褚衛(wèi)艷（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 概述

目前VR 在垂直行業(yè)的應(yīng)用有了突飛猛進的發(fā)展，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，VR的發(fā)展進入了關(guān)鍵期。特別是增強移動寬帶的發(fā)展，推動VR 應(yīng)用的快速落地。VR 與可視化技術(shù)應(yīng)用-虛擬城市是綜合地運用GIS、遙感、遙測、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)，對城市內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施、功能機制進行自動采集、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策的數(shù)字化城市，是智慧城市建設(shè)的重要保障。

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的商用，5G 網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延的優(yōu)勢將大大提高Cloud VR用戶體驗。

5G Cloud VR需要良好的生態(tài)，生態(tài)圈各方協(xié)同合作，有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將成為數(shù)字時代的殺手锏應(yīng)用。數(shù)據(jù)可視化工具可以幫助分析人員直觀的看出業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢以及存在的問題，但是目前無法呈現(xiàn)復(fù)雜分析結(jié)果，Cloud VR 可以深入挖掘數(shù)據(jù)，能夠清楚地展示數(shù)千個數(shù)據(jù)點的詳細(xì)情況，并提供沉浸式和交互式的數(shù)據(jù)分析方式。

1.1 可視化面臨的挑戰(zhàn)

可視化技術(shù)包括空間數(shù)據(jù)的可視化和非空間數(shù)據(jù)的可視化，空間數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)顯示的對象涉及標(biāo)量、矢量和張量等不同類別的空間數(shù)據(jù)；而非空間可視化技術(shù)，顯示的對象主要是多維的標(biāo)量數(shù)據(jù)。

雖然數(shù)據(jù)可視化展示技術(shù)日益成熟，但在高速圖像變換方面仍面臨挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)分析人員可以觀察數(shù)據(jù)，但無法對數(shù)據(jù)強度變化做出分析。

目前可視化速度較低，對性能要求不高，動態(tài)可視化對性能要求較高?？筛兄慕换サ臄U展性也將面臨較大挑戰(zhàn)，從數(shù)據(jù)庫中查詢大規(guī)模數(shù)據(jù)將帶來高延時，降低交互體驗。在大數(shù)據(jù)可視化中，大規(guī)模數(shù)據(jù)以及高維數(shù)據(jù)展示較難。因此，Cloud VR 是VR 在可視化領(lǐng)域走向普及的必然選擇。

1.2 Cloud VR

實時仿真是VR 技術(shù)的核心內(nèi)容，主要是對真實環(huán)境進行三維建模，重點在于“實時”，在多個垂直領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。

目前體驗較好的VR 多是PC VR 終端設(shè)備，需要用戶購買昂貴主機或者高端PC，大大提高了VR 的使用門檻。

Cloud VR 將云計算技術(shù)引入VR 業(yè)務(wù)中，借助高速穩(wěn)定的5G 網(wǎng)絡(luò)，使內(nèi)容經(jīng)過編碼壓縮后傳輸?shù)浇K端。Cloud VR流程如圖1所示。

圖1 Cloud VR流程圖

為了保證云渲染業(yè)務(wù)的QoS，可構(gòu)建邊緣計算，邊緣計算可以很好地降低傳輸距離帶來的時延；利用邊緣計算服務(wù)集群大的CPU、GPU 計算能力，構(gòu)建靠近用戶的VR云渲染。

VR 終端設(shè)備功能包括終端顯示屏幕，用于將服務(wù)器端輸出的圖像進行顯示，使用戶可以觀看；傳感器，用于即時獲取頭戴式顯示設(shè)備的位置信息和朝向信息，進行頭部運動和眼睛方向的跟蹤。

云渲染系統(tǒng)的流程為：從傳感器中獲取頭戴式顯示器設(shè)備的位置信息和朝向信息進行頭部跟蹤，并將坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)信息反饋至應(yīng)用程序；應(yīng)用程序通過云渲染模塊對反饋的信息進行處理，設(shè)置坐標(biāo)矩陣，將處理過的圖像通過頭戴式顯示設(shè)備的硬件抽象層傳輸給VR 設(shè)備，用戶通過雙眼看到反饋后更新的畫面，還能夠通過偵測用戶眼睛的活動來完成通過眨眼控制的動作。

2 Cloud VR可視化解決方案

Cloud VR 可視化解決方案架構(gòu)共分4層：VR 技術(shù)與可視化、云平臺、網(wǎng)絡(luò)層、終端，Cloud VR 可視化解決方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Cloud VR可視化解決方案

a）VR 技術(shù)與可視化：基于Unity平臺和DXR 可視化工具，生產(chǎn)VR 可視化內(nèi)容，向VR 業(yè)務(wù)專用系統(tǒng)提供特定指標(biāo)要求的高質(zhì)量內(nèi)容，實現(xiàn)VR 內(nèi)容的快速引入和聚合。

b）云平臺：業(yè)務(wù)場景為大數(shù)據(jù)量、強交互類VR業(yè)務(wù)，云平臺需要新建VR 業(yè)務(wù)專用系統(tǒng)，比如：云渲染平臺、邊緣計算平臺等，來顯示VR 內(nèi)容的正常生產(chǎn)和發(fā)放。

c）網(wǎng)絡(luò)層：用戶可通過家庭寬帶接入，也可通過5G 移動網(wǎng)絡(luò)接入，為Cloud VR 提供大帶寬、低時延的穩(wěn)定傳輸。

d）終端：負(fù)責(zé)Cloud VR 業(yè)務(wù)接入、內(nèi)容呈現(xiàn)以及用戶鑒權(quán)等工作。為了能讓用戶獲得流暢的業(yè)務(wù)體驗，終端需要支持異步渲染技術(shù)。

