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        基于5G網(wǎng)絡與云計算構建MR云的研究與探討

        2021-08-31 08:05:58俞科峰
        廣東通信技術 2021年8期
        關鍵詞:資源庫延時終端

        [俞科峰]

        1 引言

        隨著5G基礎建設進程加快,5G 創(chuàng)新應用進入了高速發(fā)展期,在眾多的創(chuàng)新應用中,5G+AR 成為了除物聯(lián)網(wǎng)技術外企業(yè)青睞的技術,含運營商、華為、中興等產(chǎn)業(yè)鏈公司在內(nèi),眾多的產(chǎn)業(yè)鏈、高科技企業(yè)紛紛熱衷參與相關技術的研究。

        AR(Augmented Reality)增強現(xiàn)實,它是通過傳感器獲取真實的場景,應用計算機計算能力將真實場景信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,并對根據(jù)需要進行增強,如增加額外的圖像、聲音、視頻及顯示其他細節(jié)信息。現(xiàn)應用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、教育、旅游、公共安全等行業(yè);員工培訓、網(wǎng)絡會議、專業(yè)指導等場景。但是AR 終究只是現(xiàn)實的增強,它無法實現(xiàn)智能交互。比AR 更具有實際應用價值的技術MR(Mixed Reality)混合現(xiàn)實就應運而生。

        MR 將真實場景與虛擬場景進行融合,通過混合疊加的呈現(xiàn)方式讓用戶可以真實地感受到交互和體驗。MR 更具有真實應用價值,是因為它具有智能交互性。MR 技術的應用具有代表性的案例,是微軟的Hololens 解決方案。但MR在實際的應用中,由于需要依賴專業(yè)的MR 設備和專業(yè)技術平臺,其能力部署的高成本、技術使用涉及專業(yè)性等局限至使無法更廣泛地應用。即便微軟的Hololens 解決方案提出的可以讓非專業(yè)人士從事專業(yè)工作,但就高昂的價格以及需要專業(yè)平臺支撐,也只有少量的企業(yè)能應用,無法泛民用。

        縱觀國內(nèi)AR云的廣泛應用,尤其在房地產(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)銷售、汽車互聯(lián)網(wǎng)銷售等在手機上實現(xiàn)AR 技術,意味著AR 并不依賴于AR 眼鏡;同理,MR 是否必須依賴于專業(yè)的設備才能實現(xiàn)被打上問號。由此引發(fā)本次研究的課題:基于5G 與云計算技術在智能終端上實現(xiàn)模擬MR 技術的應用研究。

        2 概念與說明

        2.1 混合現(xiàn)實(MR)

        Mixed Reality 混合現(xiàn)實,可以簡單概況為“裸眼現(xiàn)實+虛擬畫面+數(shù)字信息”。是一種將真實場景和虛擬場景自然地融合在一起,用戶可以很真實地感受包括遮擋、碰撞以及展開細節(jié)等交互的技術。引言中提到,在技術實現(xiàn)中具有代表性的是微軟的Hololens。

        通過Hololens 與Google Glass 對比來說明MR 技術與AR 技術之間的區(qū)別。Google Glass 是AR 眼鏡,它智能將虛擬場景和真實場景進行簡單的疊加顯示,虛擬和真實沒有很好地融合,無法達到體驗式交互。而Hololens,雖然像AR 設備,但它具有實時的計算能力,通過對真實場景的與虛擬場景的融合,讓用戶真實感受體驗式交互,同時Hololens 可借助網(wǎng)絡與專用平臺對接,在虛擬場景上增加數(shù)字化說明。

        2.2 MR云的實現(xiàn)依賴于5G網(wǎng)絡

        從2.1 節(jié)可以了解,MR 技術區(qū)別于AR 技術,不僅僅只是單純的將真實場景與虛擬場景的疊加,在最終成像技術上,需要運用大量的計算能力。概括而言,MR 與AR 的本質(zhì)區(qū)別在于實時的交互計算。

        AR云,通過對真實場景的信息采集上傳到云平臺,在使用的時候,從云平臺調(diào)用所需要的信息,在終端上進行展示,網(wǎng)絡僅僅只是呈現(xiàn)延時。但MR云,需要與真實場景進行交互,云平臺需要實時采集真實場景信息進行數(shù)字化加工,融合虛擬場景,再通過網(wǎng)絡傳輸?shù)浇K端進行輸出,期間的對網(wǎng)絡穩(wěn)定性、網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡延時都有著很高的要求,因此,MR云的實現(xiàn)只有選擇5G 超低延時專用切片才能很好地實現(xiàn)。

        補充說明的是,有很多學者會提出,高速網(wǎng)絡使用專線寬帶也能達到,但本文所研究的是MR 技術更廣泛地應用,專線寬帶具有獨有性,與專用設備性質(zhì)相同;同時,即使是光纖寬帶,也無法達到超低延時。由此可見,MR云的實現(xiàn)依賴于5G網(wǎng)絡。

