基于虛擬現實技術的移動通信系統設備的實訓平臺

李向明+趙健+程熙熙+沈碧嫻

摘 要：移動通信系統設備的認知和實訓是通信專業中最為重要的學習課程。傳統的課程采用書本教學、口頭表達等形式教授學生知識，形式單一且不形象，學生對通信系統設備很難理解和認知。且移動通信系統設備產品多樣、更新迅速、價格昂貴，學生很難看到真實設備，更難做到親手操作體驗，對所學課本知識很難消化，不利于以后的實際工作和應用。利用虛擬現實技術，學生可以與仿真信息發生交互作用，與虛擬環境的各個仿真模擬設備接觸，能夠增強職業性的體驗；加深學生對課堂教學和實踐內容的理解；學生可以針對工作任務提出自己的解決辦法，通過角色扮演，拓展學生解決現場實際問題的能力，對于改善學生的規范意識、安全意識具有重要的實際應用價值，推動了移動通信技術專業教育教學改革。

關鍵詞：虛擬現實技術；沉浸式交互；移動通信；創新改革

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

移動通信系統設備的認知和實訓是通信專業中最為重要的學習課程。傳統的課程采用書本教學、口頭表達等形式教授學生知識，形式單一且不形象，學生很難對通信系統設備有很好的理解和認知。且移動通信系統設備產品多樣、更新迅速、價格昂貴，學生很難看到設備真實模型，更難做到親手操作體驗，學習的課本知識很難得到消化，不利于以后的實際工作和應用[1]。

利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。虛擬現實的沉浸性和交互性技術，將學生的聽覺、視覺和其他感覺封閉起來，提供完全沉浸的體驗，使學生能夠置身于虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練[2，3]。

2 沉浸式虛擬現實技術最能展現虛擬現實效果

（Immersive virtual reality technology to show the

most virtual reality）

2.1 虛擬現實技術概念

虛擬現實技術是20世紀末發展起來的一門綜合性的信息技術，它提供了一種基于可計算信息的、沉浸式交互環境，具體地說，就是采用了以計算機技術為核心的、現代多種高科技手段和設備協同生成的，具有逼真效果的視、聽、觸覺一體化的并在特定范圍內的一個模擬的虛擬環境。在該虛擬環境中，用戶借助必要的輔助設備就能夠以自然的方式與虛擬環境內的其他各種對象進行交互作用、相互影響，從而使用戶產生身臨其境于某個真實環境的感受和體驗。

2.2 沉浸式虛擬現實特點

沉浸式虛擬現實提供參與者完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬環境中的感覺，其明顯的特點是：利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺封閉起來，產生虛擬視覺，同時，它利用數據手套把用戶的手感通道封閉起來，產生虛擬觸動感。系統采用語音識別器讓參與者對系統主機下達操作命令，與此同時，頭、手、眼均有相應的頭部跟蹤器、手部跟蹤器、眼睛視向跟蹤器的追蹤，使系統達到盡可能的實時性。臨境系統是真實環境替代的理想模型，它具有最新交互手段的虛擬環境。常見的沉浸式系統有基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統[4-6]。

2.3 沉浸式VR設備構成分為輸出設備和輸入設備

（1）輸出設備

有虛擬現實頭戴設備、3D立體顯示器、洞穴式立體現實系統。頭戴設備分為三類：

①外接式頭戴顯示器：外接個人電腦，智能手機、游戲機等設備作為計算與存儲設備，具備獨立屏幕，其技術含量高，結構復雜，代表產品有Oculus Rift、3Glasses。

②一體式頭戴顯示器：自帶屏幕、計算與存儲設備，無需外接設備，可以獨立運行，此類產品較少，代表產品有Bossnel頭戴式影院。

③頭戴手機盒子：又稱眼睛盒子，將手機放入盒子，起到屏幕和計算與存儲設備的作用。產品簡單，成本低廉，國內大部分產品屬于此類，代表產品有Cardboard、暴風魔鏡。

（2）輸入設備

游戲手柄、搖桿、3D數據手套、眼動儀、動作捕捉（數據衣）設備等。

2.4 虛擬環境的主要技術

虛擬現實是在計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感技術、語音處理與音響技術、網絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統等信息技術的基礎上發展起來，虛擬現實的主要技術包括：

（1）動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，應用動態環境建模技術能獲取實際環境的三維數據，并根據需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

（2）實時三維圖形生成技術

目前，三維圖形的生成技術已較成熟，而關鍵是如何滿足實時性的要求，為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/S，最好高于30幀/S，在不降低圖形質量和復雜程度的前提下，提高刷新頻率。

