王東升

（南京欣網(wǎng)通信科技股份有限公司，江蘇 南京 210044）

0 引言

在傳統(tǒng)教學中，對知識是以二維邏輯或原理圖的形式進行解析的，必要時，還可以通過三維空間的實際實習或實驗來促進對知識的理解。然而，二維解析和三維實驗實習往往在不同的時間和空間中進行，并且由于受限于實驗或實習條件而無法準確、全面和充分地還原知識，從而使學生在學習過程中面臨障礙。因此，5G+智慧教育全息互動播放控制系統(tǒng)研發(fā)具有以下目的。

（1）5G+智慧教育全息互動播放控制系統(tǒng)通過VR三維呈現(xiàn)的仿真場景及AR臺交互式教學，將三維形態(tài)和二維解析甚至抽象知識信息進行同步、對應和交互，使傳統(tǒng)教學中的三個維度的教學內容有機組合在同一教學場景內，克服傳統(tǒng)教學方式的弊端，幫助教師更有效地進行知識的教授，幫助學生更直觀地對知識進行理解和記憶。

（2）5G+智慧教育全息互動播放控制系統(tǒng)通過上下屏聯(lián)動技術，有助于學生右腦的三維空間和形象思維與左腦的語言、數(shù)字和邏輯理解完美結合，通過采用標識卡交互的創(chuàng)造性教學方式，將學生動眼觀察、動腦思考和動手操作同步統(tǒng)一，有效提高學生的注意力和理解記憶效率。

（3）5G+智慧教育全息互動播放控制系統(tǒng)可模擬真實的實驗練習環(huán)境，使學生在虛擬的三維環(huán)境中進行線上實驗或實訓操作練習，利用信息網(wǎng)絡技術收集用戶實驗和實訓數(shù)據(jù)，接著通過虛擬仿真實驗教學管理平臺進行實驗課程的安排和實驗效果的檢查，進而打破教學過程中實驗高危險和高污染、時間和空間以及資源消耗大成本高等限制，增強學生的實操動手能力，在寓教于樂的虛擬環(huán)境中教學，提高了學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，同時建立了完善的教學效果評估、評價和反饋機制。

1 系統(tǒng)背景

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》指出：建立數(shù)字教育資源共建共享機制，制定數(shù)字教育資源技術和使用的基本標準，制定資源評審和評價指標體系，建立用戶在線評價和專家評審相結合的資源評價機制；利用指導性投入支持資源的開發(fā)和應用；制定政府購買優(yōu)質數(shù)字教育資源和服務的相關政策，支持用戶按需購買資源和服務，鼓勵企業(yè)等社會力量開發(fā)和提供數(shù)字教育資源與服務[1]。

《教育信息化2.0行動計劃》也明確強調了智慧學習支持環(huán)境的建設，提出通過加強智慧學習的理論研究和項目設計，促進技術開發(fā)和實踐應用，進而提高人才培養(yǎng)的質量[2]。大力推進智能教育，發(fā)展建設以學生為中心的智能化教學環(huán)境，推動人工智能在教學和全過程管理中的應用，利用智能技術加快人才培養(yǎng)模式和教學方法的改革，探索泛在、智能和靈活的教育教學新環(huán)境。

加快構建面向下一代網(wǎng)絡的高校智能學習系統(tǒng)。適應5G網(wǎng)絡技術的發(fā)展，服務于全時域、全受眾和全空域的智能學習新要求，注重提高知識傳授、素質提升和能力培養(yǎng)，以國家優(yōu)質開放網(wǎng)絡課程和示范性虛擬仿真實驗教學項目建設為載體，加強大容量智能教學資源建設。加快構建在線智能實驗室、智能教室、虛擬工廠（醫(yī)院）等智能學習環(huán)境，積極探索基于大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新技術的智能學習效果記錄、傳遞、認證和交換的有效方式，形成無處不在的智能學習體系，推進智能和信息技術深度融入教育教學全過程[3-4]。

