云VR在高校課堂教學中的部署應用研究

劉朝斌 沙琨 王亞平 陳晨

摘? 要 受多重因素影響，當前VR技術在高校課堂教學中的應用尚處于初級階段，以個別示范和簡單體驗為主，對課堂教學的支撐作用發揮不明顯。提出一種云VR在高校課堂教學中的部署應用框架，對各模塊的功能作用進行細化闡述，對具體的應用部署方式進行分析設計，以期為解決VR技術在高校課堂教學中的困境問題提供新思路。

關鍵詞 教育信息化;云VR;高校課堂教學;Wi-Fi;5G

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）18-0038-03

Research on Deployment and Application of Cloud VR in Uni-versities Classroom Teaching//LIU Chaobin， SHA Kun， WANG Yaping， CHEN Chen

Abstract Affected by multiple factors， the current application of VR

technology in universities classroom teaching is still in the primary stage， which is mainly based on individual demonstration and simple

experience， and the supporting role of VR technology in classroom teaching is not obvious. This paper proposes a deployment applica-tion framework of cloud VR in Universities classroom teaching， ela-

borates the function of each module， analyzes and designs the speci-fic application deployment mode， in order to provide new ideas for solving the dilemma of VR technology in Universities classroom tea-

ching.

Key words educational informatization; cloud VR; universities class-

room teaching; Wi-Fi; 5G

0? 前言

《教育信息化2.0行動計劃》的發布標志著我國教育信息化已經從1.0時代邁入2.0時代，信息新技術與教育教學的深度融合隨之進入新階段[1]。虛擬現實（Virtual Reality，VR）作為新一代的創新信息技術[2]，其在教育教學中發揮的積極作用日趨顯現，并得到政府部門的高度關注，先后印發《關于實施卓越教師培養計劃2.0的意見》《工業和信息化部關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》等文件，強調推進VR技術在高等教育、職業教育等領域的應用，以推動VR技術在教育領域的應用落地[3]。但是，受VR產業生態割裂、缺少通用平臺支持、可移動性不夠等因素影響，VR技術在高校教學中的應用尚處于初級階段，尤其是在課堂教學中的應用以個別示范和簡單體驗為主，難以真正發揮其對課堂教學的有效支撐作用[4]。

云VR技術將云計算、云渲染理念引入VR業務應用中，具有統一平臺、無線部署、靈活應用等技術特點，為VR技術在高校課堂教學中的融合應用打開廣闊空間[5]。本文針對上述VR技術應用的困境問題，提出一種云VR在高校課堂教學中的部署應用框架，對各模塊的功能作用進行細化闡述，對具體的應用部署方式進行分析設計，以期為云VR在高校課堂教學中的應用提供技術指導。

1? 云VR部署應用的總體框架

按照云VR從終端到云端的邏輯體系進行劃分，其技術總體框架主要包括終端層、網絡層、硬件層和平臺層（如圖1所示）。終端層由云VR終端及其配套的外置定位設備組成，主要用于動作捕捉、視頻流解碼、畫面刷新與顯示等;網絡層由各類有線、無線網絡設備組成，用于將云VR視頻流從云端傳輸至終端，并將用戶操作指令從終端傳輸至云端;硬件層由服務器、存儲及虛擬化軟件組成，用于為云VR資源應用提供性能高、兼容好、分配靈活的計算存儲資源池;平臺層是部署于云端的應用系統，用于資源業務管理和資源運行分發。

2? 云VR終端設備部署

依托強大的云端計算和渲染能力，云VR終端對硬件性能的要求明顯下降，輕量化已成為云VR終端與本地化VR終端的關鍵區別，但為滿足動作捕捉與定位、畸變校正、快遞解碼、異步扭曲等功能需求，云VR終端仍需具備一定的計算處理能力。同時，為獲得部署快捷、使用靈活、交互自由的用戶體驗，無線化是云VR終端未來發展的必然趨勢，但受限于現有無線網絡的承載能力，通過有線連接是獲得VR極致體驗的現實選擇。因此，云VR終端的部署方式主要有三種。

