云VR在高校课堂教学中的部署应用研究

刘朝斌 沙琨 王亚平 陈晨

摘  要 受多重因素影响，当前VR技术在高校课堂教学中的应用尚处于初级阶段，以个别示范和简单体验为主，对课堂教学的支撑作用发挥不明显。提出一种云VR在高校课堂教学中的部署应用框架，对各模块的功能作用进行细化阐述，对具体的应用部署方式进行分析设计，以期为解决VR技术在高校课堂教学中的困境问题提供新思路。

关键词 教育信息化;云VR;高校课堂教学;Wi-Fi;5G

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）18-0038-03

Research on Deployment and Application of Cloud VR in Uni-versities Classroom Teaching//LIU Chaobin， SHA Kun， WANG Yaping， CHEN Chen

Abstract Affected by multiple factors， the current application of VR

technology in universities classroom teaching is still in the primary stage， which is mainly based on individual demonstration and simple

experience， and the supporting role of VR technology in classroom teaching is not obvious. This paper proposes a deployment applica-tion framework of cloud VR in Universities classroom teaching， ela-

borates the function of each module， analyzes and designs the speci-fic application deployment mode， in order to provide new ideas for solving the dilemma of VR technology in Universities classroom tea-

ching.

Key words educational informatization; cloud VR; universities class-

room teaching; Wi-Fi; 5G

0  前言

《教育信息化2.0行动计划》的发布标志着我国教育信息化已经从1.0时代迈入2.0时代，信息新技术与教育教学的深度融合随之进入新阶段[1]。虚拟现实（Virtual Reality，VR）作为新一代的创新信息技术[2]，其在教育教学中发挥的积极作用日趋显现，并得到政府部门的高度关注，先后印发《关于实施卓越教师培养计划2.0的意见》《工业和信息化部关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》等文件，强调推进VR技术在高等教育、职业教育等领域的应用，以推动VR技术在教育领域的应用落地[3]。但是，受VR产业生态割裂、缺少通用平台支持、可移动性不够等因素影响，VR技术在高校教学中的应用尚处于初级阶段，尤其是在课堂教学中的应用以个别示范和简单体验为主，难以真正发挥其对课堂教学的有效支撑作用[4]。

云VR技术将云计算、云渲染理念引入VR业务应用中，具有统一平台、无线部署、灵活应用等技术特点，为VR技术在高校课堂教学中的融合应用打开广阔空间[5]。本文针对上述VR技术应用的困境问题，提出一种云VR在高校课堂教学中的部署应用框架，对各模块的功能作用进行细化阐述，对具体的应用部署方式进行分析设计，以期为云VR在高校课堂教学中的应用提供技术指导。

1  云VR部署应用的总体框架

按照云VR从终端到云端的逻辑体系进行划分，其技术总体框架主要包括终端层、网络层、硬件层和平台层（如图1所示）。终端层由云VR终端及其配套的外置定位设备组成，主要用于动作捕捉、视频流解码、画面刷新与显示等;网络层由各类有线、无线网络设备组成，用于将云VR视频流从云端传输至终端，并将用户操作指令从终端传输至云端;硬件层由服务器、存储及虚拟化软件组成，用于为云VR资源应用提供性能高、兼容好、分配灵活的计算存储资源池;平台层是部署于云端的应用系统，用于资源业务管理和资源运行分发。

2  云VR终端设备部署

依托强大的云端计算和渲染能力，云VR终端对硬件性能的要求明显下降，轻量化已成为云VR终端与本地化VR终端的关键区别，但为满足动作捕捉与定位、畸变校正、快递解码、异步扭曲等功能需求，云VR终端仍需具备一定的计算处理能力。同时，为获得部署快捷、使用灵活、交互自由的用户体验，无线化是云VR终端未来发展的必然趋势，但受限于现有无线网络的承载能力，通过有线连接是获得VR极致体验的现实选择。因此，云VR终端的部署方式主要有三种。