2 5G網(wǎng)絡應用

作為新一代移動通信技術，5G的網(wǎng)絡能力、結構和要求與之前的技術有很大的不同之處[5]，大量技術融入其中，主要有：基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入；實現(xiàn)可擴展的OFDM間隔參數(shù)配置；通過OFDM加窗提高多路傳輸效率；靈活的框架設計；先進的新型無線技術；超密集異構網(wǎng)絡；網(wǎng)絡的自組織；網(wǎng)絡切片；內容分發(fā)網(wǎng)絡；設備到設備通信；邊緣計算；軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡虛擬化。

5G是一個復雜的系統(tǒng)，在5G基礎上建立的網(wǎng)絡，不僅要提升網(wǎng)絡速率，同時還對其在教育、醫(yī)療、文化等各個領域的多元化應用提出了更多的要求。通信技術的發(fā)展給人類生活帶來了巨大的變化，通信技術的進步不斷刺激著人類對移動通信的潛在需求[6]。以中國移動為例，經(jīng)過前四代網(wǎng)絡建設，中國移動已初步形成GSM和TD-LTE并行雙網(wǎng)，而TD-SCDMA已逐步退出，2G網(wǎng)絡主要用于語音業(yè)務，4G與5G網(wǎng)絡主要用于數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。

隨著5G系統(tǒng)容量的大幅增加，移動通信運營商將建設大量的小型和微型基站，站間距更小，各種無線傳輸技術的各種低功率節(jié)點的站點密度將達到當前站點密度的10倍以上，進而形成超密集多級無線接入網(wǎng)絡。超密集網(wǎng)絡在提高系統(tǒng)容量的同時引發(fā)了許多新問題。例如，大量的小型和微型基站將使大量低速移動用戶面臨頻繁的切換問題和用戶移動性管理問題，此外，還有大規(guī)模節(jié)點間資源協(xié)同和干擾屏蔽等問題。與4G網(wǎng)絡相比，5G網(wǎng)絡處理復雜度呈指數(shù)級增長，如何解決這些問題是未來實現(xiàn)5G網(wǎng)絡全覆蓋與健康發(fā)展的關鍵研究方向。

3 系統(tǒng)整體方案

3.1 整體系統(tǒng)架構

5G+智慧教育全息交互播放控制系統(tǒng)由全息圖像采集點和全息展示端兩個重要組成部分。其中，圖像采集點采用綠幕工作室的形式，采集人和物體的原始相位，并通過高帶寬的5G網(wǎng)絡發(fā)送到全息顯示終端。在全息展示端，系統(tǒng)采集的人和物體的原始相位以全息方式顯示，從而給觀眾如同看到真實物體一樣的感官體驗。采集終端的主要設備包括全息廣播服務器、4K攝像機、綠幕攝影棚、配套照明和音響等設備。全息顯示終端包括全息投影幕布、全息投影儀、全息投影服務器、LED屏幕、配套照明和音響等設備。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

（1）全息互動播放控制系統(tǒng)的應用。全息互動播放控制系統(tǒng)支持包括課堂教學場景、大型新聞發(fā)布會演示場景、多方電話會議全息顯示場景、展臺全息展示場景在內的多種應用場景。

（2）全息互動播放控制系統(tǒng)平臺。全息互動播放控制系統(tǒng)平臺的主要功能包括廣播系統(tǒng)、備份系統(tǒng)、視頻記錄系統(tǒng)、交互系統(tǒng)和流媒體庫。

（3）全息互動播放控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡。通信運營商5G網(wǎng)絡的大帶寬和低時延可以確保上層應用的高質量使用體驗。此外，云網(wǎng)計算資源、存儲資源和集成資源可支持整個系統(tǒng)的高效運行。

（4）全息互動播放控制系統(tǒng)的全息服務器。全息服務器分為投影服務器和廣播服務器，投影服務器用于在展覽現(xiàn)場投影全息影像，廣播服務器用于在全息圖像采集端中采集和傳輸全息影像。

