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摘要：虚拟现实（VirtualReality，缩写：VR）技术在教育领域中的科学运用带来了一场教改风暴，在提升教学质量、提高学习兴趣、降低教学成本等方面效果显著。云VR技术方案大幅降低了部署和维护成本，加速了VR在教育领域的普及和应用。从云VR业务架构设计着手，分析了强交互VR业务和VR视频业务的关键约束，提供相应的解决方案和应用场景，并通过案例论证云VR不同技术路径的应用范围和价值，提升VR技术在教育领域的应用可行性，加快实现利用VR技术为教育教学赋能的目的。
关键词：虚拟现实技术；CloudVR；教育信息化；强交互业务；云VR视频业务
0引言
云虚拟现实（简称：云VR）业务利用云GPU渲染和云服务器架构提供的计算能力，5G网络高带宽、低时延的特性能确保VR视频流的稳定传输和高精度图像显示，降低了对VR终端硬件计算能力的要求，从而能够降低学校的应用成本，减小本地的维护压力，为教育信息化发展创造新的契机。多种多样的VR教学内容和教学方式对提高学习成绩、提升教学质量、优化教育体系都有着积极作用，使得传统教育能基于技术的发展而发展。
1云虚拟现实技术的方案架构设计
虚拟现实的云化，即将云计算、云渲染的理念和技术引入到VR业务应用中，借助高速稳定的无线网络，将云端的图像输出和声音输出经过编码压缩后传输到用户终端设备，实现VR业务内容上云、渲染上云。云VR是VR产业发展的最佳形态，它将产业的VR内容聚合在一起，快速分发到大众和垂直行业用户。虚拟现实技术产业的发展和5G网络的日趋完善，从VR终端初现，到面向公众和政企用户的虚拟现实业务平台解决方案的成型，虚拟现实业务的内容和规模不断丰富深化。随着中国电信天翼云VR业务的，并有大量用户实际开通业务，标志着云VR产业走向成熟[1]。
1.1云VR解决方案架构。云VR有更大的用户基数空间、有聚合平台、有共享内容，相比本地VR，也更容易规模化发展，云VR解决方案由内容层、平台层、网络层和终端层四部分组成。内容层主要负责向平台层提供VR内容，包含内容提供方和内容聚合方，VR的内容主要包括视频业务和强交互业务。平台层对视频业务和强交互业务提供云渲染、流化、转码、储存、编码、计费、控制等功能。视频业务平台负责VR视频的导入、转码、存储和播控分发处理，包含VR点播系统、直播系统、MDN、CDN等，其架构与当前成熟的IPTV、OTT视频业务平台相似，区别在于云VR视频业务需要支持全景视频数据传输，需要布局FOV传输能力。强交互业务平台负责对强交互业务进行渲染，包含实例运行、逻辑计算、实时渲染、实时推流等功能，为每个用户在云端生成一个应用实例，对其VR画面进行实时渲染、编码和推流。VR投屏系统通过建立可靠的消息同步机制，使得VR头盔和机顶盒之间的消息可以互通，实现VR内容在家庭电视上的同屏显示，也可以利用IPTV机顶盒或头盔无线投屏功能实现[2]。网络层包括有线和无线网络方案，负责为云VR业务提供大带宽、低时延的稳定传输。有线网络可以选择普通互联网、专线网络，还可以选择更高效更稳定的云专网。无线网络方案可以选择5G网络、5G专网和Wi-Fi6组网。终端层主要实现VR内容呈现、末端网络接入和用户鉴权等功能，通过有线或无线接入网络，与平台层连接。
1.2云VR解决方案的关键约束和解决路径。时延是整个解决方案的关键约束。云VR云端强大的计算能力可以以相对低的成本为用户提供高质量VR内容。但是其缺点也很明显，由于VR应用运行在云端，画面需要进行渲染、编码传输到用户端进行解码显示，这个过程会引入网络传输时延，造成画质损失和增加交互时延，出现画面模糊和黑边问题，降低用户体验。随着5G时代的到来，VR对带宽和时延的要求决定了它将是5G时代的典型应用之一。多接入边缘计算（Multi-AcessEdgeComputing，简称：MEC）作为5G网络的延伸，是承载5G网络应用的关键。在MEC网络架构下，计算节点下沉到应用场景附近，将数据收集和分析行为放到靠近用户侧，实现数据处理的边缘闭环，从而能够减轻网络传输压力，缩短数据处理的时间周期。MEC的高带宽、低时延和移动接入特性，将是实现VR高体验的最佳方式。实现基于MEC的VR视频内容制作技术；管、端联动，实现VR内容高画质、低时延传输；端、管、云联动，内容快速分发三个关键技术是通过5GMEC网络架构解决云VR关键约束的重要路径之一[3]。
2强交互业务的关键技术及其在高职院校的应用
