吳明勝，余小琴，祿志成，張秀蓉

(甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

自2016年起，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被人們所熟知，這一年被稱為“VR元年”[1]。傳統(tǒng)的3G、4G技術(shù)采用一個(gè)信號(hào)基站對(duì)應(yīng)上千用戶的服務(wù)方式，而5G技術(shù)采用一個(gè)信號(hào)基站對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶的方式，有著更快的傳輸速率和更大的容量[2]。在5G環(huán)境中，怎樣使VR視頻的沉浸感更加清晰地表現(xiàn)出來成為目前科學(xué)界的主流，5G服務(wù)于VR的這項(xiàng)研究將會(huì)給人們的生活和工作帶來翻天覆地的變化，因此這一研究在目前的科技領(lǐng)域內(nèi)有著極大的吸引力[3-5]。

筆者介紹5G技術(shù)背景下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了5G技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合的發(fā)展前景，展示了新的科學(xué)發(fā)展是改變?nèi)祟愇磥戆l(fā)展的主流。

1 5G技術(shù)與VR概述[6-8]

1.1 5G技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)突破

5G是采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，是指在某個(gè)基站內(nèi)，用戶手機(jī)與設(shè)備進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)囊环N方式，但是在每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的各個(gè)基站之間的信號(hào)傳輸還是采用具有光纜的有線傳輸。

模擬制式的手機(jī)大哥大屬于1G通信技術(shù)，2G技術(shù)已經(jīng)具備良好的通話音質(zhì)和特定的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，3G技術(shù)可合成一些影像、音樂等，也能提供一些網(wǎng)頁(yè)瀏覽、通話會(huì)議、多媒體商務(wù),4G技術(shù)能夠傳輸畫質(zhì)較高的視頻，將3G和WLAN結(jié)合在一起,在過去的十幾年的時(shí)間里，我國(guó)擺脫了用戶終端設(shè)備被束縛的局限、實(shí)現(xiàn)了比較完整的移動(dòng)性、以及可靠的傳輸方式和接續(xù)手段。

20世紀(jì)末，移動(dòng)通信技術(shù)成為社會(huì)發(fā)展不可缺少的必要因素。5G技術(shù)，就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，它是一種全新的無(wú)線接入技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人與個(gè)人、事物與事物以及個(gè)人與事物之間安全、有效和自由的聯(lián)通，圖1所示為現(xiàn)代化移動(dòng)通信關(guān)系圖。

圖1 現(xiàn)代化移動(dòng)通信關(guān)系圖 圖2 珠峰上5G基站的覆蓋

使用了很多小型基站的5G技術(shù)，將之前的一個(gè)信號(hào)基站對(duì)應(yīng)上千用戶的服務(wù)方式改為一個(gè)信號(hào)基站服務(wù)一個(gè)用戶的方式，這種基站分布方式具有更高的穩(wěn)定性。

5G技術(shù)采用高頻段的傳輸技術(shù)，擁有一定數(shù)量的天線和設(shè)備，相當(dāng)于把以前的高速公路改修為高鐵運(yùn)行的鐵路，使得傳輸速率更快。設(shè)備與設(shè)備之間的通信方式是5G技術(shù)特點(diǎn)之一，此方式采取終端進(jìn)行通信的模式，因此網(wǎng)絡(luò)有了更低的延遲。2020年5月初，在珠峰大本營(yíng)處，中國(guó)移動(dòng)與華為設(shè)立了海拔為5300 m的5G信號(hào)基站，這是5G信號(hào)第一次實(shí)現(xiàn)對(duì)珠峰以及附近線路的覆蓋。如圖2所示。

1.2 VR的概念及特征

VR的名稱是Virtual Reality，中文意思是虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱為靈境技術(shù)，[3]這是一種在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，把仿真模擬技術(shù)、多媒體信息技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)以及三維圖像技術(shù)結(jié)合在一起的高科技技術(shù)[4]。利用計(jì)算機(jī)等多種硬件設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)虛擬空間，在該空間中，用戶可以有觸摸、聆聽、觀察、等多種身處其中的感受[5]，也可以跟任何事務(wù)進(jìn)行自然交互，圖3所示為虛擬現(xiàn)實(shí)的交互畫面。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互畫面

