基于5G+VR的沉浸式研學(xué)實訓(xùn)平臺研究及應(yīng)用

王慧

【摘要】? ? 基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低時延、大連接特性以及VR的沉浸性、交互性和構(gòu)想性特點，本文提出構(gòu)造以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將VR、AR、超高清互動內(nèi)容為承載的知識實訓(xùn)平臺，與研學(xué)實踐基地線下實地場景相融合，打造基于5G+VR的沉浸式研學(xué)實訓(xùn)平臺，探索“線上+線下”實訓(xùn)新模式，讓實訓(xùn)集聚學(xué)習(xí)性、互動性、沉浸式和科技性，增強(qiáng)知識實訓(xùn)的吸引力和感染力。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? VR? ? AR? ? 研學(xué)? ? 知識實訓(xùn)? ? 沉浸式? ? 互動性

一、研究背景

現(xiàn)代化進(jìn)程中，科技是關(guān)鍵，教育是基礎(chǔ)。傳統(tǒng)課堂式教育實訓(xùn)形式單一，亟需豐富教學(xué)方式方法。研學(xué)實訓(xùn)繼承和發(fā)展了“讀萬卷書，行萬里路”的教育理念和人文精神，結(jié)合國際上“研究性學(xué)習(xí)”的先進(jìn)理念、方法、模式，成為人才教育的新內(nèi)容和新方式。隨著5G和VR技術(shù)的發(fā)展與普及，如何將書本知識學(xué)習(xí)、研學(xué)實踐基地與5G+VR技術(shù)進(jìn)行融合，打造基于5G+VR的沉浸式研學(xué)實訓(xùn)平臺是本文研究方向。

二、基本概念和理論

2.1 5G

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，優(yōu)勢為：一是高速率，最高可達(dá)10Gbit/s，能滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸應(yīng)用;二是低時延，低于1毫秒，能夠滿足自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等實時應(yīng)用;三是大連接，能提供千億設(shè)備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信。

2.2 VR/AR

VR（Virtual Reality）虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者如同身臨其境一般，具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性三大特點，能滿足沉浸式、互動式的學(xué)習(xí)體驗類應(yīng)用。AR（Augmented Reality） 增強(qiáng)現(xiàn)實是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)，通過多媒體、三維建模、實時跟蹤、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后應(yīng)用到真實世界，為用戶提供現(xiàn)實環(huán)境中的物理和增強(qiáng)信息。

2.3研學(xué)

研學(xué)是“研究性學(xué)習(xí)”和“實地場所”相結(jié)合的教育活動，以科技、紅色、歷史、軍事、航天等各類主題開展實訓(xùn)教育，建立體驗式教學(xué)實訓(xùn)模式，讓參與者在真實場館中沉浸式體驗學(xué)習(xí)。

2.4知識學(xué)習(xí)平臺

知識學(xué)習(xí)平臺是以文字、圖片、視頻、直播等多種形式對知識進(jìn)行教育、講解、培訓(xùn)、測試及評估的線上學(xué)習(xí)平臺。

三、基于5G+VR的研學(xué)實訓(xùn)新模式研究

3.1研學(xué)實訓(xùn)現(xiàn)狀分析

目前研學(xué)實訓(xùn)體驗程度較淺，學(xué)習(xí)效果欠佳，易出現(xiàn)“游”大于“學(xué)”的情況，主要問題：一是教學(xué)形式簡單，多為參觀研學(xué)基地，以聽講解、觀看視頻、參與一些輕互動體驗活動等為主，學(xué)員僅能獲得短暫感慨和體會，缺乏一種持續(xù)性的學(xué)習(xí)理解，學(xué)習(xí)深度不足，實訓(xùn)效果欠佳。二是時間限制，由于線下參觀學(xué)習(xí)受時間因素影響，多以半日或一日為主，無法將實訓(xùn)基地承載的知識內(nèi)涵深入領(lǐng)悟。三是地理限制，遠(yuǎn)距離學(xué)員無法實地學(xué)習(xí)，且由于位置離散導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的研學(xué)基地知識無法融合和發(fā)揮研學(xué)實訓(xùn)最大價值。

3.2研學(xué)實訓(xùn)VR/AR應(yīng)用

1. VR虛擬研學(xué)基地。VR虛擬研學(xué)基地根據(jù)實現(xiàn)方式不同分為兩種，實景全景拍攝和虛擬建模。實景全景拍攝，是依托研學(xué)基地，利用超高像素矩陣攝影技術(shù)對基地進(jìn)行全景拍攝，再通過虛擬圖像處理技術(shù)將影像合成處理，形成360度全息影像。虛擬建模是根據(jù)學(xué)習(xí)主題，將主題相關(guān)的場景影像、圖片、音視頻等內(nèi)容聚合渲染，并通過計算機(jī)建模算法搭建合成。與此同時，研學(xué)基地知識內(nèi)容也可以通過VR技術(shù)制作成學(xué)習(xí)素材。相比傳統(tǒng)VR，云VR通過云計算技術(shù)，將音頻、視頻、游戲等內(nèi)容進(jìn)行渲染，在云端處理和編解碼，生成視頻流媒體，借助優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，通過終端推送至用戶。由于不受本地算力限制，云VR擴(kuò)展了傳統(tǒng)VR的業(yè)務(wù)模式和使用場景，更利于研學(xué)實訓(xùn)內(nèi)容大規(guī)模學(xué)習(xí)運(yùn)用。