1）移動端VR。該方式將手機與VR頭顯設備進行有線連接，然后手機通過5G移動網絡或Wi-Fi無線網絡連接云端。

2）VR一體機。VR一體機集成了顯示屏、透鏡、傳感器、處理器和無線網卡等硬件，能夠獨立進行運算和聯網，可直接通過5G移動網絡或Wi-Fi無線網絡連接云端。

3）外接插線式VR。該方式將VR頭顯設備與計算機或手機進行有線連接（HDMI或USB線），然后計算機或手機通過光纖、Wi-Fi等方式連接云端。

3? 云VR網絡鏈路部署

云VR資源引入課堂教學的網絡部署設計，應主要從單路網絡帶寬、終端入網方式和單點最大同時使用人數三個維度進行統籌考量。首先，云VR資源主要以視頻流的形式通過網絡傳輸到VR終端設備，與傳統視頻資源相比，云VR資源的視場角更大（相當于空間球，左右視角360°，上下視角180°），幀率要求更高，為獲得與傳統視頻資源同樣的清晰度，云VR資源需要傳輸的視頻流數據更多，對網絡帶寬的需求更大。根據現階段云VR資源應用的實際情況，單路網絡帶寬應≥80 Mbps。其次，云VR對終端輕量化、部署快捷化和移動便利化的需求，決定了其終端的網絡接入方式以無線接入為主、有線接入為輔。最后，課堂教學具有場地相對集中、學生人數較多、應用需求多樣的特點，在一個教室或房間中（即單點）同時使用云VR資源的最大人數一定程度上決定了教師的教學方式方法。

本文按照云VR終端接入網絡的類型及方式不同，給出Wi-Fi接入、5G接入和有線接入三種網絡部署模式，以滿足不同應用場景的具體需求。

3.1? Wi-Fi接入

Wi-Fi作為無線通信技術，現已發展至第6代，即Wi-Fi 6，其工作頻段分別為2.4 GHz和5 GHz。從單路網絡帶寬≥80 Mbps的云VR資源應用需求看，能夠滿足該需求的只有Wi-Fi 4～6（詳見表1）。Wi-Fi接入網絡構建主要通過“萬兆POE交換機+無線AP”或5G CPE的方式進行。

“萬兆POE交換機+無線AP”部署方式通過校園光纖網絡連接云VR的云端，無線AP與POE交換機通過千兆網線連接。為避免無線AP相互之間信號干擾，每個教室無線AP數量需根據教室樓宇無線頻譜規劃、無線通信協議工作頻段及所需信道帶寬確定。例如，Wi-Fi 4工作在2.4 GHz和5 GHz頻段，單路網絡帶寬為150 Mbps時所需信道帶寬為40 MHz，因此，單個教室內最多部署八個無線AP（2.4 GHz

頻段兩個，5 GHz頻段六個）。

5G CPE部署方式通過將5G信號轉換為Wi-Fi信號，實現基于5G移動網絡連接云VR的云端，基于Wi-Fi無線網絡連接VR終端設備，而5G CPE設備作為信號轉換設備，發揮著連接5G移動網絡和Wi-Fi無線網絡的中繼作用。5G CPE方式相比“萬兆POE交換機+無線AP”方式，部署更為靈活便捷，但每個教室的5G CPE設備部署數量同樣受Wi-Fi通信協議限制，且對運營商的網絡服務依賴較大。

3.2? 5G接入

5G接入網絡構建不需要將5G信號轉換為Wi-Fi信號，從云端到終端均依托5G移動網絡建立網絡連接。該網絡部署模式需在教室中接入5G基站，并將5G模組內置在VR終端設備中，支持接入設備數量主要取決于5G移動網絡性能。受5G模組軟硬件成熟度不足的影響，目前市場上內置5G模組的VR終端較少，因此，該網絡部署模式尚需相關硬件配套升級。

3.3? 有線接入

有線網絡部署模式主要依托校園有線網絡進行，通過光纖萬兆接入教室，接入交換機端口速率及網絡線纜傳輸速率均不低于千兆，接入光纖數量以及交換機端口數量根據單點最大同時使用人數確定。該網絡部署模式具有支持單點最大同時使用人數多、網絡傳輸速率高且穩定可靠的優點，但終端可移動性差，且僅支持“PC+VR頭顯”的終端類型，主要適用于云VR實訓室或專修室建設。