三維建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的三種關(guān)鍵技術(shù)。三維建模技術(shù)主要是利用建模軟件來制作一些空間模型，這種技術(shù)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性起著關(guān)鍵作用；立體顯示技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一種最直接的表現(xiàn)形式，其功能普遍采用一些硬件顯示設(shè)備，例如頭盔和VR眼鏡等來實(shí)現(xiàn)；[6]人機(jī)交互技術(shù)是人和計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的技術(shù)，其經(jīng)歷了從桌面上的鍵盤鼠標(biāo)到移動(dòng)端的多點(diǎn)觸控，最后到虛擬現(xiàn)實(shí)的體感交互，主要用到的設(shè)備有數(shù)據(jù)手套、手柄等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的組成如圖4所示，分別由虛擬世界、虛擬現(xiàn)實(shí)app、計(jì)算機(jī)、輸入與輸出設(shè)備。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成

VR技術(shù)主要應(yīng)用是線上購(gòu)物、旅游、網(wǎng)絡(luò)直播、工程、遠(yuǎn)程看房、教育、電影電視、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、游戲等十大領(lǐng)域。目前，很多美術(shù)館和博物館用VR技術(shù)代替了傳統(tǒng)的展示形式，以新穎的方式向參觀者展示了文物的珍貴和藏品的原貌，打破了時(shí)間與空間的界限，如圖5所示。用全景攝像機(jī)進(jìn)行拍攝制作而成的VR影片給觀眾帶來了視覺和聽覺上的沉浸， 同時(shí)也給創(chuàng)作者帶來了新的挑戰(zhàn)[7]。人們?cè)陔娪昂碗娨曋兴吹降奶摂M影像，是一些具有虛擬技術(shù)的真人參與表演以后被認(rèn)為是臺(tái)上的演員，從而給觀眾帶來具有沉浸式的體驗(yàn)。

圖5 博物館文物展示

2 5G時(shí)代下虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展

2.1 VR的全景直播技術(shù)

利用5G技術(shù)發(fā)展起來的VR直播可以應(yīng)用到云教育、網(wǎng)購(gòu)以及體育賽事等領(lǐng)域，VR直播對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求如表1所列。

表1 VR直播的網(wǎng)絡(luò)要求

2020年12月2～6日，第34屆CBDF中國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)舞錦標(biāo)賽在深圳會(huì)展中心舉行，展示了中國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)舞三十多年的發(fā)展歷程。據(jù)悉，這是該項(xiàng)賽事時(shí)隔12年之后的第七次落地鵬城。疫情尚未結(jié)束，能夠在深圳舉辦一場(chǎng)“年度大賽”實(shí)屬不易。

為給大家?guī)砭是覜]有遺憾的演出，VR直播以前所未有的5G+8K/4K、多機(jī)位、多視角、沉浸式給觀眾帶來感官體驗(yàn)。此次賽事采用線上打分系統(tǒng)，為使國(guó)外評(píng)審與場(chǎng)外觀眾更全面地觀賞賽事，此賽事首次使用了VR直播，以360°全景鏡頭直播賽事現(xiàn)場(chǎng)。

利用5G技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)的賽事情況傳回給數(shù)據(jù)制作系統(tǒng)，經(jīng)編輯和切換后通過VR技術(shù)將畫面轉(zhuǎn)送到評(píng)委和觀眾的視野，[8]還可以使用全景攝像機(jī)采集選手第一視角，[9]觀眾可以體驗(yàn)選手視角的感受。

2.2 VR在探視業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

5G環(huán)境下，VR探視業(yè)務(wù)可以做到給患者和家屬提供較長(zhǎng)時(shí)間的情感交流，以重癥監(jiān)護(hù)室病房為例，對(duì)于重癥監(jiān)護(hù)室的病人，家屬無(wú)法隨時(shí)進(jìn)行陪伴和照顧，VR探視業(yè)務(wù)可以有效地解決這一難題，家屬不用進(jìn)入病房，通過手機(jī)軟件或者佩戴VR眼鏡就可以看到重癥監(jiān)護(hù)室病房的全景情況。

探視業(yè)務(wù)對(duì)視覺質(zhì)量要求較高，在效率高、移動(dòng)性強(qiáng)的5G技術(shù)中加入VR技術(shù)，可以給觀眾帶來一種身臨其境的視覺盛宴。以前的4G網(wǎng)絡(luò)在帶寬和時(shí)延上，無(wú)法滿足VR信息的傳輸要求，超低的延遲性是虛擬現(xiàn)實(shí)所需的基本要求之一，穩(wěn)定的超低延遲在改進(jìn)處理很多的數(shù)據(jù)包時(shí)，延遲達(dá)到毫秒級(jí)，5G網(wǎng)絡(luò)可以將時(shí)延縮小至1 ms[9]，因此，VR與5G技術(shù)相互促進(jìn)，為我國(guó)的科技發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。