（5）全息互動播放控制系統(tǒng)的硬件設備。全息投影端的主要硬件包括全息薄膜、全息LED屏幕和全息投影儀；全息采集端的主要硬件包括超高清相機和綠幕攝影棚。

3.2 全息遠程互動教學

（1）全息播放平臺。全息播放平臺功能類似于導播平臺，其主要功能包括控制直播開關、監(jiān)控輸入流、監(jiān)控輸出流、監(jiān)控設備狀態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、管理內容庫、編輯導播流等。其中，本文所述系統(tǒng)支持多流輸入輸出，可以互為備份，監(jiān)控輸入流的功能主要是在存在多個輸入流的情況下，控制哪條流作為實際輸入流，用于現(xiàn)場備份倒換。編輯導播流指的是可以在輸出流的基礎上，疊加流媒體特效，流媒體特效被存放在內容庫中，可以伴隨著演講者的表演，將流媒體特效疊加在導播流之前，在視覺上達到科幻和虛擬現(xiàn)實疊加的感官體驗。

（2）全息播放終端。全息播放有多種終端和介質，需根據(jù)現(xiàn)實場地環(huán)境和客戶要求的效果等采用適宜的技術裝備。全息投影儀的關鍵指標包括流明數(shù)、焦距、分辨率以及功耗。全息投影儀適用于較小的空間，如教室、展臺等場景，可根據(jù)用戶場地和需求選擇適用的全息投影儀。一般來講，LED投影底部鋪設支架結構，在結構上鋪設木板，再將LED屏幕鋪放在木板上，這樣可以保證LED屏幕的平整性，LED投影適合在大型展會及發(fā)布會現(xiàn)場使用。

（3）全息投影薄膜。全息投影薄膜是全息投影的成像介質，通常有兩種標配尺寸，一種為H5：1.52 m×2.43 m顯示屏，適用于較小的場所，如會議室、教室；一種為H10：3.05 m×2.43 m顯示屏，能夠呈現(xiàn)多位演講者以及多個圖像。

（4）全息錄制環(huán)境。全息錄制環(huán)境是一個綠幕攝影棚，包括4K攝像機、綠色屏幕背景、照明和配套音響設備。演示人員置身綠幕攝影棚內，將人像提取并通過全息廣播服務器發(fā)向展示端，從而展示出清晰的全息人像。

（5）全息互動服務器。它包括全息廣播服務器和投影服務器，其中，采集終端中部署了全息廣播服務器，將采集的影像和聲音進行預處理和編碼，并按指定的路徑發(fā)送到對端全息投影服務器。全息投影服務器將發(fā)送過來的信息進行解碼，并連接展示現(xiàn)場的全息投影儀、音響等設備，將全息影像投影出來。

4 結束語

一些多媒體投影技術會對人體感官造成不適，例如，電視屏幕很容易導致眼睛疲勞，VR頭盔會導致眼睛疲勞和眩暈，不利于長期觀看。全息投影技術具有其他投影技術無法比擬的優(yōu)勢，它允許人們通過肉眼直接觀看虛擬事物，投影的畫面非常清晰生動，不會對用戶的感官造成不適。與之前的移動通信系統(tǒng)不同，5G不僅解決網(wǎng)絡問題，更重要的是為行業(yè)的特定問題提供綜合解決方案和服務，將網(wǎng)絡、平臺、業(yè)務、終端融合在一起。由于數(shù)據(jù)量大，全息投影技術需要平滑、無卡頓投影和實時交互，這對傳輸網(wǎng)絡速率有很大的要求，5G的大帶寬和低延時特性正好滿足了這些要求。真正有價值的服務來自真實的業(yè)務需求，雖然網(wǎng)絡的發(fā)展離不開業(yè)務的升級，但全息投影技術是教育應用的新升級，促進了5G技術在教育領域的應用?！?/p>