基于5G VR技術應用場景發展綜述*

吳明勝，余小琴，祿志成，張秀蓉

(甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

自2016年起，虛擬現實技術被人們所熟知，這一年被稱為“VR元年”[1]。傳統的3G、4G技術采用一個信號基站對應上千用戶的服務方式，而5G技術采用一個信號基站對應一個用戶的方式，有著更快的傳輸速率和更大的容量[2]。在5G環境中，怎樣使VR視頻的沉浸感更加清晰地表現出來成為目前科學界的主流，5G服務于VR的這項研究將會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域內有著極大的吸引力[3-5]。

筆者介紹5G技術背景下虛擬現實技術的應用現狀，重點闡述了5G技術與VR技術結合的發展前景，展示了新的科學發展是改變人類未來發展的主流。

1 5G技術與VR概述[6-8]

1.1 5G技術的發展及技術突破

5G是采用無線傳輸的方式，是指在某個基站內，用戶手機與設備進行信號傳輸的一種方式，但是在每個運營商的各個基站之間的信號傳輸還是采用具有光纜的有線傳輸。

模擬制式的手機大哥大屬于1G通信技術，2G技術已經具備良好的通話音質和特定的待機時長，3G技術可合成一些影像、音樂等，也能提供一些網頁瀏覽、通話會議、多媒體商務,4G技術能夠傳輸畫質較高的視頻，將3G和WLAN結合在一起,在過去的十幾年的時間里，我國擺脫了用戶終端設備被束縛的局限、實現了比較完整的移動性、以及可靠的傳輸方式和接續手段。

20世紀末，移動通信技術成為社會發展不可缺少的必要因素。5G技術，就是第五代移動通信技術，它是一種全新的無線接入技術，可以實現個人與個人、事物與事物以及個人與事物之間安全、有效和自由的聯通，圖1所示為現代化移動通信關系圖。

圖1 現代化移動通信關系圖 圖2 珠峰上5G基站的覆蓋

使用了很多小型基站的5G技術，將之前的一個信號基站對應上千用戶的服務方式改為一個信號基站服務一個用戶的方式，這種基站分布方式具有更高的穩定性。

5G技術采用高頻段的傳輸技術，擁有一定數量的天線和設備，相當于把以前的高速公路改修為高鐵運行的鐵路，使得傳輸速率更快。設備與設備之間的通信方式是5G技術特點之一，此方式采取終端進行通信的模式，因此網絡有了更低的延遲。2020年5月初，在珠峰大本營處，中國移動與華為設立了海拔為5300 m的5G信號基站，這是5G信號第一次實現對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，中文意思是虛擬現實，又稱為靈境技術，[3]這是一種在計算機技術的基礎上，把仿真模擬技術、多媒體信息技術、圖像顯示技術、傳感器技術以及三維圖像技術結合在一起的高科技技術[4]。利用計算機等多種硬件設備創建一個虛擬空間，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]，也可以跟任何事務進行自然交互，圖3所示為虛擬現實的交互畫面。

圖3 虛擬現實的交互畫面

三維建模技術、立體顯示技術以及人機交互技術是虛擬現實的三種關鍵技術。三維建模技術主要是利用建模軟件來制作一些空間模型，這種技術對虛擬現實的沉浸性起著關鍵作用；立體顯示技術作為虛擬現實的一種最直接的表現形式，其功能普遍采用一些硬件顯示設備，例如頭盔和VR眼鏡等來實現；[6]人機交互技術是人和計算機進行信息交流的技術，其經歷了從桌面上的鍵盤鼠標到移動端的多點觸控，最后到虛擬現實的體感交互，主要用到的設備有數據手套、手柄等。虛擬現實技術的組成如圖4所示，分別由虛擬世界、虛擬現實app、計算機、輸入與輸出設備。