        3 構建MR云的研究與探討

        3.1 MR云的構建研究

        MR 技術在工業(yè)領域與設備維護領域已經(jīng)開始應用,MR云的構建已具備技術基礎,從MR 應用原理基礎上,重點推進以下3 點,以構建MR云能力。

        (1)通過輕應用方式替代MR 專用設備;

        (2)真實場景、用戶交互場景、虛擬場景的融合實時計算能力云化;

        (3)場景數(shù)據(jù)、交互數(shù)據(jù)、媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與安全性。

        3.1.1 MR 的組成與工作原理

        混合現(xiàn)實(MR),從概念上就是真實世界與虛擬世界的交互性融合,MR 的運作需要以下組成部分,如圖1 所示。

        圖1 混合現(xiàn)實(MR)的工作原理

        (1)通過攝像頭采集真實世界信息;通過傳感器獲取用戶交互信息;

        (2)MR 設備數(shù)據(jù)緩存器緩存相關數(shù)據(jù),并通過算法將真實場景轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息;

        (3)交互信息發(fā)送到MR 系統(tǒng)匹配響應策略,并從系統(tǒng)中獲取虛擬場景信息;

        (4)MR 設備通過算法將真實場景與虛擬場景及數(shù)字交互信息進行融合計算;

        (5)通過MR 設備的顯示組件進行成像輸出。

        MR 眼鏡在真實的工作場景應用,MR 眼鏡采用高清視頻采集組件,實時獲取真實環(huán)境/設備,通過交互識別攝像頭識別用戶的交互手勢將相關視頻信息緩存到MR 的運存中。MR 的計算模塊分別對真實場景、交互信息進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。MR 設備通過交互策略將交互信息通過完了過傳送到MR 系統(tǒng)獲取服務響應策略或調(diào)動遠程支撐。MR 系統(tǒng)將響應策略的虛擬場景及交互信息回傳到MR 設備中。MR 設備的計算模塊對真實場景、虛擬場景以及交互信息進行融合計算,并最終在MR 眼鏡的顯示屏上成像展示。

        MR在展示成像,通過真實場景+帶標識顏色的虛擬場景的融合展示及虛擬引導方式(如操作引導指示),可以讓用戶直觀地了解面對的場景/設備情況,以及下一步的操作。

        3.1.2 MR云的構建

        根據(jù)MR 應用構建,MR云的架構設計為4 層,分別是:終端層、數(shù)據(jù)層、計算層、資源層,架構設計如圖2 所示。

        圖2 MR云平臺架構設計

        (1)終端層:包括應用終端與管理終端。

        ①應用終端。以MR 專用設備(如MR 眼鏡),應用程序(手機端APP)等作為接觸媒介,通過傳感器獲取場景/設備的包括影像、聲音等信息并將信息上傳至MR云。同時,應用終端含有顯示組件,通過接受MR云傳送的混合現(xiàn)實圖像進行實時呈現(xiàn)。

        ② 管理終端。主要以PC 終端為主,通過管理終端的云桌面,可進行MR云的配置與資源維護,信息識別訓練等。

        (2)數(shù)據(jù)層:信息傳輸與信息緩存兩部分。

        ①信息傳輸。通過5G-MR 專用切片上傳與下載媒體信息。上傳信息指的是應用終端將攝像設備采集的真實場景信息、用戶交互信息上傳到MR云。下載信息指的是MR云將MR 媒體信息通過應用終端進行實時播放。

        ② 信息緩存。信息中間件,主要用于媒體信息的緩存,包括緩存上傳的真實場景信息、用戶交互動作信息以及MR 媒體信息。

        (3)計算層:計算層是MR云的核心部分,其計算包含三部分。

        ①真實場景數(shù)字化轉(zhuǎn)換計算。與增強現(xiàn)實(AR)的場景計算相似,對攝像設備采集的真實場景模擬信號進行數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換計算,對關鍵信息(背景數(shù)據(jù)、設備/產(chǎn)品)進行標識。

        ② 虛擬場景與真實場景混合計算。通過關鍵信息標識,將背景數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、客戶交互動作數(shù)據(jù)等進行分組,分別與資源層傳輸?shù)奶摂M場景信息進行疊加計算或融合計算,輸出初始化混合場景結果。

        ③模擬交互數(shù)字化轉(zhuǎn)換計算。將交互策略、操作引導、遠程專業(yè)指導等信息進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換計算,輸出的模擬交互數(shù)字信息。

        ④ 全場景信息實時融合計算。將初始化混合場景結果與模擬交互數(shù)字信息進行融合計算,最終合并成為融合場景視頻信息即MR 媒體信息推向應用終端進行實時播放。

        (4)資源層:包括產(chǎn)品信息庫、案例資源庫、服務資源庫、交互響應策略、遠程支撐組件。

        ①產(chǎn)品信息庫。主要存放企業(yè)的產(chǎn)品信息,記錄包括產(chǎn)品型號、標識以及其他說明。

        ② 案例資源庫。存放產(chǎn)品說明書、操作流程及產(chǎn)品排障指引案例三部分的數(shù)字資源。

        ③服務資源庫。用于存放的基于用戶需求、用戶交互動作匹配案例資源庫操作指引的索引信表,即用戶需求+產(chǎn)品設備與案例資源的映射關系表。

        ④ 交互響應策略。根據(jù)MR云的應用需求,而構建的服務。通過服務資源庫的映射結果從案例資源庫獲取包括用戶的行為動作,MR云需要做出的反應動作數(shù)字資源輸出交互策略信息。交互響應策略高度依賴企業(yè)對案例資源庫的完善及交互響應訓練。

