5G+智慧教育全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)研究

王東升

（南京欣網(wǎng)通信科技股份有限公司，江蘇 南京 210044）

0 引言

在傳統(tǒng)教學(xué)中，對(duì)知識(shí)是以二維邏輯或原理圖的形式進(jìn)行解析的，必要時(shí)，還可以通過(guò)三維空間的實(shí)際實(shí)習(xí)或?qū)嶒?yàn)來(lái)促進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解。然而，二維解析和三維實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)往往在不同的時(shí)間和空間中進(jìn)行，并且由于受限于實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)條件而無(wú)法準(zhǔn)確、全面和充分地還原知識(shí)，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中面臨障礙。因此，5G+智慧教育全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)研發(fā)具有以下目的。

（1）5G+智慧教育全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)通過(guò)VR三維呈現(xiàn)的仿真場(chǎng)景及AR臺(tái)交互式教學(xué)，將三維形態(tài)和二維解析甚至抽象知識(shí)信息進(jìn)行同步、對(duì)應(yīng)和交互，使傳統(tǒng)教學(xué)中的三個(gè)維度的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)組合在同一教學(xué)場(chǎng)景內(nèi)，克服傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端，幫助教師更有效地進(jìn)行知識(shí)的教授，幫助學(xué)生更直觀地對(duì)知識(shí)進(jìn)行理解和記憶。

（2）5G+智慧教育全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)通過(guò)上下屏聯(lián)動(dòng)技術(shù)，有助于學(xué)生右腦的三維空間和形象思維與左腦的語(yǔ)言、數(shù)字和邏輯理解完美結(jié)合，通過(guò)采用標(biāo)識(shí)卡交互的創(chuàng)造性教學(xué)方式，將學(xué)生動(dòng)眼觀察、動(dòng)腦思考和動(dòng)手操作同步統(tǒng)一，有效提高學(xué)生的注意力和理解記憶效率。

（3）5G+智慧教育全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)可模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)環(huán)境，使學(xué)生在虛擬的三維環(huán)境中進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)操作練習(xí)，利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)收集用戶實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，接著通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的安排和實(shí)驗(yàn)效果的檢查，進(jìn)而打破教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)高危險(xiǎn)和高污染、時(shí)間和空間以及資源消耗大成本高等限制，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)操動(dòng)手能力，在寓教于樂(lè)的虛擬環(huán)境中教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，同時(shí)建立了完善的教學(xué)效果評(píng)估、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制。

1 系統(tǒng)背景

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》指出：建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制，制定數(shù)字教育資源技術(shù)和使用的基本標(biāo)準(zhǔn)，制定資源評(píng)審和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立用戶在線評(píng)價(jià)和專家評(píng)審相結(jié)合的資源評(píng)價(jià)機(jī)制；利用指導(dǎo)性投入支持資源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；制定政府購(gòu)買優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和服務(wù)的相關(guān)政策，支持用戶按需購(gòu)買資源和服務(wù)，鼓勵(lì)企業(yè)等社會(huì)力量開(kāi)發(fā)和提供數(shù)字教育資源與服務(wù)[1]。

《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》也明確強(qiáng)調(diào)了智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境的建設(shè)，提出通過(guò)加強(qiáng)智慧學(xué)習(xí)的理論研究和項(xiàng)目設(shè)計(jì)，促進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)而提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量[2]。大力推進(jìn)智能教育，發(fā)展建設(shè)以學(xué)生為中心的智能化教學(xué)環(huán)境，推動(dòng)人工智能在教學(xué)和全過(guò)程管理中的應(yīng)用，利用智能技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的改革，探索泛在、智能和靈活的教育教學(xué)新環(huán)境。

加快構(gòu)建面向下一代網(wǎng)絡(luò)的高校智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)。適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)于全時(shí)域、全受眾和全空域的智能學(xué)習(xí)新要求，注重提高知識(shí)傳授、素質(zhì)提升和能力培養(yǎng)，以國(guó)家優(yōu)質(zhì)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)課程和示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)為載體，加強(qiáng)大容量智能教學(xué)資源建設(shè)。加快構(gòu)建在線智能實(shí)驗(yàn)室、智能教室、虛擬工廠（醫(yī)院）等智能學(xué)習(xí)環(huán)境，積極探索基于大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的智能學(xué)習(xí)效果記錄、傳遞、認(rèn)證和交換的有效方式，形成無(wú)處不在的智能學(xué)習(xí)體系，推進(jìn)智能和信息技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過(guò)程[3-4]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G的網(wǎng)絡(luò)能力、結(jié)構(gòu)和要求與之前的技術(shù)有很大的不同之處[5]，大量技術(shù)融入其中，主要有：基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入；實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置；通過(guò)OFDM加窗提高多路傳輸效率；靈活的框架設(shè)計(jì)；先進(jìn)的新型無(wú)線技術(shù)；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)的自組織；網(wǎng)絡(luò)切片；內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備到設(shè)備通信；邊緣計(jì)算；軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