3 Cloud VR關(guān)鍵技術(shù)

目前大部分VR 可視化應(yīng)用都是基于Unity3D 環(huán)境開發(fā)的，本文研究基于DXR（Data visualization for eXtend Reality）的一個開源的VR可視化構(gòu)建工具。

3.1 VR技術(shù)與可視化

a）Unity。Cloud VR 平臺基于Unity 技術(shù)，開發(fā)者通過Unity 平臺，集成HVR SDK，搭建本地開發(fā)平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用。

b）DXR：沉浸式可視化工具。DXR是虛擬現(xiàn)實情景下數(shù)據(jù)展示的開源工具，可通過它實現(xiàn)大數(shù)據(jù)在3D圖表中的展示。DXR 支持多種展示樣式，樣式配置支持JSON數(shù)據(jù)格式，如圖3所示。

圖3 DXR數(shù)據(jù)配置格式示意圖

DXR 中的可視化是由GameObject預(yù)制體Pre-prefab表示的，它可以被添加到Unity場景中，并可以進行編輯。Pre-prefab從文檔vis-specs讀取可視化映射。

DXR的構(gòu)成流程如圖4所示。

圖4 DXR流程圖

DXR 采用分層開發(fā)策略，對于不同層次的開發(fā)人員，提供了不同的使用方法。非編程人員可以通過簡單的預(yù)制件拖拽和文檔綁定，并通過GUI 進行屬性映射得到一個可視化結(jié)果；有一定經(jīng)驗的開發(fā)者可以通過腳本添加更細(xì)節(jié)的映射關(guān)系，并可以自定義標(biāo)記預(yù)制件；進階開發(fā)者可以通過派生類為marks 類添加更多自定義屬性和更復(fù)雜的表現(xiàn)樣式。

3.2 VR云渲染

Cloud VR 的主要過程在于渲染。渲染是把幾何圖元描述成圖形或圖像，具體就是根據(jù)光學(xué)原理的光照模型計算物體可見面投影到觀察者眼中的光亮度大小和色彩，并把它轉(zhuǎn)換成適合顯示設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一像素的顏色和光照效果，最終生成具有真實感的圖像。真實感圖像根據(jù)物體表面的材料性質(zhì)、表面向視線方向輻射的光能計算得來，計算復(fù)雜，計算量很大。VR 云渲染核心模塊如圖5所示。

圖5 VR云渲染核心模塊圖

VR 云渲染技術(shù)是一種以云計算和網(wǎng)絡(luò)串流技術(shù)為基礎(chǔ)的云應(yīng)用，它將三維可視化應(yīng)用放在云端服務(wù)器運行，并將渲染結(jié)果（視頻流+音頻流）壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶，在用戶終端進行解碼、顯示，同時再將用戶操作（控制流）傳輸回渲染服務(wù)器，最終實現(xiàn)用戶和虛擬世界的實時互動。VR 云渲染技術(shù)應(yīng)用場景示例如圖6所示。

圖6 VR云渲染技術(shù)應(yīng)用場景示例圖

高速且低延遲的5G 將突破云渲染的帶寬和延遲瓶頸，解決阻礙VR 云渲染發(fā)展的問題，從而實現(xiàn)VR終端、PC、平板電腦、手機等設(shè)備在實時3D 渲染畫面上的同步。電信運營商依托5G 全面部署MEC，中國聯(lián)通也已在全國開展MEC應(yīng)用試點。

4 結(jié)束語

引入VR 技術(shù)，數(shù)據(jù)實現(xiàn)沉浸式、多維度的可視化和交互，Cloud VR 解決方案的提出和成熟，使大數(shù)據(jù)、強交互的可視化展示得以實現(xiàn)。基于Cloud VR 的可視化和交互方式比傳統(tǒng)三維建模方法展示的尺度和分辨率更好，交互效果更加身臨其境。

Cloud VR 在VR 業(yè)務(wù)中引入云計算、云渲染技術(shù)，實現(xiàn)VR 業(yè)務(wù)內(nèi)容上云、渲染上云，VR 的渲染具有較大的時延，而邊緣計算作為5G 的重要技術(shù)之一，在靠近接入側(cè)的邊緣機房部署網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等，將低時延業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)在邊緣服務(wù)器處理和傳輸，進而降低時延，有效提高用戶體驗。

當(dāng)前Cloud VR 平臺的建設(shè)還處于初級階段，基于Cloud VR 平臺的可視化技術(shù)需求越來越多，相信隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的日益完善和成熟，云VR 平臺建設(shè)會逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，可視化技術(shù)在垂直行業(yè)將發(fā)揮重要作用，給社會帶來巨大的便利和影響。