圖4 虛擬現實系統的組成

VR技術主要應用是線上購物、旅游、網絡直播、工程、遠程看房、教育、電影電視、軍事、醫療衛生、游戲等十大領域。目前，很多美術館和博物館用VR技術代替了傳統的展示形式，以新穎的方式向參觀者展示了文物的珍貴和藏品的原貌，打破了時間與空間的界限，如圖5所示。用全景攝像機進行拍攝制作而成的VR影片給觀眾帶來了視覺和聽覺上的沉浸， 同時也給創作者帶來了新的挑戰[7]。人們在電影和電視中所看到的虛擬影像，是一些具有虛擬技術的真人參與表演以后被認為是臺上的演員，從而給觀眾帶來具有沉浸式的體驗。

圖5 博物館文物展示

2 5G時代下虛擬現實的發展

2.1 VR的全景直播技術

利用5G技術發展起來的VR直播可以應用到云教育、網購以及體育賽事等領域，VR直播對網絡的要求如表1所列。

表1 VR直播的網絡要求

2020年12月2～6日，第34屆CBDF中國國際標準舞錦標賽在深圳會展中心舉行，展示了中國國際標準舞三十多年的發展歷程。據悉，這是該項賽事時隔12年之后的第七次落地鵬城。疫情尚未結束，能夠在深圳舉辦一場“年度大賽”實屬不易。

為給大家帶來精彩且沒有遺憾的演出，VR直播以前所未有的5G+8K/4K、多機位、多視角、沉浸式給觀眾帶來感官體驗。此次賽事采用線上打分系統，為使國外評審與場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場。

利用5G技術將現場的賽事情況傳回給數據制作系統，經編輯和切換后通過VR技術將畫面轉送到評委和觀眾的視野，[8]還可以使用全景攝像機采集選手第一視角，[9]觀眾可以體驗選手視角的感受。

2.2 VR在探視業務中的應用

5G環境下，VR探視業務可以做到給患者和家屬提供較長時間的情感交流，以重癥監護室病房為例，對于重癥監護室的病人，家屬無法隨時進行陪伴和照顧，VR探視業務可以有效地解決這一難題，家屬不用進入病房，通過手機軟件或者佩戴VR眼鏡就可以看到重癥監護室病房的全景情況。

探視業務對視覺質量要求較高，在效率高、移動性強的5G技術中加入VR技術，可以給觀眾帶來一種身臨其境的視覺盛宴。以前的4G網絡在帶寬和時延上，無法滿足VR信息的傳輸要求，超低的延遲性是虛擬現實所需的基本要求之一，穩定的超低延遲在改進處理很多的數據包時，延遲達到毫秒級，5G網絡可以將時延縮小至1 ms[9]，因此，VR與5G技術相互促進，為我國的科技發展提供了強大的推動力。

2.3 VR技術與教育的結合

目前許多理工科院校和醫學院校，其所設立的專業都具有很強的操作性和實踐性，這些專業的操作性和實踐性對學生要求非常高，在國內教育過程中，有些實踐性學習主要是以看為主，學生只能在“看”的基礎上自己去想象實際的操作和實踐。VR教學讓學生把書本知識運用到實踐中，經過多次重復的實驗，來體會這種參與感極強的實踐帶來的對理論的加強，從而改進學生的操作能力，提高學習效率。

以口腔教學為例，VR教學系統通過仿真口腔的臨床環境，包括人體的頭蓋骨、雙眼、鼻子的輪廓、耳朵、以及逼真的口腔環境，另外還仿真牙椅的各項功能，主要有充填、洗牙、磨牙、吸拓和備牙[10]。該場景還配有口腔內科、牙齒矯正、口腔修復等各種教學模型，通過仿真性學習來掌握口腔臨床的基礎知識。

2.4 VR新聞的敘事潮流

4G時代，VR技術分別在天氣預報、節目表演以及體育報道中有過嘗試性的應用，當時由于技術上的落后和終端設備的各種問題，所呈現的效果使人感覺眩暈和卡頓感。5G作為一種全新的數學技術，突破了以上技術性難題，滿足了人們對虛擬現實在視覺和沉浸感方面要求，這種用VR技術進行新聞報道的方式打破了傳統媒體報道形式，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，觀眾可以和新聞報道中的人物進行實時互動，從而完成信息的接收。VR新聞利用設備終端，由敘事者提供各種信息，觀眾在場景對這些信息進行編碼，從而產生了觀眾對于事件的認知[11]，在場景中對新聞報道的內容進行獨立思考，這一技術突破給新聞界帶來的更好的效益同時也提高了人們對新聞的興趣。