        ⑤ 遠程支撐組件。通過該組件實現(xiàn)遠程呼叫工程師,實時遠程視頻協(xié)作指導操作。

        3.2 MR云的研究

        3.2.1 MR云構建的意義

        構建MR云,主要的意義在于使用MR 技術不需要依賴于專業(yè)的MR 設備,降低使用門檻,讓MR 技術能更普及地應用于各服務領域,優(yōu)勢在于:

        (1)應用去專業(yè)化。只要使用帶攝像頭、顯示屏、能接入互聯(lián)網(wǎng)的智能終端,就能輕松地使用MR 技術,可以在工業(yè)、物流、電信、服務領域等廣泛應用。

        (2)核心算法云化,迭代更簡單。核心算法的云化,算法迭代只需要通過服務中臺更新算法,無論是測試還是全用戶更新,效率更高。

        3.2.2 MR云構建與應用需面臨的問題

        MR云的構建與應用面臨以下的問題。

        (1)網(wǎng)絡延時

        MR 的專用設備的成本高,是因為從攝像、傳感器及核心算法均構建在一個設備上,但正因為算法在同一設備,因此,MR 眼鏡能夠更快、更真實地將現(xiàn)實場景與虛擬場景融合在一起,沒有信息延時。當MR 算法云化后,從終端獲取的信息傳輸?shù)皆埔约霸朴嬎爿敵龅拿襟w信息傳輸?shù)浇K端,傳輸?shù)木W(wǎng)絡必然存在延時,延時的高低,決定著MR云的計算出錯高低。同時,用戶在使用MR 技術時不可能靜止不動,而且用戶需要根據(jù)MR 給出的引導進行操作,產(chǎn)生的位移信息,若延時高,MR云的計算出錯可能非常嚴重,甚至有可能拖垮平臺。

        前文中提到MR云的應用需要高度依賴于5G 的低延時網(wǎng)絡切片,但實際的應用效果,需要在MR云構建測試實施時,才能被驗證是否能解決信息傳輸延時的問題。

        (2)容錯設計不夠完善

        MR云的構建核心在于MR 計算能力云化,除了需要應用如:SLAM、YOLO 等核心算法外,還必須對算法進行改良,首先要解決的是容錯能力的問題。當MR 核心算法云化后,除了網(wǎng)絡延時外,還會存在數(shù)據(jù)包丟失、信息傳輸不完整等情況,這就導致在融合計算時容易出錯。如果容錯設計不夠完善,在并發(fā)量大的情況下,大量的報錯將直接導致云平臺宕機。

        (3)補全場景技術還不成熟。

        MR云的應用需要展示更完整的真實場景信息,當傳輸?shù)男畔⒈蝗蒎e時,展示的場景信息就會丟失,現(xiàn)有的GQN 或衛(wèi)星采用的照片+EDM 數(shù)據(jù)場景補全技術,目前仍在探索階段,未能很普及的應用,為此,當應用場景缺失的狀況下,MR云可能存在較大的應用缺陷。

        4 MR云在服務領域的應用探討

        MR云的構建探討中,如果可以解決上節(jié)提到的網(wǎng)絡延時、高容錯及場景補全技術,MR云在實際應用中將有更大的作為。尤其在服務行業(yè)的應用。

        行業(yè)應用示例如圖3 所示,在手機安裝MR云應用,通過使用手機攝像頭拍攝現(xiàn)場設備信息以及需要交互的操作需求(如安裝、維修),云平臺收集用戶上載的信息進行匹配響應資源、案例庫或通過呼叫專業(yè)人員遠程支撐,然后將操作步驟、虛擬場景信息及現(xiàn)實的設備信息進行融合計算,并通過應用展示給用戶。

        圖3 5G+MR云服務支撐示例

        5 結束語

        隨著5G 進程不斷推進,AR云、智能交互等創(chuàng)新技術迭代發(fā)展,MR云的構建已具備實現(xiàn)條件,雖然MR云在構建與應用上仍存在很多需要解決的問題,MR云的構建將帶來MR 技術的創(chuàng)新發(fā)展,MR 的應用領域也會更為廣泛,而且MR云在生產(chǎn)與服務場景上,比AR云更具有應用意義,MR云應用如:3D 說明書、MR 服務支持等立體自助服務場景。除了MR云,應用技術云化將是應用技術未來發(fā)展的趨勢,利用創(chuàng)新技術不斷優(yōu)化客戶問題解決方案,能更好地助力企業(yè)騰飛,創(chuàng)造更大的價值。

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