4? 云VR硬件平臺部署

VR資源不同于普通的數字教學資源，對硬件設備的計算性能和顯卡性能要求較高，且由于目前VR產業生態較為割裂，VR資源的開發方法、體系結構以及硬件設備多種多樣，且VR軟硬件及資源的耦合度較高，需要兼容性較好的硬件平臺進行支撐。本文基于虛擬化技術，設計構建云VR資源應用的云端硬件平臺，為云VR的資源存儲、訪問管理、內容分發、云端渲染、實時交互等功能應用提供高效靈活、開放兼容、安全穩定的運行環境。

為提高云端硬件的兼容性和資源分配的靈活性，本文采用裸金屬虛擬機架構與沙箱技術相結合的方式，對計算存儲硬件資源進行虛擬化部署。裸金屬虛擬機架構直接在服務器硬件上面安裝虛擬機監控器Hypervisor，通過Hyper-

visor虛擬化出多個虛擬機，并為每個虛擬機分配合適的CPU、內存、存儲、顯卡、網卡等硬件資源，再在虛擬機上安裝操作系統及應用。該架構不依賴于操作系統，能夠支持多種操作系統和應用，更加靈活高效。

針對云VR資源應用，虛擬機主要包括五種類型：管理類虛擬機、轉碼類虛擬機、分發類虛擬機、存儲類虛擬機、渲染類虛擬機。其中，管理類虛擬機主要用于資源管理和業務管理，性能要求較為均衡;轉碼類虛擬機主要用于VR視頻流的編碼、轉碼和切片，對CPU和內存要求較高;轉發類虛擬機主要用于VR視頻流的直播、點播和分發，對內存和硬盤要求較高;存儲類虛擬機主要用于媒資存儲、切片存儲、轉碼存儲、發布存儲等，要求硬盤空間要求大;渲染類虛擬機主要用于云VR資源的運行、渲染計算以及流化視頻的推送，對CPU、GPU、內存和網卡的性能要求均較高。

由于渲染類虛擬機需要消耗較多硬件資源，為提高其資源利用率和VR資源運行的兼容性，本文采用沙箱技術，在虛擬機操作系統上按需隔離出多個獨立的環境，每個環境中運行一個云VR資源應用實例，使單個虛擬機能夠支持多個用戶接入和多種VR資源運行。

5? 云VR資源平臺部署

云VR資源平臺由資源業務管理系統和資源運行分發系統組成，兩個系統相對獨立又相互協同，從資源管理和資源運行兩個維度共同為云VR資源應用提供功能支撐。

資源業務管理系統負責云VR資源應用服務的日常運營，包括用戶管理、內容管理、認證管理和評價反饋等功能。其中，用戶管理主要包括角色管理、權限管理、分組管理和積分管理等功能;內容管理主要包括資源的內容分類、內容審核和內容更新等功能;認證管理主要用于校驗用戶登錄的賬號密碼或對接第三方認證機構;評價反饋主要包括資源質量評價、平臺服務評價和資源改進反饋等功能。

資源運行分發系統負責云VR資源從內容注入到編碼推流的全流程服務，并負責實時與用戶交互，包括轉碼、存儲/緩存、渲染、分發等功能。按照支持交互業務類型的不同，該系統分為數字媒體模塊和云渲染模塊兩部分。數字媒體模塊主要用于支持VR視頻直播、點播等以觀看體驗為主的弱交互VR業務，其功能與傳統的視頻直播、點播系統相似，以轉碼、存儲/緩存、內容分發等功能為主。云渲染模塊主要用于支持需要用戶與虛擬環境進行實時互動的強交互VR業務，主要負責響應終端的交互指令，實現VR資源的邏輯計算、實時渲染、流化編碼、數據發送等功能。

6? 結語

云VR作為云計算、無線網絡與VR技術的融合創新，其技術體系及產業生態正處于蓬勃發展階段，為VR技術的普及應用帶來無限可能。本文提出一種云VR在高校課堂教學中的部署應用框架，闡述了各模塊的功能作用，設計了具體的部署應用方式，以期為解決VR技術在高校課堂教學中的應用困境問題提供新思路。■

參考文獻

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