中國聯(lián)通5G創(chuàng)新中心5G+智慧校園白皮書

1、中國聯(lián)通5G創(chuàng)新中心5G+智慧校園白皮書中國聯(lián)通5G創(chuàng)新中心5G+智慧校園白皮書概述智慧校園建設(shè)背景智慧校園建設(shè)現(xiàn)狀5G+慧校園解決方案整體設(shè)計開5G智慧校園新紀元第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）應(yīng)用場景智慧校園技術(shù)分析智慧校園內(nèi)涵5G+慧校園典型應(yīng)用場景3.智1慧學(xué)習(xí)（8）增強現(xiàn)實（）教學(xué)基于腦機接口的學(xué)習(xí)專注力提升智慧教學(xué)全息遠程互動教學(xué)基于人工智能的小班化教學(xué)提升未來課堂智慧體育智慧足球智慧環(huán)境5智慧農(nóng)場5編撰單位1概述1.1智慧校園建設(shè)背景依據(jù)教育部關(guān)于發(fā)布中小學(xué)數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范(試行)的通知：為深入貫徹落實黨的十九大精神，積極推進互聯(lián)網(wǎng)+”行動，國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-

2、2020)把教育信息化建設(shè)列為重要內(nèi)容，并列為教育信息化建設(shè)”亟待實施的十大工程之一。教育部印發(fā)的教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃0112020年)也明確提出要運用云計算、頂層設(shè)計等先進技術(shù)和理念進行智慧校園的建設(shè)，依托云計算、云操作系統(tǒng)、云存儲、虛擬化、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合教育智慧化、云服務(wù)化的實際，打造基于數(shù)字校園的智慧校園。加強教育信息化、數(shù)字化建設(shè)，構(gòu)建覆蓋城鄉(xiāng)各級各類學(xué)校的教育信息化體系，促進優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享，推進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，實現(xiàn)教育思想、理念、方法和手段全方位創(chuàng)新，對于提高教育質(zhì)量、促進教育公平、構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會和人力資源強國具有重大意義。1.2智慧校園建設(shè)

3、現(xiàn)狀隨著我國教育改革的不斷深化、教育領(lǐng)域信息化取得了長足的進步，學(xué)校都購買或研發(fā)了一些教育信息化應(yīng)用系統(tǒng)。但大多為“按需、逐個、獨立”的建設(shè)，另外由于獨立進行數(shù)字校園建設(shè)，導(dǎo)致學(xué)校間的資源無法進行共享，最終形成了以數(shù)據(jù)孤島”、“應(yīng)用孤島”、“硬件孤島”、噴源孤島”組成的“孤島架構(gòu)”：硬件資源(比如服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)資源等)不能共享，當本身資源剩余的時候，無法分配給其他應(yīng)用系統(tǒng)，而當本身資源不足時，也無法從其他服務(wù)器獲取資源；每個系統(tǒng)都有獨立的安全、管理標準，增加運維管理難度，造成管理混亂；各自有獨立的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)無法共享與交換，無法形成有效的統(tǒng)計報表；獨立的展現(xiàn)層，信息分散，用戶獲取信息要在不同的系

4、統(tǒng)間穿梭往返“人找事”，增加了使用難度；地區(qū)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)資源無法共享，導(dǎo)致各校的教學(xué)水平落差越來越大。上述特征的實現(xiàn)有賴于5G時代以人工智能、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)為代表的技術(shù)的成熟和應(yīng)用，而5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為上述特征的實現(xiàn)帶來最大的優(yōu)勢是可以最大程度上克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在實現(xiàn)上述技術(shù)創(chuàng)新過程中速度、延遲、傳輸容量等的限制，為教育領(lǐng)域的變革提供更強大的動力。通過信息技術(shù)構(gòu)建智能環(huán)境促進教學(xué)的轉(zhuǎn)型，使得教學(xué)從知識的傳遞轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)者的認知建構(gòu)。利用5G通信技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)打通課內(nèi)外的數(shù)據(jù)壁壘，促進線上線下課程的無縫融合。通過沉浸式環(huán)境的營造使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)從被動的接受轉(zhuǎn)向主動參與。利用5G的邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)教育管