2.3 VR技術(shù)與教育的結(jié)合

目前許多理工科院校和醫(yī)學(xué)院校，其所設(shè)立的專業(yè)都具有很強(qiáng)的操作性和實(shí)踐性，這些專業(yè)的操作性和實(shí)踐性對(duì)學(xué)生要求非常高，在國(guó)內(nèi)教育過程中，有些實(shí)踐性學(xué)習(xí)主要是以看為主，學(xué)生只能在“看”的基礎(chǔ)上自己去想象實(shí)際的操作和實(shí)踐。VR教學(xué)讓學(xué)生把書本知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，經(jīng)過多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，來體會(huì)這種參與感極強(qiáng)的實(shí)踐帶來的對(duì)理論的加強(qiáng)，從而改進(jìn)學(xué)生的操作能力，提高學(xué)習(xí)效率。

以口腔教學(xué)為例，VR教學(xué)系統(tǒng)通過仿真口腔的臨床環(huán)境，包括人體的頭蓋骨、雙眼、鼻子的輪廓、耳朵、以及逼真的口腔環(huán)境，另外還仿真牙椅的各項(xiàng)功能，主要有充填、洗牙、磨牙、吸拓和備牙[10]。該場(chǎng)景還配有口腔內(nèi)科、牙齒矯正、口腔修復(fù)等各種教學(xué)模型，通過仿真性學(xué)習(xí)來掌握口腔臨床的基礎(chǔ)知識(shí)。

2.4 VR新聞的敘事潮流

4G時(shí)代，VR技術(shù)分別在天氣預(yù)報(bào)、節(jié)目表演以及體育報(bào)道中有過嘗試性的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)由于技術(shù)上的落后和終端設(shè)備的各種問題，所呈現(xiàn)的效果使人感覺眩暈和卡頓感。5G作為一種全新的數(shù)學(xué)技術(shù)，突破了以上技術(shù)性難題，滿足了人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在視覺和沉浸感方面要求，這種用VR技術(shù)進(jìn)行新聞報(bào)道的方式打破了傳統(tǒng)媒體報(bào)道形式，增加了新聞敘事的深度。

VR新聞的敘事過程，給觀眾一種身臨其境的感受，讓其有了沉浸感和參與感，觀眾可以和新聞報(bào)道中的人物進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，從而完成信息的接收。VR新聞利用設(shè)備終端，由敘事者提供各種信息，觀眾在場(chǎng)景對(duì)這些信息進(jìn)行編碼，從而產(chǎn)生了觀眾對(duì)于事件的認(rèn)知[11]，在場(chǎng)景中對(duì)新聞報(bào)道的內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立思考，這一技術(shù)突破給新聞界帶來的更好的效益同時(shí)也提高了人們對(duì)新聞的興趣。

2.5 VR的發(fā)展模式

借助5G技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在業(yè)務(wù)方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，交互性和虛擬性得到進(jìn)一步提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的云化降低了成本投入，VR技術(shù)的迅速普及也給運(yùn)營(yíng)商帶來了更高的收入[12]。

5G技術(shù)相比4G技術(shù)變化較大，拓寬了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景，VR技術(shù)的應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展。5G技術(shù)提高了VR的設(shè)備性能，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無(wú)線化徹底擺脫了傳輸數(shù)據(jù)慢的特點(diǎn)。表2所示為4G與5G的性能對(duì)比。令m、n分別為4G網(wǎng)絡(luò)下的能效和頻譜效率，則5G網(wǎng)絡(luò)下的能效和頻譜效率分別為100m和3n～5n[11]。

表2 4G與5G的性能對(duì)比

隨著5G技術(shù)的到來，很多運(yùn)營(yíng)商搶占市場(chǎng)，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)布局速度正在持續(xù)加快，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積與質(zhì)量也正在進(jìn)一步改善，VR技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段[12]，VR行業(yè)有著無(wú)法預(yù)知的未來，在此基礎(chǔ)上，VR技術(shù)的發(fā)展與5G技術(shù)相結(jié)合，人們對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體會(huì)更加真切，人類也將更快地進(jìn)入智慧生活。