1）移动端VR。该方式将手机与VR头显设备进行有线连接，然后手机通过5G移动网络或Wi-Fi无线网络连接云端。

2）VR一體机。VR一体机集成了显示屏、透镜、传感器、处理器和无线网卡等硬件，能够独立进行运算和联网，可直接通过5G移动网络或Wi-Fi无线网络连接云端。

3）外接插线式VR。该方式将VR头显设备与计算机或手机进行有线连接（HDMI或USB线），然后计算机或手机通过光纤、Wi-Fi等方式连接云端。

3  云VR网络链路部署

云VR资源引入课堂教学的网络部署设计，应主要从单路网络带宽、终端入网方式和单点最大同时使用人数三个维度进行统筹考量。首先，云VR资源主要以视频流的形式通过网络传输到VR终端设备，与传统视频资源相比，云VR资源的视场角更大（相当于空间球，左右视角360°，上下视角180°），帧率要求更高，为获得与传统视频资源同样的清晰度，云VR资源需要传输的视频流数据更多，对网络带宽的需求更大。根据现阶段云VR资源应用的实际情况，单路网络带宽应≥80 Mbps。其次，云VR对终端轻量化、部署快捷化和移动便利化的需求，决定了其终端的网络接入方式以无线接入为主、有线接入为辅。最后，课堂教学具有场地相对集中、学生人数较多、应用需求多样的特点，在一个教室或房间中（即单点）同时使用云VR资源的最大人数一定程度上决定了教师的教学方式方法。

本文按照云VR终端接入网络的类型及方式不同，给出Wi-Fi接入、5G接入和有线接入三种网络部署模式，以满足不同应用场景的具体需求。

3.1  Wi-Fi接入

Wi-Fi作为无线通信技术，现已发展至第6代，即Wi-Fi 6，其工作频段分别为2.4 GHz和5 GHz。从单路网络带宽≥80 Mbps的云VR资源应用需求看，能够满足该需求的只有Wi-Fi 4～6（详见表1）。Wi-Fi接入网络构建主要通过“万兆POE交换机+无线AP”或5G CPE的方式进行。

“万兆POE交换机+无线AP”部署方式通过校园光纤网络连接云VR的云端，无线AP与POE交换机通过千兆网线连接。为避免无线AP相互之间信号干扰，每个教室无线AP数量需根据教室楼宇无线频谱规划、无线通信协议工作频段及所需信道带宽确定。例如，Wi-Fi 4工作在2.4 GHz和5 GHz频段，单路网络带宽为150 Mbps时所需信道带宽为40 MHz，因此，单个教室内最多部署八个无线AP（2.4 GHz

频段两个，5 GHz频段六个）。

5G CPE部署方式通过将5G信号转换为Wi-Fi信号，实现基于5G移动网络连接云VR的云端，基于Wi-Fi无线网络连接VR终端设备，而5G CPE设备作为信号转换设备，发挥着连接5G移动网络和Wi-Fi无线网络的中继作用。5G CPE方式相比“万兆POE交换机+无线AP”方式，部署更为灵活便捷，但每个教室的5G CPE设备部署数量同样受Wi-Fi通信协议限制，且对运营商的网络服务依赖较大。

3.2  5G接入

5G接入网络构建不需要将5G信号转换为Wi-Fi信号，从云端到终端均依托5G移动网络建立网络连接。该网络部署模式需在教室中接入5G基站，并将5G模组内置在VR终端设备中，支持接入设备数量主要取决于5G移动网络性能。受5G模组软硬件成熟度不足的影响，目前市场上内置5G模组的VR终端较少，因此，该网络部署模式尚需相关硬件配套升级。

3.3  有线接入

有线网络部署模式主要依托校园有线网络进行，通过光纤万兆接入教室，接入交换机端口速率及网络线缆传输速率均不低于千兆，接入光纤数量以及交换机端口数量根据单点最大同时使用人数确定。该网络部署模式具有支持单点最大同时使用人数多、网络传输速率高且稳定可靠的优点，但终端可移动性差，且仅支持“PC+VR头显”的终端类型，主要适用于云VR实训室或专修室建设。

4  云VR硬件平台部署

VR资源不同于普通的数字教学资源，对硬件设备的计算性能和显卡性能要求较高，且由于目前VR产业生态较为割裂，VR资源的开发方法、体系结构以及硬件设备多种多样，且VR软硬件及资源的耦合度较高，需要兼容性较好的硬件平台进行支撑。本文基于虚拟化技术，设计构建云VR资源应用的云端硬件平台，为云VR的资源存储、访问管理、内容分发、云端渲染、实时交互等功能应用提供高效灵活、开放兼容、安全稳定的运行环境。

