5G+VR技術(shù)的智慧體育教學(xué)方案分析

蘭 坤

（江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330002）

1 VR+5G與智慧教學(xué)存在的聯(lián)系

1.1 5G與VR的關(guān)系

華為公司CEO李騰躍曾經(jīng)說(shuō)過(guò)這樣一句話(huà)：“5G加速了VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，VR產(chǎn)業(yè)也是5G發(fā)展的重要需求?！?G為VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展創(chuàng)造了高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，促使VR關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)得到創(chuàng)新與突破，與此同時(shí)，VR應(yīng)用本身的特點(diǎn)也注定了其發(fā)展離不開(kāi)5G的大力支持。于是，我們有必要將二者進(jìn)行有效結(jié)合，為各個(gè)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行更好的助力。

1.2 VR技術(shù)下的智慧體育

VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是在近眼顯示、感知交互、網(wǎng)絡(luò)傳輸和內(nèi)容制作等新型技術(shù)的支持下，建設(shè)跨越端管云的新業(yè)態(tài)，借助體感交互的方式為體驗(yàn)用戶(hù)創(chuàng)造虛擬的沉浸式、可交互的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)體育身臨其境般的體驗(yàn)需求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息式消費(fèi)與擴(kuò)大升級(jí)[1]。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括智能技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)能夠?yàn)轶w育行業(yè)實(shí)現(xiàn)智慧應(yīng)用給予技術(shù)支持。在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與VR技術(shù)背景下開(kāi)展智慧體育教學(xué)，能夠?qū)υ薪虒W(xué)內(nèi)容進(jìn)行豐富。首先，能夠?qū)⑦h(yuǎn)程教學(xué)變?yōu)榭赡?。通過(guò)使用AI智能攝像頭、全景攝像頭、麥克風(fēng)等影音設(shè)備開(kāi)展高清晰畫(huà)面視頻教學(xué)或全景運(yùn)動(dòng)教學(xué)，師生能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，讓教學(xué)效果更加突出；其次，在技能訓(xùn)練方面，能夠借助VR技術(shù)創(chuàng)造虛擬的技能訓(xùn)練或職業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，讓學(xué)生在室內(nèi)仍然能夠體驗(yàn)到真實(shí)的訓(xùn)練氛圍，以此來(lái)更好的學(xué)習(xí)職業(yè)技能；然后是體能評(píng)測(cè)方面，利用全景攝像機(jī)對(duì)學(xué)生的動(dòng)作進(jìn)行攝錄，利用教學(xué)建模、AI算法、動(dòng)作識(shí)別庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析與測(cè)評(píng)，有利于制定有針對(duì)性性的提高方案。

2 關(guān)于智慧體育在教學(xué)方案方面的設(shè)計(jì)分析

2.1 方案框架

“5G智慧體育教學(xué)”的教學(xué)方案是由通信網(wǎng)絡(luò)、終端、云、平臺(tái)四個(gè)關(guān)鍵部分組成的。其中，終端部分主要是一些智能設(shè)備，具有包括高清攝像頭、VR頭盔、智慧體育設(shè)備等，達(dá)到遠(yuǎn)程接入、視頻錄制、場(chǎng)景攝制、動(dòng)作識(shí)別等服務(wù)；通信網(wǎng)絡(luò)部分主要有5G網(wǎng)絡(luò)、智能互聯(lián)網(wǎng)，為體驗(yàn)者提供連接與業(yè)務(wù)輸入服務(wù)；云平臺(tái)主要用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)與云化進(jìn)行布局；平臺(tái)部分主要包括播控平臺(tái)、內(nèi)容平臺(tái)和移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)，主要為了實(shí)現(xiàn)控制教學(xué)、分發(fā)內(nèi)容以及分析處理視頻資料等功能[2]。

2.2 方案主要流程

“5G智慧體育教學(xué)”的主要環(huán)節(jié)是VR視頻直播，其主要流程有視頻采集、傳輸處理、視頻播放三個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2.1 視頻采集環(huán)節(jié)

在該環(huán)節(jié)里主要是借助全景攝像機(jī)對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行全景畫(huà)面拍攝，借助CPE、5G手機(jī)或設(shè)備本身具有的5G模塊與基站實(shí)現(xiàn)有效連接，將形成的RTSP或RTMP格式視頻流傳送到5G網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)[3]。

