云VR在高校課堂教學(xué)中的部署應(yīng)用研究

劉朝斌 沙琨 王亞平 陳晨

摘? 要 受多重因素影響，當(dāng)前VR技術(shù)在高校課堂教學(xué)中的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，以個(gè)別示范和簡(jiǎn)單體驗(yàn)為主，對(duì)課堂教學(xué)的支撐作用發(fā)揮不明顯。提出一種云VR在高校課堂教學(xué)中的部署應(yīng)用框架，對(duì)各模塊的功能作用進(jìn)行細(xì)化闡述，對(duì)具體的應(yīng)用部署方式進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以期為解決VR技術(shù)在高校課堂教學(xué)中的困境問(wèn)題提供新思路。

關(guān)鍵詞 教育信息化;云VR;高校課堂教學(xué);Wi-Fi;5G

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布標(biāo)志著我國(guó)教育信息化已經(jīng)從1.0時(shí)代邁入2.0時(shí)代，信息新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合隨之進(jìn)入新階段[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）作為新一代的創(chuàng)新信息技術(shù)[2]，其在教育教學(xué)中發(fā)揮的積極作用日趨顯現(xiàn)，并得到政府部門(mén)的高度關(guān)注，先后印發(fā)《關(guān)于實(shí)施卓越教師培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》《工業(yè)和信息化部關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件，強(qiáng)調(diào)推進(jìn)VR技術(shù)在高等教育、職業(yè)教育等領(lǐng)域的應(yīng)用，以推動(dòng)VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用落地[3]。但是，受VR產(chǎn)業(yè)生態(tài)割裂、缺少通用平臺(tái)支持、可移動(dòng)性不夠等因素影響，VR技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，尤其是在課堂教學(xué)中的應(yīng)用以個(gè)別示范和簡(jiǎn)單體驗(yàn)為主，難以真正發(fā)揮其對(duì)課堂教學(xué)的有效支撐作用[4]。

云VR技術(shù)將云計(jì)算、云渲染理念引入VR業(yè)務(wù)應(yīng)用中，具有統(tǒng)一平臺(tái)、無(wú)線部署、靈活應(yīng)用等技術(shù)特點(diǎn)，為VR技術(shù)在高校課堂教學(xué)中的融合應(yīng)用打開(kāi)廣闊空間[5]。本文針對(duì)上述VR技術(shù)應(yīng)用的困境問(wèn)題，提出一種云VR在高校課堂教學(xué)中的部署應(yīng)用框架，對(duì)各模塊的功能作用進(jìn)行細(xì)化闡述，對(duì)具體的應(yīng)用部署方式進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以期為云VR在高校課堂教學(xué)中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1? 云VR部署應(yīng)用的總體框架

按照云VR從終端到云端的邏輯體系進(jìn)行劃分，其技術(shù)總體框架主要包括終端層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件層和平臺(tái)層（如圖1所示）。終端層由云VR終端及其配套的外置定位設(shè)備組成，主要用于動(dòng)作捕捉、視頻流解碼、畫(huà)面刷新與顯示等;網(wǎng)絡(luò)層由各類(lèi)有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wù)器、存儲(chǔ)及虛擬化軟件組成，用于為云VR資源應(yīng)用提供性能高、兼容好、分配靈活的計(jì)算存儲(chǔ)資源池;平臺(tái)層是部署于云端的應(yīng)用系統(tǒng)，用于資源業(yè)務(wù)管理和資源運(yùn)行分發(fā)。

2? 云VR終端設(shè)備部署

依托強(qiáng)大的云端計(jì)算和渲染能力，云VR終端對(duì)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(guān)鍵區(qū)別，但為滿足動(dòng)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(jì)算處理能力。同時(shí)，為獲得部署快捷、使用靈活、交互自由的用戶體驗(yàn)，無(wú)線化是云VR終端未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但受限于現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的承載能力，通過(guò)有線連接是獲得VR極致體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)選擇。因此，云VR終端的部署方式主要有三種。

1）移動(dòng)端VR。該方式將手機(jī)與VR頭顯設(shè)備進(jìn)行有線連接，然后手機(jī)通過(guò)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接云端。

2）VR一體機(jī)。VR一體機(jī)集成了顯示屏、透鏡、傳感器、處理器和無(wú)線網(wǎng)卡等硬件，能夠獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算和聯(lián)網(wǎng)，可直接通過(guò)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接云端。

3）外接插線式VR。該方式將VR頭顯設(shè)備與計(jì)算機(jī)或手機(jī)進(jìn)行有線連接（HDMI或USB線），然后計(jì)算機(jī)或手機(jī)通過(guò)光纖、Wi-Fi等方式連接云端。