2.研學(xué)實訓(xùn)AR內(nèi)容。通過AR技術(shù)對研學(xué)基地學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行虛擬建模，增強(qiáng)現(xiàn)實信息豐富教學(xué)內(nèi)容。傳統(tǒng)AR技術(shù)計算、渲染均在終端，對終端硬件要求較高，受限于本地算力，難以開展大場景業(yè)務(wù)應(yīng)用。云VR通過基于5G技術(shù)特性，將內(nèi)容部署在云端處理，即存儲、計算、建模、編解碼、渲染等主要功能集中在云端，生成視頻流媒體推送至用戶，可以大大降低學(xué)習(xí)門檻，有助于實訓(xùn)內(nèi)容的融合互通。

3.3基于VR/AR研學(xué)實訓(xùn)新平臺

為增強(qiáng)學(xué)習(xí)教育的持續(xù)性、全面性和感染力，將知識學(xué)習(xí)平臺、研學(xué)實踐基地與5G+VR/AR+云網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，打造研學(xué)實訓(xùn)新平臺，通過登錄平臺開展一站式研學(xué)實訓(xùn)。

1.實景研學(xué)實訓(xùn)。實景研學(xué)實訓(xùn)依托研學(xué)基地實地參觀學(xué)習(xí)，知識實訓(xùn)平臺作為導(dǎo)覽，指導(dǎo)學(xué)員自主完成研學(xué)全部知識學(xué)習(xí)。平臺采集研學(xué)基地多維度信息，包括地理信息、全景信息、路線信息、學(xué)習(xí)站點信息、知識點信息等。對采集信息數(shù)據(jù)加工處理后向?qū)W員推薦研學(xué)基地最優(yōu)學(xué)習(xí)路線，通過實時交互學(xué)員位置信息，在路線上引導(dǎo)學(xué)員前往各子學(xué)習(xí)站點。識別學(xué)員到達(dá)后，平臺自動推送學(xué)習(xí)任務(wù)，并根據(jù)學(xué)員學(xué)習(xí)情況智能推薦下一個學(xué)習(xí)任務(wù)。

學(xué)習(xí)站點學(xué)習(xí)任務(wù)包括兩類：一是引導(dǎo)學(xué)員實地觀看陣地線下提供的各類圖片、文字、音視頻、AR等學(xué)習(xí)內(nèi)容;二是推送線上學(xué)習(xí)內(nèi)容，如文字、圖片、音頻、視頻、VR、AR等。學(xué)員完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，平臺自動推送答題檢測學(xué)習(xí)情況。完成答題后出具學(xué)習(xí)報告，包括成績、正確率、薄弱項等。根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)評估學(xué)員學(xué)習(xí)情況，智能制定下一個學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)習(xí)站點學(xué)習(xí)達(dá)標(biāo)后，平臺引導(dǎo)學(xué)員前往下一個學(xué)習(xí)站點開展學(xué)習(xí)。完成所有學(xué)習(xí)任務(wù)后，平臺出具研學(xué)整體學(xué)習(xí)報告，包括知識點掌握數(shù)量、質(zhì)量、用時、成績、積分以及不同圈層的排名情況，使學(xué)員可以全面了解自身學(xué)習(xí)情況。學(xué)員學(xué)習(xí)情況會同步給所在組織，便于組織了解學(xué)員的學(xué)習(xí)情況，針對性開展知識實訓(xùn)提升。

2.虛擬研學(xué)實訓(xùn)。虛擬研學(xué)實訓(xùn)是以知識實訓(xùn)平臺為入口，進(jìn)入VR虛擬研學(xué)基地進(jìn)行學(xué)習(xí)。此方式是對受地理、時間等限制無法實地前往研學(xué)基地參觀學(xué)習(xí)的一種學(xué)習(xí)形式補(bǔ)充。虛擬場館通過熱點交互、展廳切換、自動導(dǎo)覽、音視頻播放、地圖導(dǎo)航等功能，引導(dǎo)學(xué)員通過終端設(shè)備進(jìn)行沉浸式體驗和學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)方式與實景研學(xué)實訓(xùn)基本相似，唯一區(qū)別所有學(xué)習(xí)任務(wù)均在線上完成。虛擬研學(xué)實訓(xùn)形式打破了實景研學(xué)實訓(xùn)受線下地域、空間、時間等多方面的限制，學(xué)員可以隨時隨地進(jìn)入虛擬展館進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。

