基于5G云XR技術的智慧展廳系統設計

摘要：旨在設計一種基于5G 云擴展現實（extended reality，XR）技術的智慧展廳系統。該系統將5G 網絡與云XR 技術進行融合，不僅能讓用戶通過文字、圖像、視頻獲取展品信息，更能通過實時渲染的3D 虛擬環境、全息投影等先進技術，實現用戶與展品的多維度、互動式交流。同時，為解決傳統XR 技術在數據傳輸延遲及算力分配上的問題，本系統創新性地采用5G 云XR 架構，將復雜的計算任務和數據存儲移至云端，通過5G 網絡實現超低延遲的數據傳輸，確保用戶能夠隨時享受到流暢、高質量的XR 體驗。此外，通過構建強大的云服務器平臺，系統能夠支持大規模用戶并發訪問，實現展廳內容的快速擴展與更新。

關鍵詞：5G 技術；云XR 技術；智慧展廳；虛擬技術

中圖分類號：TP311.52；TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

5G技術的快速發展和云擴展現實（extendedreality，XR）技術的日益成熟[1-2]，對普通公民的日常生活體驗產生了巨大的影響。其中，智慧展廳系統充分利用了5G 網絡的高速度和低延遲特性，以及云XR 技術提供的沉浸式[3]、交互式體驗，為用戶打造了一個科技感十足的展覽環境[4]。傳統展覽受限于物理空間與展示形式，往往難以提供全面、深入的展品信息，且缺乏互動性和可移植性。智慧展廳系統則打破了這些局限[5]，觀眾只需使用便攜的XR 設備即可隨時獲得個性化的展覽體驗。用戶利用該方式不僅可以自由瀏覽展品，還可以通過手勢、語音等多種方式與虛擬環境互動，以獲取豐富的多媒體信息和展廳內容的深度解讀。

1 XR技術在智慧展廳中的應用

XR 技術依托5G網絡的高帶寬和低延遲特性，結合云計算的強大計算能力，支持了XR 場景的實時渲染、傳輸與呈現。具體而言，通過云端部署的先進圖形渲染引擎對XR 場景進行高精度物理擬真渲染，生成逼真的光影和細節效果。這些渲染結果以視頻流的形式通過5G 網絡進行編碼壓縮并快速傳輸至用戶端的XR 設備。針對這個傳輸過程，本文采用高效的編解碼算法，以犧牲部分壓縮率為代價換取更快的編碼速度，確保視頻流的實時性。視頻實時性編碼速率計算公式：

式（2）采用壓縮比來衡量視頻流的壓縮效率，在5G云XR系統中，通過優化編解碼算法、利用邊緣計算以及5G 網絡的低延遲特性，可以顯著降低總體延遲，實現流暢的XR 體驗。

2標記數組列表

在智慧展廳系統的設計中，標記數組主要用于組織和存儲展廳系統中的各類數據，包括展品信息、用戶行為數據、環境參數等。通過數組結構，便于實現數據的分類、排序和檢索。如圖1 所示，標記數組包括包含各種模板模式的單個標記和可應用每個標記的4 區域標記數組。每個區域的4 個標記可以根據應用方法增加多個對象，這些對象能夠在每個區域重復放置相同圖案的單個標記。如果在一個區域中重復應用了大量標記，則可以通過計算每個區域的標記數量來增強識別的物體并且不會出現識別錯誤。

根據圖1 展示的標記區域，標記數組處于不同的位置。當ID 輸入達到256 次（最大次數）時，系統會創建一個列表，將數據保存在數據庫中進行管理。本文提出的系統可以使用內容創建模塊為展廳參與者創建列表。此外，觀眾還可以通過智能手機上的全球定位系統（global positioning system，GPS）定位展位來識別參與者。

3 智慧展廳系統設計

3.1 系統框架設計

如圖2 所示，本文提出的5G 云XR 智慧展廳系統由傳感器、因特網、Web服務器、展廳組成，由于該系統基于網絡計算環境，用戶可以通過智能手機實時下載展廳的各項資料和使用服務。