2.2.2 傳輸處理環(huán)節(jié)

5G承載網(wǎng)借助“虛擬專(zhuān)網(wǎng)”的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)直播內(nèi)容的有效保證，保證VR直播流流利的傳送至內(nèi)容平臺(tái)。然后，云端的內(nèi)容平臺(tái)對(duì)其實(shí)行本地存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)分辨率、碼率、封裝格式等進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，再把新生成的VR視頻流利用承載網(wǎng)上傳至終端。

2.2.3 視頻播放環(huán)節(jié)

VR視頻流借助基站下行通道上傳到電機(jī)機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、VR頭盔等設(shè)備上進(jìn)行解碼播放，終端設(shè)備不同接收到的視頻流碼率以及分辨率等也會(huì)存在差異，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化的時(shí)候，同一個(gè)終端設(shè)備接收的視頻流參數(shù)也將發(fā)生改變。5G技術(shù)支持下的MEC網(wǎng)元，通過(guò)該服務(wù)器云端處理能夠下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)。當(dāng)給用戶(hù)的VR視頻流至5G網(wǎng)絡(luò)中的MEC服務(wù)器后，它會(huì)結(jié)合用戶(hù)的觀(guān)看朝向、硬件配置、帶寬通信狀況，對(duì)收到的內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)碼處理，給用戶(hù)提供絕佳的觀(guān)看體驗(yàn)效果。

2.3 此方案具有的優(yōu)勢(shì)

與有線(xiàn)寬帶或者4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的視頻教學(xué)進(jìn)行比較，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下的智慧體育教育教學(xué)具有移動(dòng)性更好、業(yè)務(wù)質(zhì)量更穩(wěn)定、用戶(hù)花費(fèi)更少等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.1 移動(dòng)性更好

用于采集的硬件設(shè)備能夠借助5G模組接入通信網(wǎng)絡(luò)，解決了有線(xiàn)方式存在的移動(dòng)限制，并且還有效解決了與Wi-Fi相關(guān)的一切復(fù)雜問(wèn)題，促使采集機(jī)位靈活性更好、移動(dòng)性更佳，將多角度采集與空間變換變成可能。

2.3.2 業(yè)務(wù)質(zhì)量更穩(wěn)定

5G網(wǎng)絡(luò)下的“虛擬專(zhuān)網(wǎng)”在很大程度上幫助VR視頻流開(kāi)通了自己的專(zhuān)屬通道，避免了其他業(yè)務(wù)資源的影響，使得視頻流質(zhì)量更好。

2.3.3 用戶(hù)開(kāi)銷(xiāo)更低

MEC服務(wù)器的出現(xiàn)與應(yīng)用，為用戶(hù)省去了寬帶支出。把360°的視頻壓縮到以前的1/3-1/2，為用戶(hù)省去了流量費(fèi)用。與此同時(shí)，該視頻放映對(duì)硬件設(shè)備的配置要求較低，這也間接省去了用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)硬件的費(fèi)用。

3 方案的應(yīng)用與推廣

智慧體育教學(xué)方案適用于遠(yuǎn)程教學(xué)、技能訓(xùn)練、體能評(píng)測(cè)等方面。

3.1 遠(yuǎn)程教學(xué)

5G+VR技術(shù)下的遠(yuǎn)程教學(xué)模式有兩種：一種是高清視頻教學(xué)，在不同的兩所學(xué)校中選擇一間教室布置高清AI跟蹤攝像頭、具備語(yǔ)音采集功能的麥克風(fēng)對(duì)師生課上的反應(yīng)進(jìn)行拍攝，從而達(dá)到音頻與視頻的采集。通過(guò)使用5G網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⒄n堂畫(huà)面、教學(xué)行為同時(shí)在兩個(gè)課堂上放映，并且實(shí)現(xiàn)互動(dòng)；另外一種是沉浸式全景教學(xué)，在運(yùn)動(dòng)區(qū)域布置全景攝像機(jī)對(duì)教師的教學(xué)行為進(jìn)行清晰拍攝，學(xué)生佩戴具有VR功能的眼鏡，感受虛擬的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，領(lǐng)會(huì)動(dòng)作要點(diǎn)，達(dá)到室內(nèi)體驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練的效果。