3? 云VR網(wǎng)絡(luò)鏈路部署

云VR資源引入課堂教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)部署設(shè)計(jì)，應(yīng)主要從單路網(wǎng)絡(luò)帶寬、終端入網(wǎng)方式和單點(diǎn)最大同時(shí)使用人數(shù)三個(gè)維度進(jìn)行統(tǒng)籌考量。首先，云VR資源主要以視頻流的形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絍R終端設(shè)備，與傳統(tǒng)視頻資源相比，云VR資源的視場(chǎng)角更大（相當(dāng)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(tǒng)視頻資源同樣的清晰度，云VR資源需要傳輸?shù)囊曨l流數(shù)據(jù)更多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求更大。根據(jù)現(xiàn)階段云VR資源應(yīng)用的實(shí)際情況，單路網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)≥80 Mbps。其次，云VR對(duì)終端輕量化、部署快捷化和移動(dòng)便利化的需求，決定了其終端的網(wǎng)絡(luò)接入方式以無(wú)線接入為主、有線接入為輔。最后，課堂教學(xué)具有場(chǎng)地相對(duì)集中、學(xué)生人數(shù)較多、應(yīng)用需求多樣的特點(diǎn)，在一個(gè)教室或房間中（即單點(diǎn)）同時(shí)使用云VR資源的最大人數(shù)一定程度上決定了教師的教學(xué)方式方法。

本文按照云VR終端接入網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型及方式不同，給出Wi-Fi接入、5G接入和有線接入三種網(wǎng)絡(luò)部署模式，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求。

3.1? Wi-Fi接入

Wi-Fi作為無(wú)線通信技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)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(wǎng)絡(luò)帶寬≥80 Mbps的云VR資源應(yīng)用需求看，能夠滿足該需求的只有Wi-Fi 4～6（詳見(jiàn)表1）。Wi-Fi接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要通過(guò)“萬(wàn)兆POE交換機(jī)+無(wú)線AP”或5G CPE的方式進(jìn)行。

“萬(wàn)兆POE交換機(jī)+無(wú)線AP”部署方式通過(guò)校園光纖網(wǎng)絡(luò)連接云VR的云端，無(wú)線AP與POE交換機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)線連接。為避免無(wú)線AP相互之間信號(hào)干擾，每個(gè)教室無(wú)線AP數(shù)量需根據(jù)教室樓宇無(wú)線頻譜規(guī)劃、無(wú)線通信協(xié)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(wǎng)絡(luò)帶寬為150 Mbps時(shí)所需信道帶寬為40 MHz，因此，單個(gè)教室內(nèi)最多部署八個(gè)無(wú)線AP（2.4 GHz

頻段兩個(gè)，5 GHz頻段六個(gè)）。

5G CPE部署方式通過(guò)將5G信號(hào)轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接云VR的云端，基于Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接VR終端設(shè)備，而5G CPE設(shè)備作為信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，發(fā)揮著連接5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中繼作用。5G CPE方式相比“萬(wàn)兆POE交換機(jī)+無(wú)線AP”方式，部署更為靈活便捷，但每個(gè)教室的5G CPE設(shè)備部署數(shù)量同樣受Wi-Fi通信協(xié)議限制，且對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)依賴(lài)較大。

3.2? 5G接入

5G接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建不需要將5G信號(hào)轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)，從云端到終端均依托5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立網(wǎng)絡(luò)連接。該網(wǎng)絡(luò)部署模式需在教室中接入5G基站，并將5G模組內(nèi)置在VR終端設(shè)備中，支持接入設(shè)備數(shù)量主要取決于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能。受5G模組軟硬件成熟度不足的影響，目前市場(chǎng)上內(nèi)置5G模組的VR終端較少，因此，該網(wǎng)絡(luò)部署模式尚需相關(guān)硬件配套升級(jí)。

3.3? 有線接入

有線網(wǎng)絡(luò)部署模式主要依托校園有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，通過(guò)光纖萬(wàn)兆接入教室，接入交換機(jī)端口速率及網(wǎng)絡(luò)線纜傳輸速率均不低于千兆，接入光纖數(shù)量以及交換機(jī)端口數(shù)量根據(jù)單點(diǎn)最大同時(shí)使用人數(shù)確定。該網(wǎng)絡(luò)部署模式具有支持單點(diǎn)最大同時(shí)使用人數(shù)多、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高且穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，但終端可移動(dòng)性差，且僅支持“PC+VR頭顯”的終端類(lèi)型，主要適用于云VR實(shí)訓(xùn)室或?qū)Ｐ奘医ㄔO(shè)。

4? 云VR硬件平臺(tái)部署

VR資源不同于普通的數(shù)字教學(xué)資源，對(duì)硬件設(shè)備的計(jì)算性能和顯卡性能要求較高，且由于目前VR產(chǎn)業(yè)生態(tài)較為割裂，VR資源的開(kāi)發(fā)方法、體系結(jié)構(gòu)以及硬件設(shè)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(tái)進(jìn)行支撐。本文基于虛擬化技術(shù)，設(shè)計(jì)構(gòu)建云VR資源應(yīng)用的云端硬件平臺(tái)，為云VR的資源存儲(chǔ)、訪問(wèn)管理、內(nèi)容分發(fā)、云端渲染、實(shí)時(shí)交互等功能應(yīng)用提供高效靈活、開(kāi)放兼容、安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)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(jī)架構(gòu)與沙箱技術(shù)相結(jié)合的方式，對(duì)計(jì)算存儲(chǔ)硬件資源進(jìn)行虛擬化部署。裸金屬虛擬機(jī)架構(gòu)直接在服務(wù)器硬件上面安裝虛擬機(jī)監(jiān)控器Hypervisor，通過(guò)Hyper-

visor虛擬化出多個(gè)虛擬機(jī)，并為每個(gè)虛擬機(jī)分配合適的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、顯卡、網(wǎng)卡等硬件資源，再在虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)及應(yīng)用。該架構(gòu)不依賴(lài)于操作系統(tǒng)，能夠支持多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用，更加靈活高效。