强交互业务是指用户通过交互设备与云端应用进行实时互动，云端进行计算、实时渲染、编码压缩后，以视频流形式将画面传到终端。强交互业务系统的时延更大，如果控制不好，会引起晕动症，为此需要保障媒体传输协议（MediaTransferProtocol，缩写：MTP）不超过20ms，同时约束系统时延保证画面质量[4]。端云异步渲染技术使MTP不超过20ms成为可能，它的核心思想是将云渲染及流化和终端刷新显示分离成并行处理，使VR终端每次刷新画面时，使用的是云渲染平台送来的第N帧渲染帧作为基础帧进行二次投影，同时，云渲染平台处理第N+1帧渲染帧，与VR终端处理并行，此时，MTP由终端来决定，不依赖网络和云渲染，从而满足MTP继续≤20ms。端云异步渲染技术如图1所示。虽然云渲染及流化时延不会影响MTP，但该时延的长短仍会影响画面质量和用户体验，为了保证画面体验，需要约束云渲染及流化时延在70ms以内，保证不会出现黑边和画面扭曲现象。云VR强交互业务在教育领域应用广泛。2019年初浙江电信与浙江公路技师学院联合建立了5G+VR数字职教试点基地，结合电信天翼云+MEC边缘计算能力以及云渲染计算能力，实现了云VR强交互业务的落地和运用。浙江公路技师学院的数字职教试点将新能源汽修课程体系通过虚拟工厂、AR教材、VR模拟训练、数字3D课件等数字化技术创新化融入到教学系统中，从而形成新的教学方法和技能学习模式，提高在校学生的学习兴趣、提高教学效率、降低教学成本、拓展学习深度，为建立完整的新一代数字化融合的新能源汽车人才培养输出体系和标准夯实基础。高职院校可以在汽修、工业、化工、驾驶等操作性要求高、模拟实践成本高、操作安全要求高的专业着手，从大学生自主学习培养角度出发，将虚拟现实技术作为培养大学生实际操作能力、增强自主学习意识来加以运用【5】，从而在降低教学成本的同时使高职院校教学工作质量、实操能力和学习成绩得到显著提高。
3云VR视频业务的关键技术及其在K-12教育中的应用
对于已经具备传统视频业务平台的浙江电信而言，可以基于IPTV平台快速构建云VR视频业务平台系统，只需要新建VR点播和直播系统。对于传统视频而言，VR视频需要更高的码率，当前全视角4KVR视频单用户码率达40Mbps，因此在构建云VR视频业务架构时需要考虑云端内容分发网络(ContentDeliveryNetwork，缩写：CDN)系统、网络传输和终端解码能力，对于有实时性要求的VR视频直播系统，则需要提升实时转码和切片能力。在当前阶段，方案的关键要求是要支持全视角传输方案，包括云端全传、终端解码、基于全视角传输的组播方案等。全视角传输方案就是将360度环绕画面都传输给终端，当用户头部转动需要切换画面时，终端即时完成码流解析、视频解码和画面渲染等处理。云端全传+终端全解码方案是当前多数VR终端采用的方案，即在云端准备一个全视角4KVR视频源，对整个全视角内容进行编码后，按4K质量传输，终端解码全部VR内容。云端全传+终端全解码方案的关键功能要求包括支持基于4K全视角内容转码切片的VR点播直播系统，支持至少40Mbps码率的MDN&CDN，支持4K视频流的解码能力的VR终端。基于全视角传输的组播方案，能解决用户并发率高造成的网络拥塞和由此导致的用户体验劣化的问题。云VR视频业务在教育领域主要应用在K-12方面，视频设计主要依据教纲教材进行体系化设计，融入现有的学科教学计划，使学生能够更加具象地理解抽象化的知识点。为教师、学生提供了与知识点同步的VR实验，帮助学生提高对实验教学的认知度，助力教学目标的达成。在实际教学过程中，融入VR教学后，学生在学习兴趣、学习动机、自我效能、课程满意度上都有明显提升，在认知负荷上也有明显下降。小学低年级段，VR一般融入以安全教育为主的教学中，例如地震逃生、消防演习、急救知识等；小学高年级段，则以地理、科学这类比较抽象或者无法实地观察的学科为主，比如VR观看地质地貌、VR进行科学小实验等；初高中阶段，则应用于物理原理、化学实验、生物现象、科学探索、宇宙探险、海洋科普、航天科学、心理辅导、创客工作坊等多学科领域。教学方式也更为丰富多样，包括直播互动教学、同步课堂、远程教研等。
4结束语
云VR技术架构方案是VR业务得以规模发展的充要条件，云VR在教育信息化中应用的基础是解决强交互业务和云视频业务的关键技术难点。在教育教学应用实践领域，云VR技术有更强的沉浸体验和实操体会，有利于全面且便利地提高教学能力和教育质量，特别是在高职院校专业教育的强化实践中，云VR技术有着无法比拟的基础性优势。规模化发展VR业务的必需条件是大量的用户基础、完善的基础设施和丰富的网络资源，拥有这些优势条件的运营商有能力带动整个VR产业的生态发展，为不断提高云VR技术在教育领域的可行性、可靠性和稳定性提供了有力的技术保障。
参考文献
[1]刘晓军,武娟,徐晓青.云化虚拟现实网络技术研究[J].广东通信技术,2020.40(11):38-42
[2]陈麒,陈步华,庄一嵘.基于IPTVCloudVR的技术研究[J].广东通信技术,2019.39(4):7-11
[3]刘红波,赵军.基于MEC的VR关键技术[J].电信科学,2019.35(S2):149-154
[4]曹扬晨,朱国胜,祁小云,邹洁.基于5G边缘计算的CloudVR研究[J].信息通信,2019.10:1-3
[5]郑菁.虚拟现实技术在高职项目教学中的应用[J].湖北开放职业学院学报,2020.33(22):146-147
作者:胡? 单位:中国电信股份有限公司浙江分公司