5、理中的特定需求和業(yè)務(wù)的智能管控。（5）促進教育的決策由經(jīng)驗導(dǎo)向轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動。（6）利用5G和智能技術(shù)從根本上進行重新設(shè)計的學(xué)校，使得未來的學(xué)校形態(tài)由統(tǒng)一走向個性化和自組織。（7）利用5G和物聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)可用極低的時延收集運動場景下大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，保證訓(xùn)練效果數(shù)據(jù)支持及分析，促使精準體育教學(xué)。25G+智慧校園解決方案整體設(shè)計2.15G開啟智慧校園新紀元2.1.1.第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）應(yīng)用場景ITU-R（國際電信聯(lián)盟無線電通信局）確定未來的5G具有以下三大主要的應(yīng)用場景：（1）增強型移動寬帶；（2）超高可靠與低延遲的通信；（3）大規(guī)模機器類通信。這些5G應(yīng)用場景包括諸如高清晰度移動視頻等的增

6、強型移動寬帶應(yīng)用（即可運行于體育場館等用戶高度密集分布的區(qū)域，還可以進行泛在的覆蓋）。而其余類型的5G應(yīng)用場景則包括面向垂直行業(yè)/交通自動化的超高可靠通信、各類低延遲敏感型通信應(yīng)用、面向大規(guī)模MTC（MachineTypeCommunication,機器類通信。比如高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實教育等較高速/高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)。EnhariCedMobileBrOAdbandMissiveMachineType自LourLatfrneyiMissiveMachineType自LourLatfrneyiComiTiLniicaliQnsi圖1ITU定義的三大應(yīng)用場景刪卩2020痂藏睪輛対I

7、MT-A的見孫iE：JW18SJr環(huán)竹場臥羽于M電口侶1圖21ITU定義的5G空口指標第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)是否能很好地支撐各類應(yīng)用場景，取決于從低頻（頻點在500MHz左右）到高頻（頻點高于60GHz）的各個物理工作頻段的物理特性（無線射頻傳播特性）：低頻段具有優(yōu)秀的無線傳播特性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，既可支撐宏蜂窩建設(shè)，也可支撐小基站部署；高頻段的無線傳播特性相對低頻段較差，但是有較多可用的且連續(xù)的無線頻譜資源（尤其是在毫米波頻段），可支持提供更寬的物理信道。2.1.25G+智慧校園技術(shù)分析中國聯(lián)通5G+智慧校園產(chǎn)品充分考慮了5G三大應(yīng)用場景eMBB（大帶寬）、URLLC（低時延高可靠）和mMTC（大連

8、接）傳輸能力和5G智慧校園應(yīng)用的有機結(jié)合。1）5G大帶寬能力匹配：如果同時開啟4K高清視頻直播業(yè)務(wù)的話，下行帶寬需求為150Mbps,上行需求帶寬為300Mbps。5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)單用戶峰值速率2Gbps,5G網(wǎng)絡(luò)有能力滿足5G業(yè)務(wù)的下行150Mbps速率需求，在未來隨著網(wǎng)絡(luò)能力的不斷提升有潛力滿足上行300Mbps的多路視頻傳輸需求。5G低時延能力匹配：基于AR/VR的遠程無線操控實驗類教學(xué)要求網(wǎng)絡(luò)側(cè)時延小于20ms。5G相比4G的空口時延有大幅度提升，其中空口用戶面時延由10ms降低至4ms(eMBB)甚至更低到1ms(uRLLC)。5G的核心網(wǎng)時延大約為10ms20ms，未來如果進一步考

9、慮5G的邊緣計算技術(shù)，核心網(wǎng)的時延可以進一步降低。通過以上分析，5G的空口和核心網(wǎng)總時延有潛力滿足智慧校園遠程操控教學(xué)類業(yè)務(wù)的20ms時延需求。VR、或師誤塑、人工皆背：單?f=30h/bp=和場去上石垃網(wǎng)塔蘇時下翳刃席冃尸5GVR、或師誤塑、人工皆背：單?f=30h/bp=和場去上石垃網(wǎng)塔蘇時下翳刃席冃尸強交至業(yè)務(wù)0玄：強交至業(yè)務(wù)0玄：虛丸氏去址歩燈箋期21加.鶴適件蛙曲嘶庚唱臨臉肉時芒杲守時延加弭理想年閔r艇求他頂+昔皀范國口石合淫匪丈吊虛擬壬圖325G技術(shù)體現(xiàn)度才大址按15G珂絡(luò):_t1?25bps,TfjlQGhps、5G隹戶直空口E：廷：ln5味圧SI師謂寶，智帖報蘭評側(cè)的主釜互比、

