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，擁有這些優(yōu)勢條件的運營商有能力帶動整個VR產(chǎn)業(yè)的生態(tài)發(fā)展，為不斷提高云VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的可行性、可靠性和穩(wěn)定性提供了有力的技術(shù)保障。

參考文獻

[1]劉曉軍,武娟,徐曉青.云化虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].廣東通信技術(shù),2020.40(11):38-42

[2]陳麒,陳步華,莊一嶸.基于IPTVCloudVR的技術(shù)研究[J].廣東通信技術(shù),2019.39(4):7-11

[3]劉紅波,趙軍.基于MEC的VR關(guān)鍵技術(shù)[J].電信科學(xué),2019.35(S2):149-154

[4]曹揚晨,朱國勝,祁小云,鄒潔.基于5G邊緣計算的CloudVR研究[J].信息通信,2019.10:1-3

[5]鄭菁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職項目教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2020.33(22):146-147

作者:胡? 單位:中國電信股份有限公司浙江分公司