2.5 VR的發展模式

借助5G技術，虛擬現實技術在業務方面實現了創新，交互性和虛擬性得到進一步提高，虛擬現實技術的云化降低了成本投入，VR技術的迅速普及也給運營商帶來了更高的收入[12]。

5G技術相比4G技術變化較大，拓寬了互聯網的發展前景，VR技術的應用得到進一步的發展。5G技術提高了VR的設備性能，虛擬現實技術的無線化徹底擺脫了傳輸數據慢的特點。表2所示為4G與5G的性能對比。令m、n分別為4G網絡下的能效和頻譜效率，則5G網絡下的能效和頻譜效率分別為100m和3n～5n[11]。

表2 4G與5G的性能對比

隨著5G技術的到來，很多運營商搶占市場，相關網絡技術布局速度正在持續加快，網絡覆蓋的面積與質量也正在進一步改善，VR技術目前仍處于發展階段[12]，VR行業有著無法預知的未來，在此基礎上，VR技術的發展與5G技術相結合，人們對于虛擬現實技術的體會更加真切，人類也將更快地進入智慧生活。

3 5G時代下虛擬現實應用的前景

VR技術在很多領域內的應用展現了科技發展的魅力，給人類生活帶來了巨大的改變，網絡傳輸速度的提高將會給人類在視覺上帶來更加神秘精彩的體驗。

3.1 增強沉浸感

在VR直播過程中，5G技術將現場選手的畫面導入直播制作系統，經過編輯合成以后通過VR技術展示給觀眾，觀眾通過滑動屏幕轉移視角，可以一直追隨直播中選手的動作，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多機位、多視角技術給觀眾帶來了一場身臨其境的視覺體驗，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了在這種遠程直播環境下的VR應用的沉浸感。

在虛擬現實應用過程中，用戶可以通過自身的一些動作與硬件設備相結合增強沉浸感，其中手勢識別是最有效方式，能讓人的身體與虛擬環境中的場景進行各種互動，這也是人機交互的一種方式；另外提高硬件設備的視覺技術，對人體動作進行精確的識別，捕捉人體手勢的深度信息，會進一步提高沉浸感。

3.2 加快傳輸速度

5G時代，大寬帶、低時延等優勢更是為流暢的VR直播提供了保障。5G技術主要是一個信號基站服務一位用戶，采用終端進行通信的方式，使VR信息在傳輸過程中更加穩定；5G技術所采用的高頻段的傳輸技術，擁有一定數量的天線和設備，從而提高了VR技術在場景應用中的傳輸速度，也為用戶提供了更好的視覺體驗。

5G技術傳輸的過程中，可以通過正交頻分復用、脈沖無線電以及空時調制編碼的方式來提高頻譜的利用率進而提高傳輸速度；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 提高實時交互性

5G技術在VR影片、VR新聞敘事、VR教育教學等技術中，提供了足夠的流暢度和較強的畫質感，給用戶一種極強的虛擬性，讓其有了參與感和沉浸感，從而與VR應用場景中的人物進行實時的互動，完成信息的傳遞與接收。用戶在傳遞與接收信息時，首先根據VR設備終端，將VR場景中的各種信息進行匯總和編碼，使得用戶對場景中的信息有了自己的認知，而5G技術在互動的過程中提高實時交互性。

高度優化的虛擬現實手柄會增加觸覺反饋進而提高VR技術在應用過程中的實時交互性；采用動作捕捉技術，使用戶進入“真實”世界，會獲得完全的沉浸感，提高實時交互性。

4 結 語

5G技術的發展，影響和改變著VR技術在各個方面的應用， 5G+VR技術是最完美的科技組合，受2021年疫情影響，很多企業借助5G+VR的技術建立了“云旅游”、“云教育”的線上平臺，用戶在不出門的前提下，感受外面世界的美好與其妙，并且根據自身的需要可進行網絡學習，在不久的將來，大寬帶低時延的5G技術會進一步促進VR應用的發展，將更深刻的改變著未來世界的發展。