如圖2 所示，用戶首先使用智能手機訪問Web服務器。在獲得訪問權限后，用戶可將智能手機放在展品旁邊的標記上，便可接收到產品的詳細信息。

3.2 用戶認證與分類

系統的激活需要從用戶身份驗證和權限分配開始。系統通過Web 服務器預先對用戶進行分類，如管理員、參與者和觀眾，并為他們分配不同的權限，如系統管理、內容創建和內容體驗。用戶登錄時，系統會對用戶身份進行驗證，驗證完成后，系統會根據用戶身份自動為其分配權限和可使用的功能模塊，功能模塊包括系統管理模塊、內容創建模塊和內容體驗模塊，具體功能如下：系統管理模塊專注于系統的整體運維與安全管理；內容創建模塊聚焦于內容的生成、編輯與發布；內容體驗模塊致力于為用戶提供流暢、便捷的內容瀏覽與互動體驗。通過模塊化的處理方式，系統能夠更加高效地滿足不同角色的需求，實現資源的優化配置與利用，如圖3 所示。

（1）管理員：管理員主要負責監督系統管理模塊，重點是處理XR 和上下文感知，管理標記數組列表，收集傳感器數據。

（2）參與者：參與者主要負責內容創建模塊，內容創建模塊工作流程如圖4 所示。

內容創建模塊的功能是在內容體驗模塊（觀眾）中識別注冊標記數組列表，并對注冊內容進行擴充，工作步驟如下。

步驟1：構建標記模式并生成標記。

步驟2：準備4 個標記，確定每個標記的模式值和范圍，并設置標記數組。

步驟3：選擇生成的標記數組。

步驟4：檢查內容數據庫與標記數組在交互處理過程中是否發生沖突。

步驟5：制作標記數組，并且將其注冊到列表。

內容體驗模塊可以通過展位的位置信息來區分參與者，通過識別每個參與者的標記數組列表來擴充內容，如圖5所示。

3.3 上下文感知和XR 流程結構

圖6 為基于上下文感知的數據收集和訪問，通過增強Web 服務，利用上下文中間件中各種傳感器收集的數據，包括用戶配置文件、展廳配置文件等，處理高級上下文信息。經過處理的上下文信息在上下文感知模塊中依次按照指定的情況或規則推斷出數據之間的關聯性。

智慧展廳通過上下文中間件對收集的數據進行處理與深度分析，將其轉化為高級上下文信息。這些信息能精準反映物理世界狀態和用戶與環境之間的復雜交互關系，為后續的決策制定與個性化服務提供了數據支撐。另外，高級上下文信息被送入上下文感知模塊進行進一步的情景推斷。該模塊內置了豐富的規則集與智能算法，能夠依據預設的情境邏輯或動態學習的模式，對上下文信息進行精準解析與推理。

通過這一過程，系統能夠實時感知用戶所處的環境，理解用戶當前的需求與意圖，并預測未來可能發生的交互場景。“XR 過程”階段則是優化交互場景、提升交互體驗感的重要前提和關鍵途徑。它充分利用了XR技術的獨特優勢，將推斷出的上下文信息轉化為視覺、聽覺以及觸覺體驗。基于5G云XR 技術的智慧展廳系統不僅能夠為用戶提供更加豐富、立體的信息展示方式，還能夠激發用戶的參與熱情，提升交互體驗的流暢性。此外，通過XR 技術的反饋機制，系統可以根據用戶的實時反饋與行為數據不斷優化上下文信息的推斷過程與XR 內容的呈現方式。這種閉環迭代優化機制使上下文感知處理模塊能夠持續進化、自我完善，從而更好地適應復雜多變的環境與用戶需求。

4 結論

本文針對展廳特定場景，以及用戶對展廳產品詳細信息日益增長的需求，設計了基于5G 云XR技術的智慧展廳系統。該系統充分利用5G 網絡的高速度、低延遲特性，以及云計算的強大處理能力，為用戶提供沉浸式、互動式的觀展體驗。此外，為了突破傳統XR 技術中對象標記數量的限制，本文創新性地提出了基于云端的標記數組列表管理方法，實現了對展廳內多個對象的精準識別與動態追蹤。