3.研學(xué)實訓(xùn)5G應(yīng)用。為提升研學(xué)實訓(xùn)成效、豐富實訓(xùn)內(nèi)容，平臺學(xué)習(xí)內(nèi)容會以超高清視頻內(nèi)容、AR影像、VR全景視頻為主，有利于學(xué)員沉浸式體驗學(xué)習(xí)，通過簽名、合影、留言、宣誓、競答、VR游戲等提升實訓(xùn)互動性。相比傳統(tǒng)音視頻，高清視頻、AR視頻、VR視頻、交互體驗等需要更大、更清晰的畫面，一段幾秒鐘的高清全景視頻便可達(dá)到幾十兆甚至幾百兆。為避免出現(xiàn)卡頓、丟幀、花屏、時延眩暈等問題，5G網(wǎng)絡(luò)切片可保障VR/AR對網(wǎng)絡(luò)的需求，將網(wǎng)絡(luò)中不同用戶進(jìn)行切片分類，充分發(fā)揮低時延特性。同時在保證VR/AR應(yīng)用的時延、路徑選擇、帶寬保證等方面能夠進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分和精細(xì)控制，提供差異化服務(wù)保障。5G技術(shù)的超大帶寬、超低接入時延和廣覆蓋的接入服務(wù)，從技術(shù)上能實現(xiàn)VR/AR業(yè)務(wù)沉浸體驗的要求。

4.研學(xué)實訓(xùn)AI應(yīng)用。測評是檢測學(xué)習(xí)成果的有效方式之一，傳統(tǒng)答題測試較為枯燥，可通過引入人工智能AI技術(shù)增強(qiáng)競答互動性和趣味性。AI+健身做為新興行業(yè)不斷被大眾尤其是青年人所關(guān)注。研學(xué)實訓(xùn)與AI健身相結(jié)合，可以實現(xiàn)腦力和體力有機(jī)結(jié)合。

通過前端攝像頭抓取學(xué)員動作，基于計算機(jī)視覺算法進(jìn)行人體檢測、姿態(tài)估計、姿態(tài)跟蹤，實時獲取學(xué)員的運(yùn)動狀態(tài)并傳輸給云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過AI動作識別算法分析將結(jié)果反饋至終端，指導(dǎo)學(xué)員動作調(diào)整并反饋答題結(jié)果。AI體感答題傳輸數(shù)據(jù)量較大且時延要求需毫秒級，因此5G技術(shù)的高速率和低時延是AI+健身+競答優(yōu)質(zhì)體驗的保障。

四、基于5G+VR的研學(xué)實訓(xùn)平臺實現(xiàn)架構(gòu)

基于5G+VR的研學(xué)實訓(xùn)平臺架構(gòu)分為三層：基礎(chǔ)能力層、專業(yè)能力層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)能力層主要為網(wǎng)絡(luò)、安全、存儲、監(jiān)控及定位等基礎(chǔ)公共功能部署。專業(yè)能力層是支撐應(yīng)用層服務(wù)的功能實現(xiàn)模塊，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、虛擬交互、內(nèi)容呈現(xiàn)、體感能力和其他通用能力等。應(yīng)用層是面向?qū)W員提供應(yīng)用功能，是研學(xué)實訓(xùn)教育主要功能體現(xiàn)。

五、結(jié)束語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋及VR/AR技術(shù)的日趨成熟，將科技融入研學(xué)實訓(xùn)教育，豐富內(nèi)容、拓展形式、提升學(xué)習(xí)成效是研學(xué)工作的新挑戰(zhàn)。本文提出基于5G+VR的沉浸式研學(xué)實訓(xùn)平臺，充分利用5G特性及VR/AR沉浸式體驗，將知識學(xué)習(xí)與研學(xué)基地深入融合，實現(xiàn)線下傳統(tǒng)體驗式、觀摩式場景教學(xué)和線上虛擬場景體驗學(xué)習(xí)及知識互動競答結(jié)合，是“線上+線下”實訓(xùn)模式的新探索，讓學(xué)習(xí)形式更具創(chuàng)造力、吸引力和感染力，學(xué)習(xí)成效更深入更持久。通過科技與知識學(xué)習(xí)、研學(xué)實訓(xùn)深度融合，使知識教育實訓(xùn)更具創(chuàng)造力、吸引力和感染力，真正實現(xiàn)用好科技技術(shù)，增強(qiáng)知識實訓(xùn)成效，為科教興國戰(zhàn)略實施添磚加瓦。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 王玲. 基于5G網(wǎng)絡(luò)VR技術(shù)在智慧黨建中的創(chuàng)新應(yīng)用. 《通信與信息技術(shù)》2019年第4期

[2] 郭鑫. 5G與VR在智慧黨建的應(yīng)用與實踐. 《信息周刊》2018年第27期

[3] 吳珂. 基于深度體驗的河南紅色研學(xué)旅游產(chǎn)品開發(fā)研究.《太原市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報》2019年第10期