5G+智慧教育全息互动播放控制系统研究

王东升

（南京欣网通信科技股份有限公司，江苏 南京 210044）

0 引言

在传统教学中，对知识是以二维逻辑或原理图的形式进行解析的，必要时，还可以通过三维空间的实际实习或实验来促进对知识的理解。然而，二维解析和三维实验实习往往在不同的时间和空间中进行，并且由于受限于实验或实习条件而无法准确、全面和充分地还原知识，从而使学生在学习过程中面临障碍。因此，5G+智慧教育全息互动播放控制系统研发具有以下目的。

（1）5G+智慧教育全息互动播放控制系统通过VR三维呈现的仿真场景及AR台交互式教学，将三维形态和二维解析甚至抽象知识信息进行同步、对应和交互，使传统教学中的三个维度的教学内容有机组合在同一教学场景内，克服传统教学方式的弊端，帮助教师更有效地进行知识的教授，帮助学生更直观地对知识进行理解和记忆。

（2）5G+智慧教育全息互动播放控制系统通过上下屏联动技术，有助于学生右脑的三维空间和形象思维与左脑的语言、数字和逻辑理解完美结合，通过采用标识卡交互的创造性教学方式，将学生动眼观察、动脑思考和动手操作同步统一，有效提高学生的注意力和理解记忆效率。

（3）5G+智慧教育全息互动播放控制系统可模拟真实的实验练习环境，使学生在虚拟的三维环境中进行线上实验或实训操作练习，利用信息网络技术收集用户实验和实训数据，接着通过虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程的安排和实验效果的检查，进而打破教学过程中实验高危险和高污染、时间和空间以及资源消耗大成本高等限制，增强学生的实操动手能力，在寓教于乐的虚拟环境中教学，提高了学生的学习兴趣和创新能力，同时建立了完善的教学效果评估、评价和反馈机制。

1 系统背景

《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》指出：建立数字教育资源共建共享机制，制定数字教育资源技术和使用的基本标准，制定资源评审和评价指标体系，建立用户在线评价和专家评审相结合的资源评价机制；利用指导性投入支持资源的开发和应用；制定政府购买优质数字教育资源和服务的相关政策，支持用户按需购买资源和服务，鼓励企业等社会力量开发和提供数字教育资源与服务[1]。

《教育信息化2.0行动计划》也明确强调了智慧学习支持环境的建设，提出通过加强智慧学习的理论研究和项目设计，促进技术开发和实践应用，进而提高人才培养的质量[2]。大力推进智能教育，发展建设以学生为中心的智能化教学环境，推动人工智能在教学和全过程管理中的应用，利用智能技术加快人才培养模式和教学方法的改革，探索泛在、智能和灵活的教育教学新环境。

加快构建面向下一代网络的高校智能学习系统。适应5G网络技术的发展，服务于全时域、全受众和全空域的智能学习新要求，注重提高知识传授、素质提升和能力培养，以国家优质开放网络课程和示范性虚拟仿真实验教学项目建设为载体，加强大容量智能教学资源建设。加快构建在线智能实验室、智能教室、虚拟工厂（医院）等智能学习环境，积极探索基于大数据、区块链等新技术的智能学习效果记录、传递、认证和交换的有效方式，形成无处不在的智能学习体系，推进智能和信息技术深度融入教育教学全过程[3-4]。

2 5G网络应用

作为新一代移动通信技术，5G的网络能力、结构和要求与之前的技术有很大的不同之处[5]，大量技术融入其中，主要有：基于OFDM优化的波形和多址接入；实现可扩展的OFDM间隔参数配置；通过OFDM加窗提高多路传输效率；灵活的框架设计；先进的新型无线技术；超密集异构网络；网络的自组织；网络切片；内容分发网络；设备到设备通信；边缘计算；软件定义网络和网络虚拟化。

5G是一个复杂的系统，在5G基础上建立的网络，不仅要提升网络速率，同时还对其在教育、医疗、文化等各个领域的多元化应用提出了更多的要求。通信技术的发展给人类生活带来了巨大的变化，通信技术的进步不断刺激着人类对移动通信的潜在需求[6]。以中国移动为例，经过前四代网络建设，中国移动已初步形成GSM和TD-LTE并行双网，而TD-SCDMA已逐步退出，2G网络主要用于语音业务，4G与5G网络主要用于数据传输业务。

随着5G系统容量的大幅增加，移动通信运营商将建设大量的小型和微型基站，站间距更小，各种无线传输技术的各种低功率节点的站点密度将达到当前站点密度的10倍以上，进而形成超密集多级无线接入网络。超密集网络在提高系统容量的同时引发了许多新问题。例如，大量的小型和微型基站将使大量低速移动用户面临频繁的切换问题和用户移动性管理问题，此外，还有大规模节点间资源协同和干扰屏蔽等问题。与4G网络相比，5G网络处理复杂度呈指数级增长，如何解决这些问题是未来实现5G网络全覆盖与健康发展的关键研究方向。