這里，圖形生成的硬件體系結構，以及在虛擬現實的真實感圖形生成中用于加速的各種有效技術是關鍵。

（3）立體顯示和傳感器技術

虛擬現實依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，立體顯示技術涉及人眼的生理原理及在計算機上如何產生深度線索的技術，現有的硬件系統如頭盔顯示器、單目鏡及可移動視覺顯示器有待進一步研究，光學顯示還存在許多局限性；傳感器技術中需解決設備的可靠性、可重復性、精確性及安全性等問題，各種類型傳感器的性能急需提高。

3 基于虛擬現實技術的移動通信系統設備的實訓

軟件及功能（The training software and function

of mobile communication system equipment

based on Virtual Reality Technology）

本軟件旨在利用最先進的虛擬現實技術，主要使用技術含金量高、結構復雜的外接式頭戴顯示器作為輸出設備，游戲手柄式的輸入設備，加上現代高科技手段，即計算機圖形技術、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術等技術，采用自然的交互方式對虛擬的移動通信設備進行安裝、維護、維修、優化等操作并得到實時立體的反饋，從中傳授移動通信系統設備知識，通過軟件四大模塊全面教授學生關于移動通信系統設備的相關知識，減少教師負擔，提高上課效率，活躍課堂氛圍。本軟件使用一系列生動有趣且符合實際的虛擬現實實驗，鍛煉學生的實際操作能力。區別于傳統的實訓課，本軟件只需在電腦前操作即可，免除了操作安全風險和高昂的移動通信設備損耗。使用最新的VR技術，可以讓學生身臨其境，體驗不同場景的移動通信設備環境，在教室內即可親手完成實踐操作。

本軟件共分為六大功能模塊，分別為登錄控制、基礎知識、設備認知、項目實踐、知識測試、系統設置。其中登錄控制和系統設置為系統控制模塊，基礎知識、設備認知、項目實踐和知識測試為學習測試模塊。圖1 為該平臺界面。

（1） 登錄控制

軟件支持用戶登錄和游客登錄兩種登錄方式。使用用戶登錄需要輸入賬號、密碼，方便教師控制學生用戶并了解學生學習情況。登錄數據庫位于服務器端，在登錄軟件的同時即登錄了測試反饋系統，隨時記錄學生學習行為，了解學生興趣點和學習進度，方便教師針對不同學生制定學習計劃安排。使用游客登錄僅可體驗軟件部分內容和功能。

（2）基礎知識

知識呈現：基礎知識模塊分為核心網及基站產品介紹、工程環境及配套設施、LTE網絡原理及系統調測、基站系統安裝，共四大知識點。將四大模塊所有知識分別設計采用知識樹的形式呈現，其中每個知識點以知識樹的形式分為多個小知識點，點擊任意知識點名稱即可查看該知識點內容，側重重點內容并配備圖片說明介紹，方便學生系統學習相關知識。

快速測試：每個知識點配備相應測試題目，學習該知識點后點擊測試按鈕即可進行快速測試，方便教師和學生了解該知識點的掌握情況。

（3）設備認知

場景漫游：通過虛擬顯示技術還原現實設備場景，采用第一視角漫游場景，了解設備擺放和場景建設。

設備簡介：在場景漫游中使用設備簡介功能了解場景中設備組成和用途。

三維展示：使用三維模型立體展示設備造型，讓學生認識設備、了解設備構成。

信號控制：通過開啟和關閉信號，了解室內信號來源和分布情況。

（4）項目實踐

設備布局：通過在三維場景中添加移動設備進行設備安裝，提高學生設備布局能力，如圖2所示。

試題管理：試題管理包括知識點管理、試卷創建和試卷瀏覽功能。

題型管理：題型管理包括選擇題、判斷題、填空題和解答題管理。

學生信息管理：對學生信息進行添加、刪除、修改等操作。

考試結果分析：對試卷結果進行分析統計，包括學生編號、姓名和各項考試題型成績，幫助教師快速了解學生成績和學習情況。

修改密碼：快速修改用戶名和密碼。

4 虛擬現實平臺軟件創新價值（Virtual reality

platform software innovation value）

（1）系統全面的知識點學習與評測

本平臺知識點模塊內容計劃結合一線教師和通信專家意見，全面介紹移動通信系統設備課程所需要學習的知識，內容分類清晰分明、有條不紊。在四大知識點子模塊中通過知識樹的形式展現所有知識點，每個樹干包含多個枝干知識點，所有知識點有序關聯，風格統一。每個知識點配備測試題目，學生和老師可以在學習知識點后立即檢驗學習情況，通過測試進度隨時了解學習進展并安排學習計劃。