为提高云端硬件的兼容性和资源分配的灵活性，本文采用裸金属虚拟机架构与沙箱技术相结合的方式，对计算存储硬件资源进行虚拟化部署。裸金属虚拟机架构直接在服务器硬件上面安装虚拟机监控器Hypervisor，通过Hyper-

visor虚拟化出多个虚拟机，并为每个虚拟机分配合适的CPU、内存、存储、显卡、网卡等硬件资源，再在虚拟机上安装操作系统及应用。该架构不依赖于操作系统，能够支持多种操作系统和应用，更加灵活高效。

針对云VR资源应用，虚拟机主要包括五种类型：管理类虚拟机、转码类虚拟机、分发类虚拟机、存储类虚拟机、渲染类虚拟机。其中，管理类虚拟机主要用于资源管理和业务管理，性能要求较为均衡;转码类虚拟机主要用于VR视频流的编码、转码和切片，对CPU和内存要求较高;转发类虚拟机主要用于VR视频流的直播、点播和分发，对内存和硬盘要求较高;存储类虚拟机主要用于媒资存储、切片存储、转码存储、发布存储等，要求硬盘空间要求大;渲染类虚拟机主要用于云VR资源的运行、渲染计算以及流化视频的推送，对CPU、GPU、内存和网卡的性能要求均较高。

由于渲染类虚拟机需要消耗较多硬件资源，为提高其资源利用率和VR资源运行的兼容性，本文采用沙箱技术，在虚拟机操作系统上按需隔离出多个独立的环境，每个环境中运行一个云VR资源应用实例，使单个虚拟机能够支持多个用户接入和多种VR资源运行。

5  云VR资源平台部署

云VR资源平台由资源业务管理系统和资源运行分发系统组成，两个系统相对独立又相互协同，从资源管理和资源运行两个维度共同为云VR资源应用提供功能支撑。

资源业务管理系统负责云VR资源应用服务的日常运营，包括用户管理、内容管理、认证管理和评价反馈等功能。其中，用户管理主要包括角色管理、权限管理、分组管理和积分管理等功能;内容管理主要包括资源的内容分类、内容审核和内容更新等功能;认证管理主要用于校验用户登录的账号密码或对接第三方认证机构;评价反馈主要包括资源质量评价、平台服务评价和资源改进反馈等功能。

资源运行分发系统负责云VR资源从内容注入到编码推流的全流程服务，并负责实时与用户交互，包括转码、存储/缓存、渲染、分发等功能。按照支持交互业务类型的不同，该系统分为数字媒体模块和云渲染模块两部分。数字媒体模块主要用于支持VR视频直播、点播等以观看体验为主的弱交互VR业务，其功能与传统的视频直播、点播系统相似，以转码、存储/缓存、内容分发等功能为主。云渲染模块主要用于支持需要用户与虚拟环境进行实时互动的强交互VR业务，主要负责响应终端的交互指令，实现VR资源的逻辑计算、实时渲染、流化编码、数据发送等功能。

6  结语

云VR作为云计算、无线网络与VR技术的融合创新，其技术体系及产业生态正处于蓬勃发展阶段，为VR技术的普及应用带来无限可能。本文提出一种云VR在高校课堂教学中的部署应用框架，阐述了各模块的功能作用，设计了具体的部署应用方式，以期为解决VR技术在高校课堂教学中的应用困境问题提供新思路。■

参考文献

[1]段丹萍.多种理论视角下的VR教育应用研究综述[J].中国教育技术装备，2019（6）：54-56，60.

[2]刘勉，张际平.虚拟现实视域下的未来课堂教学模式研究[J].中国电化教育，2018（5）：30-37.

[3]朱福军，郑萌，顾倩颐.VR技术视角下课堂学习环境革新与重构[J].中国教育技术装备，2017（2）：43-45，48.

[4]高嵩，赵福政，刘晓晖.国外虚拟现实（VR）教育研究存在的问题与启示[J].中国电化教育，2018（3）：19-23，73.

[5]熊华平，李大为，黄琨，等.云化虚拟现实技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2019.