5G是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在5G基礎(chǔ)上建立的網(wǎng)絡(luò)，不僅要提升網(wǎng)絡(luò)速率，同時(shí)還對(duì)其在教育、醫(yī)療、文化等各個(gè)領(lǐng)域的多元化應(yīng)用提出了更多的要求。通信技術(shù)的發(fā)展給人類生活帶來(lái)了巨大的變化，通信技術(shù)的進(jìn)步不斷刺激著人類對(duì)移動(dòng)通信的潛在需求[6]。以中國(guó)移動(dòng)為例，經(jīng)過(guò)前四代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，中國(guó)移動(dòng)已初步形成GSM和TD-LTE并行雙網(wǎng)，而TD-SCDMA已逐步退出，2G網(wǎng)絡(luò)主要用于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，4G與5G網(wǎng)絡(luò)主要用于數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

隨著5G系統(tǒng)容量的大幅增加，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商將建設(shè)大量的小型和微型基站，站間距更小，各種無(wú)線傳輸技術(shù)的各種低功率節(jié)點(diǎn)的站點(diǎn)密度將達(dá)到當(dāng)前站點(diǎn)密度的10倍以上，進(jìn)而形成超密集多級(jí)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)。超密集網(wǎng)絡(luò)在提高系統(tǒng)容量的同時(shí)引發(fā)了許多新問(wèn)題。例如，大量的小型和微型基站將使大量低速移動(dòng)用戶面臨頻繁的切換問(wèn)題和用戶移動(dòng)性管理問(wèn)題，此外，還有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)間資源協(xié)同和干擾屏蔽等問(wèn)題。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，如何解決這些問(wèn)題是未來(lái)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋與健康發(fā)展的關(guān)鍵研究方向。

3 系統(tǒng)整體方案

3.1 整體系統(tǒng)架構(gòu)

5G+智慧教育全息交互播放控制系統(tǒng)由全息圖像采集點(diǎn)和全息展示端兩個(gè)重要組成部分。其中，圖像采集點(diǎn)采用綠幕工作室的形式，采集人和物體的原始相位，并通過(guò)高帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到全息顯示終端。在全息展示端，系統(tǒng)采集的人和物體的原始相位以全息方式顯示，從而給觀眾如同看到真實(shí)物體一樣的感官體驗(yàn)。采集終端的主要設(shè)備包括全息廣播服務(wù)器、4K攝像機(jī)、綠幕攝影棚、配套照明和音響等設(shè)備。全息顯示終端包括全息投影幕布、全息投影儀、全息投影服務(wù)器、LED屏幕、配套照明和音響等設(shè)備。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

（1）全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)的應(yīng)用。全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)支持包括課堂教學(xué)場(chǎng)景、大型新聞發(fā)布會(huì)演示場(chǎng)景、多方電話會(huì)議全息顯示場(chǎng)景、展臺(tái)全息展示場(chǎng)景在內(nèi)的多種應(yīng)用場(chǎng)景。

（2）全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)平臺(tái)。全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)平臺(tái)的主要功能包括廣播系統(tǒng)、備份系統(tǒng)、視頻記錄系統(tǒng)、交互系統(tǒng)和流媒體庫(kù)。

（3）全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。通信運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和低時(shí)延可以確保上層應(yīng)用的高質(zhì)量使用體驗(yàn)。此外，云網(wǎng)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和集成資源可支持整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

（4）全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)的全息服務(wù)器。全息服務(wù)器分為投影服務(wù)器和廣播服務(wù)器，投影服務(wù)器用于在展覽現(xiàn)場(chǎng)投影全息影像，廣播服務(wù)器用于在全息圖像采集端中采集和傳輸全息影像。

