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摘要：虛擬現實（VirtualReality，縮寫：VR）技術在教育領域中的科學運用帶來了一場教改風暴，在提升教學質量、提高學習興趣、降低教學成本等方面效果顯著。云VR技術方案大幅降低了部署和維護成本，加速了VR在教育領域的普及和應用。從云VR業務架構設計著手，分析了強交互VR業務和VR視頻業務的關鍵約束，提供相應的解決方案和應用場景，并通過案例論證云VR不同技術路徑的應用范圍和價值，提升VR技術在教育領域的應用可行性，加快實現利用VR技術為教育教學賦能的目的。

關鍵詞：虛擬現實技術；CloudVR；教育信息化；強交互業務；云VR視頻業務

0引言

云虛擬現實（簡稱：云VR）業務利用云GPU渲染和云服務器架構提供的計算能力，5G網絡高帶寬、低時延的特性能確保VR視頻流的穩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，從而能夠降低學校的應用成本，減小本地的維護壓力，為教育信息化發展創造新的契機。多種多樣的VR教學內容和教學方式對提高學習成績、提升教學質量、優化教育體系都有著積極作用，使得傳統教育能基于技術的發展而發展。

1云虛擬現實技術的方案架構設計

虛擬現實的云化，即將云計算、云渲染的理念和技術引入到VR業務應用中，借助高速穩定的無線網絡，將云端的圖像輸出和聲音輸出經過編碼壓縮后傳輸到用戶終端設備，實現VR業務內容上云、渲染上云。云VR是VR產業發展的最佳形態，它將產業的VR內容聚合在一起，快速分發到大眾和垂直行業用戶。虛擬現實技術產業的發展和5G網絡的日趨完善，從VR終端初現，到面向公眾和政企用戶的虛擬現實業務平臺解決方案的成型，虛擬現實業務的內容和規模不斷豐富深化。隨著中國電信天翼云VR業務的，并有大量用戶實際開通業務，標志著云VR產業走向成熟[1]。

1.1云VR解決方案架構。云VR有更大的用戶基數空間、有聚合平臺、有共享內容，相比本地VR，也更容易規模化發展，云VR解決方案由內容層、平臺層、網絡層和終端層四部分組成。內容層主要負責向平臺層提供VR內容，包含內容提供方和內容聚合方，VR的內容主要包括視頻業務和強交互業務。平臺層對視頻業務和強交互業務提供云渲染、流化、轉碼、儲存、編碼、計費、控制等功能。視頻業務平臺負責VR視頻的導入、轉碼、存儲和播控分發處理，包含VR點播系統、直播系統、MDN、CDN等，其架構與當前成熟的IPTV、OTT視頻業務平臺相似，區別在于云VR視頻業務需要支持全景視頻數據傳輸，需要布局FOV傳輸能力。強交互業務平臺負責對強交互業務進行渲染，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用實例，對其VR畫面進行實時渲染、編碼和推流。VR投屏系統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VR內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[2]。網絡層包括有線和無線網絡方案，負責為云VR業務提供大帶寬、低時延的穩定傳輸。有線網絡可以選擇普通互聯網、專線網絡，還可以選擇更高效更穩定的云專網。無線網絡方案可以選擇5G網絡、5G專網和Wi-Fi6組網。終端層主要實現VR內容呈現、末端網絡接入和用戶鑒權等功能，通過有線或無線接入網絡，與平臺層連接。

1.2云VR解決方案的關鍵約束和解決路徑。時延是整個解決方案的關鍵約束。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量VR內容。但是其缺點也很明顯，由于VR應用運行在云端，畫面需要進行渲染、編碼傳輸到用戶端進行解碼顯示，這個過程會引入網絡傳輸時延，造成畫質損失和增加交互時延，出現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時代的典型應用之一。多接入邊緣計算（Multi-AcessEdgeComputing，簡稱：MEC）作為5G網絡的延伸，是承載5G網絡應用的關鍵。在MEC網絡架構下，計算節點下沉到應用場景附近，將數據收集和分析行為放到靠近用戶側，實現數據處理的邊緣閉環，從而能夠減輕網絡傳輸壓力，縮短數據處理的時間周期。MEC的高帶寬、低時延和移動接入特性，將是實現VR高體驗的最佳方式。實現基于MEC的VR視頻內容制作技術；管、端聯動，實現VR內容高畫質、低時延傳輸；端、管、云聯動，內容快速分發三個關鍵技術是通過5GMEC網絡架構解決云VR關鍵約束的重要路徑之一[3]。