3 系统整体方案

3.1 整体系统架构

5G+智慧教育全息交互播放控制系统由全息图像采集点和全息展示端两个重要组成部分。其中，图像采集点采用绿幕工作室的形式，采集人和物体的原始相位，并通过高带宽的5G网络发送到全息显示终端。在全息展示端，系统采集的人和物体的原始相位以全息方式显示，从而给观众如同看到真实物体一样的感官体验。采集终端的主要设备包括全息广播服务器、4K摄像机、绿幕摄影棚、配套照明和音响等设备。全息显示终端包括全息投影幕布、全息投影仪、全息投影服务器、LED屏幕、配套照明和音响等设备。如图1所示。

图1 系统整体框架

（1）全息互动播放控制系统的应用。全息互动播放控制系统支持包括课堂教学场景、大型新闻发布会演示场景、多方电话会议全息显示场景、展台全息展示场景在内的多种应用场景。

（2）全息互动播放控制系统平台。全息互动播放控制系统平台的主要功能包括广播系统、备份系统、视频记录系统、交互系统和流媒体库。

（3）全息互动播放控制系统的网络。通信运营商5G网络的大带宽和低时延可以确保上层应用的高质量使用体验。此外，云网计算资源、存储资源和集成资源可支持整个系统的高效运行。

（4）全息互动播放控制系统的全息服务器。全息服务器分为投影服务器和广播服务器，投影服务器用于在展览现场投影全息影像，广播服务器用于在全息图像采集端中采集和传输全息影像。

（5）全息互动播放控制系统的硬件设备。全息投影端的主要硬件包括全息薄膜、全息LED屏幕和全息投影仪；全息采集端的主要硬件包括超高清相机和绿幕摄影棚。

3.2 全息远程互动教学

（1）全息播放平台。全息播放平台功能类似于导播平台，其主要功能包括控制直播开关、监控输入流、监控输出流、监控设备状态、监控系统状态、管理内容库、编辑导播流等。其中，本文所述系统支持多流输入输出，可以互为备份，监控输入流的功能主要是在存在多个输入流的情况下，控制哪条流作为实际输入流，用于现场备份倒换。编辑导播流指的是可以在输出流的基础上，叠加流媒体特效，流媒体特效被存放在内容库中，可以伴随着演讲者的表演，将流媒体特效叠加在导播流之前，在视觉上达到科幻和虚拟现实叠加的感官体验。

（2）全息播放终端。全息播放有多种终端和介质，需根据现实场地环境和客户要求的效果等采用适宜的技术装备。全息投影仪的关键指标包括流明数、焦距、分辨率以及功耗。全息投影仪适用于较小的空间，如教室、展台等场景，可根据用户场地和需求选择适用的全息投影仪。一般来讲，LED投影底部铺设支架结构，在结构上铺设木板，再将LED屏幕铺放在木板上，这样可以保证LED屏幕的平整性，LED投影适合在大型展会及发布会现场使用。

（3）全息投影薄膜。全息投影薄膜是全息投影的成像介质，通常有两种标配尺寸，一种为H5：1.52 m×2.43 m显示屏，适用于较小的场所，如会议室、教室；一种为H10：3.05 m×2.43 m显示屏，能够呈现多位演讲者以及多个图像。

（4）全息录制环境。全息录制环境是一个绿幕摄影棚，包括4K摄像机、绿色屏幕背景、照明和配套音响设备。演示人员置身绿幕摄影棚内，将人像提取并通过全息广播服务器发向展示端，从而展示出清晰的全息人像。

（5）全息互动服务器。它包括全息广播服务器和投影服务器，其中，采集终端中部署了全息广播服务器，将采集的影像和声音进行预处理和编码，并按指定的路径发送到对端全息投影服务器。全息投影服务器将发送过来的信息进行解码，并连接展示现场的全息投影仪、音响等设备，将全息影像投影出来。

4 结束语

一些多媒体投影技术会对人体感官造成不适，例如，电视屏幕很容易导致眼睛疲劳，VR头盔会导致眼睛疲劳和眩晕，不利于长期观看。全息投影技术具有其他投影技术无法比拟的优势，它允许人们通过肉眼直接观看虚拟事物，投影的画面非常清晰生动，不会对用户的感官造成不适。与之前的移动通信系统不同，5G不仅解决网络问题，更重要的是为行业的特定问题提供综合解决方案和服务，将网络、平台、业务、终端融合在一起。由于数据量大，全息投影技术需要平滑、无卡顿投影和实时交互，这对传输网络速率有很大的要求，5G的大带宽和低延时特性正好满足了这些要求。真正有价值的服务来自真实的业务需求，虽然网络的发展离不开业务的升级，但全息投影技术是教育应用的新升级，促进了5G技术在教育领域的应用。■