（5）全息互動(dòng)播放控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備。全息投影端的主要硬件包括全息薄膜、全息LED屏幕和全息投影儀；全息采集端的主要硬件包括超高清相機(jī)和綠幕攝影棚。

3.2 全息遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)

（1）全息播放平臺(tái)。全息播放平臺(tái)功能類似于導(dǎo)播平臺(tái)，其主要功能包括控制直播開(kāi)關(guān)、監(jiān)控輸入流、監(jiān)控輸出流、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、管理內(nèi)容庫(kù)、編輯導(dǎo)播流等。其中，本文所述系統(tǒng)支持多流輸入輸出，可以互為備份，監(jiān)控輸入流的功能主要是在存在多個(gè)輸入流的情況下，控制哪條流作為實(shí)際輸入流，用于現(xiàn)場(chǎng)備份倒換。編輯導(dǎo)播流指的是可以在輸出流的基礎(chǔ)上，疊加流媒體特效，流媒體特效被存放在內(nèi)容庫(kù)中，可以伴隨著演講者的表演，將流媒體特效疊加在導(dǎo)播流之前，在視覺(jué)上達(dá)到科幻和虛擬現(xiàn)實(shí)疊加的感官體驗(yàn)。

（2）全息播放終端。全息播放有多種終端和介質(zhì)，需根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地環(huán)境和客戶要求的效果等采用適宜的技術(shù)裝備。全息投影儀的關(guān)鍵指標(biāo)包括流明數(shù)、焦距、分辨率以及功耗。全息投影儀適用于較小的空間，如教室、展臺(tái)等場(chǎng)景，可根據(jù)用戶場(chǎng)地和需求選擇適用的全息投影儀。一般來(lái)講，LED投影底部鋪設(shè)支架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)木板，再將LED屏幕鋪放在木板上，這樣可以保證LED屏幕的平整性，LED投影適合在大型展會(huì)及發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)使用。

（3）全息投影薄膜。全息投影薄膜是全息投影的成像介質(zhì)，通常有兩種標(biāo)配尺寸，一種為H5：1.52 m×2.43 m顯示屏，適用于較小的場(chǎng)所，如會(huì)議室、教室；一種為H10：3.05 m×2.43 m顯示屏，能夠呈現(xiàn)多位演講者以及多個(gè)圖像。

（4）全息錄制環(huán)境。全息錄制環(huán)境是一個(gè)綠幕攝影棚，包括4K攝像機(jī)、綠色屏幕背景、照明和配套音響設(shè)備。演示人員置身綠幕攝影棚內(nèi)，將人像提取并通過(guò)全息廣播服務(wù)器發(fā)向展示端，從而展示出清晰的全息人像。

（5）全息互動(dòng)服務(wù)器。它包括全息廣播服務(wù)器和投影服務(wù)器，其中，采集終端中部署了全息廣播服務(wù)器，將采集的影像和聲音進(jìn)行預(yù)處理和編碼，并按指定的路徑發(fā)送到對(duì)端全息投影服務(wù)器。全息投影服務(wù)器將發(fā)送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行解碼，并連接展示現(xiàn)場(chǎng)的全息投影儀、音響等設(shè)備，將全息影像投影出來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

一些多媒體投影技術(shù)會(huì)對(duì)人體感官造成不適，例如，電視屏幕很容易導(dǎo)致眼睛疲勞，VR頭盔會(huì)導(dǎo)致眼睛疲勞和眩暈，不利于長(zhǎng)期觀看。全息投影技術(shù)具有其他投影技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它允許人們通過(guò)肉眼直接觀看虛擬事物，投影的畫面非常清晰生動(dòng)，不會(huì)對(duì)用戶的感官造成不適。與之前的移動(dòng)通信系統(tǒng)不同，5G不僅解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，更重要的是為行業(yè)的特定問(wèn)題提供綜合解決方案和服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、業(yè)務(wù)、終端融合在一起。由于數(shù)據(jù)量大，全息投影技術(shù)需要平滑、無(wú)卡頓投影和實(shí)時(shí)交互，這對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)速率有很大的要求，5G的大帶寬和低延時(shí)特性正好滿足了這些要求。真正有價(jià)值的服務(wù)來(lái)自真實(shí)的業(yè)務(wù)需求，雖然網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開(kāi)業(yè)務(wù)的升級(jí)，但全息投影技術(shù)是教育應(yīng)用的新升級(jí)，促進(jìn)了5G技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。■