針對(duì)云VR資源應(yīng)用，虛擬機(jī)主要包括五種類(lèi)型：管理類(lèi)虛擬機(jī)、轉(zhuǎn)碼類(lèi)虛擬機(jī)、分發(fā)類(lèi)虛擬機(jī)、存儲(chǔ)類(lèi)虛擬機(jī)、渲染類(lèi)虛擬機(jī)。其中，管理類(lèi)虛擬機(jī)主要用于資源管理和業(yè)務(wù)管理，性能要求較為均衡;轉(zhuǎn)碼類(lèi)虛擬機(jī)主要用于VR視頻流的編碼、轉(zhuǎn)碼和切片，對(duì)CPU和內(nèi)存要求較高;轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)虛擬機(jī)主要用于VR視頻流的直播、點(diǎn)播和分發(fā)，對(duì)內(nèi)存和硬盤(pán)要求較高;存儲(chǔ)類(lèi)虛擬機(jī)主要用于媒資存儲(chǔ)、切片存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)碼存儲(chǔ)、發(fā)布存儲(chǔ)等，要求硬盤(pán)空間要求大;渲染類(lèi)虛擬機(jī)主要用于云VR資源的運(yùn)行、渲染計(jì)算以及流化視頻的推送，對(duì)CPU、GPU、內(nèi)存和網(wǎng)卡的性能要求均較高。

由于渲染類(lèi)虛擬機(jī)需要消耗較多硬件資源，為提高其資源利用率和VR資源運(yùn)行的兼容性，本文采用沙箱技術(shù)，在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)上按需隔離出多個(gè)獨(dú)立的環(huán)境，每個(gè)環(huán)境中運(yùn)行一個(gè)云VR資源應(yīng)用實(shí)例，使單個(gè)虛擬機(jī)能夠支持多個(gè)用戶接入和多種VR資源運(yùn)行。

5? 云VR資源平臺(tái)部署

云VR資源平臺(tái)由資源業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和資源運(yùn)行分發(fā)系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立又相互協(xié)同，從資源管理和資源運(yùn)行兩個(gè)維度共同為云VR資源應(yīng)用提供功能支撐。

資源業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)云VR資源應(yīng)用服務(wù)的日常運(yùn)營(yíng)，包括用戶管理、內(nèi)容管理、認(rèn)證管理和評(píng)價(jià)反饋等功能。其中，用戶管理主要包括角色管理、權(quán)限管理、分組管理和積分管理等功能;內(nèi)容管理主要包括資源的內(nèi)容分類(lèi)、內(nèi)容審核和內(nèi)容更新等功能;認(rèn)證管理主要用于校驗(yàn)用戶登錄的賬號(hào)密碼或?qū)拥谌秸J(rèn)證機(jī)構(gòu);評(píng)價(jià)反饋主要包括資源質(zhì)量評(píng)價(jià)、平臺(tái)服務(wù)評(píng)價(jià)和資源改進(jìn)反饋等功能。

資源運(yùn)行分發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)云VR資源從內(nèi)容注入到編碼推流的全流程服務(wù)，并負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)與用戶交互，包括轉(zhuǎn)碼、存儲(chǔ)/緩存、渲染、分發(fā)等功能。按照支持交互業(yè)務(wù)類(lèi)型的不同，該系統(tǒng)分為數(shù)字媒體模塊和云渲染模塊兩部分。數(shù)字媒體模塊主要用于支持VR視頻直播、點(diǎn)播等以觀看體驗(yàn)為主的弱交互VR業(yè)務(wù)，其功能與傳統(tǒng)的視頻直播、點(diǎn)播系統(tǒng)相似，以轉(zhuǎn)碼、存儲(chǔ)/緩存、內(nèi)容分發(fā)等功能為主。云渲染模塊主要用于支持需要用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)的強(qiáng)交互VR業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)響應(yīng)終端的交互指令，實(shí)現(xiàn)VR資源的邏輯計(jì)算、實(shí)時(shí)渲染、流化編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

6? 結(jié)語(yǔ)

云VR作為云計(jì)算、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與VR技術(shù)的融合創(chuàng)新，其技術(shù)體系及產(chǎn)業(yè)生態(tài)正處于蓬勃發(fā)展階段，為VR技術(shù)的普及應(yīng)用帶來(lái)無(wú)限可能。本文提出一種云VR在高校課堂教學(xué)中的部署應(yīng)用框架，闡述了各模塊的功能作用，設(shè)計(jì)了具體的部署應(yīng)用方式，以期為解決VR技術(shù)在高校課堂教學(xué)中的應(yīng)用困境問(wèn)題提供新思路。■

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