3.2 技能訓(xùn)練

現(xiàn)階段，借助VR技術(shù)已經(jīng)成功構(gòu)建出了網(wǎng)球、射藝、皮劃艇等虛擬的技能訓(xùn)練場(chǎng)景，沖破了以前體育課程對(duì)教學(xué)場(chǎng)所、硬件設(shè)施、安全等諸多方面的制約，幫助學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練，使其獲得身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)[4]。并且在5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下將隔空訓(xùn)練對(duì)抗變成可能，促使不同地點(diǎn)的兩個(gè)人能夠體驗(yàn)到真實(shí)的實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗。比如排球、羽毛球等對(duì)抗性體育項(xiàng)目，能夠借助VR技術(shù)對(duì)比賽對(duì)手進(jìn)行模擬，模仿另一方的動(dòng)作招式，在比賽之前提前進(jìn)行練習(xí)，熟悉掌握對(duì)手的動(dòng)作套路，找出對(duì)抗辦法，進(jìn)而提升自己在實(shí)際對(duì)戰(zhàn)中的獲勝幾率。比賽結(jié)束后，借助平臺(tái)功能回放比賽場(chǎng)景，對(duì)比賽整體進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于自身存在的不足并且有針對(duì)性的進(jìn)行提高，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的人員數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，達(dá)到及時(shí)分析、戰(zhàn)術(shù)調(diào)整的目的。

3.3 體能評(píng)測(cè)

為了更好的攝錄學(xué)員的訓(xùn)練動(dòng)作、速度等，需要在訓(xùn)練動(dòng)場(chǎng)所多布置幾臺(tái)全景攝像機(jī)，利用5G通信網(wǎng)絡(luò)將其實(shí)時(shí)上傳至MEC邊緣平臺(tái)。然后，5G網(wǎng)絡(luò)下的MEC平臺(tái)利用數(shù)學(xué)建模與AI算法兩種常用方法，提取運(yùn)動(dòng)視頻中具有的特征，同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員自身情況建設(shè)體能模型與大數(shù)據(jù)庫(kù)，參照動(dòng)作識(shí)別庫(kù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)展開(kāi)對(duì)比分析，并且把分析得出的結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至訓(xùn)練場(chǎng)地，便于教練對(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作與方式作出科學(xué)指導(dǎo)。如武術(shù)、體操、摔跤等競(jìng)技類(lèi)體育項(xiàng)目，對(duì)運(yùn)動(dòng)員專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求較高，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作傳入到系統(tǒng)之后，通過(guò)使用AI智能攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行全面捕捉，通過(guò)使用VR技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際訓(xùn)練中的細(xì)小動(dòng)作進(jìn)行還原。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練完成后，生成個(gè)人體能測(cè)評(píng)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作特點(diǎn)與不規(guī)范動(dòng)作的分析，同時(shí)參照分析得出的報(bào)告結(jié)果制定出有針對(duì)性的、科學(xué)的訓(xùn)練方案，這樣做可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練質(zhì)量的有效提升，確保運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練更加準(zhǔn)確與科學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，5G與VR技術(shù)的發(fā)展與不斷完善對(duì)智慧體育教學(xué)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)、技能訓(xùn)練、體能評(píng)測(cè)等項(xiàng)目具有很好的促進(jìn)作用和深遠(yuǎn)的影響。除此之外，5G通信技術(shù)的出現(xiàn)與落實(shí)還會(huì)增加視頻內(nèi)容的費(fèi)用，將VR行業(yè)的發(fā)展?jié)摿︼@露出來(lái)，滿(mǎn)足人們對(duì)沉浸式、交互式體驗(yàn)的渴望。這種教學(xué)模式，能夠打破地域限制，優(yōu)化升級(jí)原有的遠(yuǎn)程教學(xué)形式，為人們帶去更加真實(shí)的互動(dòng)體驗(yàn)。與此同時(shí)，該技術(shù)還能應(yīng)用到體育賽事與電子競(jìng)技等領(lǐng)域，推動(dòng)智慧體育朝向更好的方向發(fā)展。