10、5G泊晝丈塔悟旋R.館鴛支脊至2.25G+智慧校園內(nèi)涵智慧校園是指以促進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度有效融合、提高學(xué)與教的效果為目的，以第五代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)為核心技術(shù)，提供一種環(huán)境全面感知、智慧型、數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)作型一體化的教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)，并能對教育教學(xué)、教育管理進行洞察和預(yù)測的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境。應(yīng)用謹鈕DG7QWSDNnfvHW5DNNFVtjWWSDNnfve軌叮if*S/袒ifratcc圖435G+智慧校園內(nèi)涵35G+智慧校園典型應(yīng)用場景3.1智慧學(xué)習(xí)3.1.1增強現(xiàn)實(AR)教學(xué)(1)場景說明AR技術(shù)在教育中不斷的探索著新的維度，通過改變傳統(tǒng)教學(xué)

11、基礎(chǔ)上擴展創(chuàng)新的、先進的學(xué)習(xí)方法。增強現(xiàn)實教學(xué)軟件是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和AI人工智能技術(shù)依托的一款新型教學(xué)軟件?？梢栽谔摂M環(huán)境中生動形象地進行，交互式的操作，學(xué)生可以反復(fù)進行練習(xí)，把每一個知識點都徹底消化吸收，學(xué)習(xí)效果倍增。(2)解決的問題輔助老師的課堂教學(xué)：利用技術(shù)可以將真實生活中無法感受到的場景模擬出來。比如：海洋世界中的各種生物在海洋里遨游。這種方式可以讓學(xué)生有更加深刻的體驗，豐富了教學(xué)手段，增進了師生之間的自然互動。提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣：學(xué)生沉浸到虛擬世界中，暫時告別”了枯燥的課堂，這種新技術(shù)必定會調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓枯燥的教育生動有趣：通過軟硬件一體化的

12、產(chǎn)品，讓原本呆板的教學(xué)內(nèi)容變得形象生動，在互動中學(xué)習(xí)，告別死記硬背。(3)方案價值將增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)設(shè)計中，能在有效提高教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)特性開展相應(yīng)的教學(xué)活動，從而建構(gòu)更加高效的課堂體系，有效地提升了課堂的效率與質(zhì)量，有趣的同時更加有料。AR識別卡、AR圖書等等，通過多樣的形式創(chuàng)新課堂內(nèi)容、豐富課堂教學(xué)形式，為教育教學(xué)帶來了便利。(4)方案架構(gòu)它通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。增強現(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展現(xiàn)了真實世界的信息而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互

13、補充、疊加。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下:混臺現(xiàn)寶現(xiàn)實環(huán)境増強現(xiàn)實增強虛擬虛抑環(huán)境(RalEndr-annenilAuimurtedReally(A-gpc-ibedVttuSJIy.XViVriinEMrDrjKnftJ虛擬事物和真實環(huán)境的結(jié)合，讓真實世界和虛擬物體共存。目前AR有三種主要的成像系統(tǒng)：Monitor-based系統(tǒng)、Videosee-through系統(tǒng)、Opticalsee-through系統(tǒng)。其中，Monitorbased系統(tǒng)在基于計算機顯示器的AR實現(xiàn)方案中，攝像機攝取的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器，用戶從屏幕上看到最終的增強場景

14、圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套最簡單使用的AR實現(xiàn)方案。由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR系統(tǒng)研究者們大量釆用。Videosee-through系統(tǒng)頭盔式顯示器(Head-mounteddisplays-HMD)被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現(xiàn)實技術(shù)的研究者們也釆用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。根據(jù)具體實現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD(videosee-throughHMD)和基于光學(xué)原理的穿透式HMD(opticalsee-throughHMD)。在上述的兩套系統(tǒng)實現(xiàn)方案中，輸入計

15、算機中的有兩個通道的信息，一個是計算機產(chǎn)生的虛擬信息通道，一個是來自于攝像機的真實場景通道。而在opticalsee-throughHMD實現(xiàn)方案中去處了后者，真實場景的圖像經(jīng)過一定的減光處理后，直接進入人眼，虛擬通道的信息經(jīng)投影反射后再進入人眼，兩者以光學(xué)的方法進行合成。頭葢弍顯示器黃部位置移訪倚息（二蹋形余統(tǒng)三種AR顯示技術(shù)實現(xiàn)策略在性能上各有利弊。在基于monitor-based和videosee-through顯示技術(shù)的AR實現(xiàn)中，都通過攝像機來獲取真實場景的圖像，在計算機中完成虛實圖像的結(jié)合并輸出。整個過程不可避免的存在一定的系統(tǒng)延遲，這是動態(tài)AR應(yīng)用中虛實注冊錯誤的一個主要產(chǎn)生原因