（2）身臨其境的設備認知和觀察

本平臺采用最先進的虛擬現實技術實現真實移動通信系統設備的三維展示和場景漫游，使學生在電腦面前即可到達基站機房等場景內進行全方位720度自由觀察和交互。軟件建模和場景設計真實還原現實的設備和場景，建模精細、場景真實，使用最新的VR技術，仿佛身臨其境。學生采用第一視角觀察并通過鼠標鍵盤進行交互漫游，場景涵蓋核心網機房、傳輸機房、室分機房、鐵塔站、樓頂站、地鐵覆蓋，這是傳統的教學實踐中所無法實現的。學生可以與場景中的設備進行交互，通過三維觀察、虛擬裝配、功能演示等形式全面了解設備概念和用途，掌握設備知識。

（3）真實全面的項目實踐和操作

本平臺立足實際項目任務，通過軟件交互讓學生進行直觀、有效的虛擬訓練，節省了實訓室建設成本和操作安全風險。通過下發任務書的形式讓學生獨立自主的逐步完成項目，經歷項目每一步過程，全面提升項目實戰能力。基站安裝模塊通過動畫視頻、圖片文檔等形式教授學生設備安裝規范，并讓學生使用三維交互親手體驗安裝，使學生的操作規范得到極大提高。系統調測模塊采用真實場景漫游形式，由學生自主查詢設備狀態，設置參數、排除故障，真實模擬現實項目，讓老師和學生寓教于樂寓學于樂。

（4）豐富立體的知識測試和反饋

本平臺采用獨立數據庫建立大型知識測試和反饋系統，包括前臺學生端和后臺教師管理端。系統采用不同知識點模塊分類管理試題，針對不同知識點智能創建試卷，隨時檢測學生的學習情況，了解學習進度。學生使用學號登錄系統進行知識測試，系統自動記錄其測試結果并進行后臺分析反饋，讓教師了解每位學生知識掌握情況。教師通過系統管理端可以自主添加包括選擇、判斷、填空、解答等多種類型試題，試題添加方便快捷且支持文檔編輯和圖表插入。系統同時擁有試題規則修改和智能閱卷功能，支持創建多種分值規則試卷和快速批改學生試卷，大大提高測試效率、減輕教師負擔。

5 結論（Conclusion）

（1）應用虛擬現實技術推動移動通信技術專業教育教學改革應用虛擬現實技術改造傳統教學模式，提升優質數字教學資源質量。一方面平臺模擬崗位的工作任務全過程，提供在線自主學習平臺，讓學生充分進行資源的享用和互動，平臺不僅僅可以為學生提供崗位上各項工作任務的訓練、翻轉課堂學習功能，同時具備在線測驗、考試，形成了一個優質的題庫資源，真正實現學習過程隨時隨地、教師學生互動零距離。另一方面，積極通過校企戰略合作，充分對接和利用企業領先的數字技術資源，引進和接入行業主導大型中央企業的先進技術、培訓資源。

（2）應用虛擬現實技術，創建真實的工作場景

應用虛擬現實技術，還原大唐電信科技產業集團所需工程師工作場景與任務，學生可以與仿真信息發生交互作用，與虛擬環境的各個部分（仿真模擬設備）接觸，能夠增強職業性的體驗。運用虛擬現實技術加深學生對課堂教學和實踐內容的理解；學生可以針對工作任務提出自己的解決辦法，通過角色扮演，拓展學生解決現場實際問題的能力，對于改善學生的規范意識、安全意識具有重要的實際應用價值。

參考文獻（References）

[1] 何偉.Unity虛擬現實開發圣典[M].北京：中國鐵道出版社，

2016.

[2] 苗志宏，馬金強.虛擬現實技術基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，2016.

[3] 趙沁平.虛擬現實成為一種趨勢VR技術進入“+時代”[M].入駐搜狐公眾平臺的作者撰寫，2015.

[4] 虛擬現實技術發展綜述.豆丁網，2015.

[5] 吳訪升.虛擬現實技術及其應用現狀和發展.百度學術.2014.

[6] 楊春，等.Virtools虛擬現實技術基礎與實例教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

作者簡介：

李向明（1979-），男，碩士，講師.研究領域：計算機網絡.

趙 健（1987-），男，本科，工程師.研究領域：通信工程.

程熙熙（1981-），男，碩士生，工程師.研究領域：通信工程.

沈碧嫻（1946-），女，本科，副教授，高級工程師.研究領域：

計算機應用.