2強交互業務的關鍵技術及其在高職院校的應用

強交互業務是指用戶通過交互設備與云端應用進行實時互動，云端進行計算、實時渲染、編碼壓縮后，以視頻流形式將畫面傳到終端。強交互業務系統的時延更大，如果控制不好，會引起暈動癥，為此需要保障媒體傳輸協議（MediaTransferProtocol，縮寫：MTP）不超過20ms，同時約束系統時延保證畫面質量[4]。端云異步渲染技術使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，不依賴網絡和云渲染，從而滿足MTP繼續≤20ms。端云異步渲染技術如圖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，保證不會出現黑邊和畫面扭曲現象。云VR強交互業務在教育領域應用廣泛。2019年初浙江電信與浙江公路技師學院聯合建立了5G+VR數字職教試點基地，結合電信天翼云+MEC邊緣計算能力以及云渲染計算能力，實現了云VR強交互業務的落地和運用。浙江公路技師學院的數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模擬訓練、數字3D課件等數字化技術創新化融入到教學系統中，從而形成新的教學方法和技能學習模式，提高在校學生的學習興趣、提高教學效率、降低教學成本、拓展學習深度，為建立完整的新一代數字化融合的新能源汽車人才培養輸出體系和標準夯實基礎。高職院校可以在汽修、工業、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著手，從大學生自主學習培養角度出發，將虛擬現實技術作為培養大學生實際操作能力、增強自主學習意識來加以運用【5】，從而在降低教學成本的同時使高職院校教學工作質量、實操能力和學習成績得到顯著提高。

3云VR視頻業務的關鍵技術及其在K-12教育中的應用

對于已經具備傳統視頻業務平臺的浙江電信而言，可以基于IPTV平臺快速構建云VR視頻業務平臺系統，只需要新建VR點播和直播系統。對于傳統視頻而言，VR視頻需要更高的碼率，當前全視角4KVR視頻單用戶碼率達40Mbps，因此在構建云VR視頻業務架構時需要考慮云端內容分發網絡(ContentDeliveryNetwork，縮寫：CDN)系統、網絡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，則需要提升實時轉碼和切片能力。在當前階段，方案的關鍵要求是要支持全視角傳輸方案，包括云端全傳、終端解碼、基于全視角傳輸的組播方案等。全視角傳輸方案就是將360度環繞畫面都傳輸給終端，當用戶頭部轉動需要切換畫面時，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前多數VR終端采用的方案，即在云端準備一個全視角4KVR視頻源，對整個全視角內容進行編碼后，按4K質量傳輸，終端解碼全部VR內容。云端全傳+終端全解碼方案的關鍵功能要求包括支持基于4K全視角內容轉碼切片的VR點播直播系統，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。基于全視角傳輸的組播方案，能解決用戶并發率高造成的網絡擁塞和由此導致的用戶體驗劣化的問題。云VR視頻業務在教育領域主要應用在K-12方面，視頻設計主要依據教綱教材進行體系化設計，融入現有的學科教學計劃，使學生能夠更加具象地理解抽象化的知識點。為教師、學生提供了與知識點同步的VR實驗，幫助學生提高對實驗教學的認知度，助力教學目標的達成。在實際教學過程中，融入VR教學后，學生在學習興趣、學習動機、自我效能、課程滿意度上都有明顯提升，在認知負荷上也有明顯下降。小學低年級段，VR一般融入以安全教育為主的教學中，例如地震逃生、消防演習、急救知識等；小學高年級段，則以地理、科學這類比較抽象或者無法實地觀察的學科為主，比如VR觀看地質地貌、VR進行科學小實驗等；初高中階段，則應用于物理原理、化學實驗、生物現象、科學探索、宇宙探險、海洋科普、航天科學、心理輔導、創客工作坊等多學科領域。教學方式也更為豐富多樣，包括直播互動教學、同步課堂、遠程教研等。

4結束語

云VR技術架構方案是VR業務得以規模發展的充要條件，云VR在教育信息化中應用的基礎是解決強交互業務和云視頻業務的關鍵技術難點。在教育教學應用實踐領域，云VR技術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能力和教育質量，特別是在高職院校專業教育的強化實踐中，云VR技術有著無法比擬的基礎性優勢。規模化發展VR業務的必需條件是大量的用戶基礎、完善的基礎設施和豐富的網絡資源，擁有這些優勢條件的運營商有能力帶動整個VR產業的生態發展，為不斷提高云VR技術在教育領域的可行性、可靠性和穩定性提供了有力的技術保障。

參考文獻

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

[3]劉紅波,趙軍.基于MEC的VR關鍵技術[J].電信科學,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.虛擬現實技術在高職項目教學中的應用[J].湖北開放職業學院學報,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