16、。但這時由于用戶的視覺完全在計算機的控制之下，這種系統(tǒng)延遲可以通過計算機內(nèi)部虛實兩個通道的協(xié)調(diào)配合來進行補償。而基于opticalsee-through顯示技術(shù)的AR實現(xiàn)中，真實場景的視頻圖像傳送是實時的，不受計算機控制，因此不可能用控制視頻顯示速率的辦法來補償系統(tǒng)延遲。另外，在基于monitor-based和videoSee-through顯示技術(shù)的AR實現(xiàn)中，可以利用計算機分析輸入的視頻圖像，從真實場景的圖像信息中抽取跟蹤信息（基準點或圖像特征），從而輔助動態(tài)AR中虛實景象的注冊過程。而基于opticalsee-through顯示技術(shù)的AR實現(xiàn)中，可以用來輔助虛實注冊的信息只有頭盔上位置傳

17、感器。（5）關(guān)鍵技術(shù)點識別與跟蹤技術(shù)在實現(xiàn)增強現(xiàn)實的過程中，需要對真實的場景和信息進行分析，生成虛擬事物信息。這兩步看似簡單，其實在實際進行過程中，需要將攝像機獲得的真實場景的視頻流，轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像，然后通過圖像處理技術(shù)，辨識出預(yù)先設(shè)置的標志物。識別出標志物之后，一標志物作為參考，結(jié)合定位技術(shù)，由增強現(xiàn)實程序確定需要添加的三維虛擬物體在增強現(xiàn)實環(huán)境中的位置和方向，并確定數(shù)字模板的方向。將標志物中的標識符號與預(yù)先設(shè)定的數(shù)字模板鏡像匹配，確定需要添加的三維虛擬物體的基本信息。生成虛擬物體，并用程序根據(jù)標識物體位置，將虛擬物體放置在正確的位置上。這其中涉及到的識別跟蹤和定位問題，是增強現(xiàn)實的最大的難

18、題之一。要實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實事物的完美結(jié)合，必須確定虛擬物體在現(xiàn)實環(huán)境中準確的位置，準確的方向，否則增強現(xiàn)實的效果就會大打折扣。而在現(xiàn)實環(huán)境中，由于現(xiàn)實環(huán)境的不完美性，或者稱為復(fù)雜性，增強現(xiàn)實系統(tǒng)在這種環(huán)境下的效果遠不如在實驗室的理想環(huán)境中。由于現(xiàn)實環(huán)境中的遮擋，未聚焦，光照不均勻，物體運動速度過快等問題，對增強現(xiàn)實的跟蹤定位系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。圖像檢測法：使用模式識別技術(shù)（包括模板匹配，邊緣檢測等方法），識別獲得的數(shù)字圖像中預(yù)先設(shè)置的標志物，或是基準點，輪廓，然后根據(jù)其偏移距離和偏轉(zhuǎn)角度計算轉(zhuǎn)化矩陣確定虛擬物體的位置和方向。這種方法進行跟蹤定位不需要其他的設(shè)備，而且精確度較高，因此是增強現(xiàn)實技術(shù)中最

19、常見的定位方法。在模板匹配時，系統(tǒng)會預(yù)先存儲好多種模板，來和圖像中檢測到的標志物匹配來計算定位。簡單的模板匹配可以提高圖像檢測的效率，因也為增強現(xiàn)實的實時性提供了保障。通過計算圖像中標志物的偏移和偏轉(zhuǎn)，也能夠做到三維虛擬物體的全方位觀察。模板匹配一般用于對應(yīng)特定圖片三維成像，設(shè)備通過掃描特定的圖片，將這些圖片中的特殊標志位與預(yù)先存儲的模板匹配，即可呈現(xiàn)三維虛擬模型。比如汽車店的車?？ㄆ?，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配來進行增強現(xiàn)實。邊緣檢測可以檢測出人體的一些部位，同時也可以跟蹤這些部位的運動，將其與虛擬物體物體無縫融合。比如，真實的手提起虛擬的物體，攝像機可以通過跟蹤用戶手的輪廓，運動方式來調(diào)整虛擬物體的方位。因此，許多商場的虛擬商品實用，多會使用邊緣檢測。雖然圖形檢測法簡單高效，但也有其不足的地方。圖像檢測發(fā)多用于相對理想的環(huán)境以及近距離