3 5G時(shí)代下虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的前景

VR技術(shù)在很多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用展現(xiàn)了科技發(fā)展的魅力，給人類生活帶來了巨大的改變，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高將會(huì)給人類在視覺上帶來更加神秘精彩的體驗(yàn)。

3.1 增強(qiáng)沉浸感

在VR直播過程中，5G技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)選手的畫面導(dǎo)入直播制作系統(tǒng)，經(jīng)過編輯合成以后通過VR技術(shù)展示給觀眾，觀眾通過滑動(dòng)屏幕轉(zhuǎn)移視角，可以一直追隨直播中選手的動(dòng)作，也可以通過自由切換模式來選擇觀看哪位選手。利用的5G+8k多機(jī)位、多視角技術(shù)給觀眾帶來了一場(chǎng)身臨其境的視覺體驗(yàn)，切換VR模式，戴上VR眼鏡又是一番令人震撼的精彩世界，不同的觀看方式增強(qiáng)了在這種遠(yuǎn)程直播環(huán)境下的VR應(yīng)用的沉浸感。

在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，用戶可以通過自身的一些動(dòng)作與硬件設(shè)備相結(jié)合增強(qiáng)沉浸感，其中手勢(shì)識(shí)別是最有效方式，能讓人的身體與虛擬環(huán)境中的場(chǎng)景進(jìn)行各種互動(dòng)，這也是人機(jī)交互的一種方式；另外提高硬件設(shè)備的視覺技術(shù)，對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行精確的識(shí)別，捕捉人體手勢(shì)的深度信息，會(huì)進(jìn)一步提高沉浸感。

3.2 加快傳輸速度

5G時(shí)代，大寬帶、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)更是為流暢的VR直播提供了保障。5G技術(shù)主要是一個(gè)信號(hào)基站服務(wù)一位用戶，采用終端進(jìn)行通信的方式，使VR信息在傳輸過程中更加穩(wěn)定；5G技術(shù)所采用的高頻段的傳輸技術(shù)，擁有一定數(shù)量的天線和設(shè)備，從而提高了VR技術(shù)在場(chǎng)景應(yīng)用中的傳輸速度，也為用戶提供了更好的視覺體驗(yàn)。

5G技術(shù)傳輸?shù)倪^程中，可以通過正交頻分復(fù)用、脈沖無(wú)線電以及空時(shí)調(diào)制編碼的方式來提高頻譜的利用率進(jìn)而提高傳輸速度；另外通過降低最低的截止頻率，提高最高的截止頻率來增加頻譜帶寬從而提高傳輸速度。

3.3 提高實(shí)時(shí)交互性

5G技術(shù)在VR影片、VR新聞敘事、VR教育教學(xué)等技術(shù)中，提供了足夠的流暢度和較強(qiáng)的畫質(zhì)感，給用戶一種極強(qiáng)的虛擬性，讓其有了參與感和沉浸感，從而與VR應(yīng)用場(chǎng)景中的人物進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)，完成信息的傳遞與接收。用戶在傳遞與接收信息時(shí)，首先根據(jù)VR設(shè)備終端，將VR場(chǎng)景中的各種信息進(jìn)行匯總和編碼，使得用戶對(duì)場(chǎng)景中的信息有了自己的認(rèn)知，而5G技術(shù)在互動(dòng)的過程中提高實(shí)時(shí)交互性。

高度優(yōu)化的虛擬現(xiàn)實(shí)手柄會(huì)增加觸覺反饋進(jìn)而提高VR技術(shù)在應(yīng)用過程中的實(shí)時(shí)交互性；采用動(dòng)作捕捉技術(shù)，使用戶進(jìn)入“真實(shí)”世界，會(huì)獲得完全的沉浸感，提高實(shí)時(shí)交互性。

4 結(jié) 語(yǔ)

5G技術(shù)的發(fā)展，影響和改變著VR技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用， 5G+VR技術(shù)是最完美的科技組合，受2021年疫情影響，很多企業(yè)借助5G+VR的技術(shù)建立了“云旅游”、“云教育”的線上平臺(tái)，用戶在不出門的前提下，感受外面世界的美好與其妙，并且根據(jù)自身的需要可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在不久的將來，大寬帶低時(shí)延的5G技術(shù)會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)VR應(yīng)用的發(fā)展，將更深刻的改變著未來世界的發(fā)展。