5G驱动下的视频技术在体育行业的应用研究

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  高清视频、VR等大视频业务是5G发展初期的主要应用场景,同时在当前5G推广阶段,体育场景下的5G业务受到运营商的重视,将5G及大视频技术应用在奥运会等体育赛事也是2022年北京冬奥组委会明确提出的重点科研方向。

  全球移动通信正在经历4G向5G的迭代,5G技术将为视频产业带来更大的发展机遇。5G网络的发展将会在AR/VR的普及应用上发挥重要作用,运营商的关键营销期将于2019年底开始,并在2022年达到顶峰。体育比赛是一个让全球观众参与其中的世界舞台,因此在比赛中推广的任何产品都变得具有革命性。在5G建网初期,体育比赛直播是运营商测试5G网络的重要场景。

  在距北京2022年冬奥会还有3年之际,针对5G技术发展情况及网络部署现状,高清视频、VR等5G基本业务能力在体育行业的应用值得深入研究。

  

  图源:图虫创意

  5G视频在体育行业内的应用分类

  针对不同的体育场景,5G视频在体育行业内的应用分类见表。

  

  多线路多角度赛场回放的互动

  随着观众对观赛体验的要求越来越高,个性化、定制化的观赛体验更加符合观众的需求,例如对特定运动员的追踪、运动员个性化信息的获取等。结合5G超大带宽可支持现场多路信号超高清视频点播服务,呈现出多机位、多视角、超高清、低时延的回看效果。

  超高清视频及VR在体育比赛网络直播中的应用

  5G三大业务场景中的eMBB场景技术可推动超高清及VR等视频的发展,利用8K超高清、4K/8K VR直播体育比赛不仅可以保证最佳的直播效果,还具有更大的便利性和时效性。安装和使用具备5G模组的无线摄像设备不再局限于传统方式的机位限制,可极大满足网络自媒体直播的需求,更加灵活和多样。以VR技术进行体育比赛的直播,通过VR摄像机可捕捉360度高清画质,让观众以沉浸式或第一视角观看比赛,拥有直观清晰的观赛效果。

  基于5G视频云提升安防范围及精度

  大型赛事场馆人流量大,常选择部署多个安防摄像头进行监控安保,然而此方式成本高且受限于有线连接无法移动、监控范围易存在死角等问题。5G技术与云计算、边缘计算、人工智能和设施联网等技术有效结合,可以满足多种场景下的安全服务质量要求。利用5G大带宽可支持多路视频流的能力,可在除固定场所外的无人机、巡警头盔等上面绑定摄像头,通过无线回传至监控平台,极大扩展了安防范围。传统1080P的摄像头识别距离不能超过5米,而在5G大带宽支持下,可采用4K以上的摄像头,识别距离大幅提升至20米。

  基于VR技术的训练与运动教学

  运动教学与其他学科相比,由于其指导性、互动性较强的特点,给远程教学的方式带来一定的挑战。运动教学视频短片缺乏互动性,无法提供沉浸式的教学体验。

  利用VR摄像机进行运动教学的演示随之出现,让学员佩戴VR眼镜可沉浸式体验动作细节和要领。VR运动教学这种虚拟化训练教学技术,结合物联网化的运动器械,可实现全虚拟的训练甚至比赛。

  电竞场馆中的5G应用

  电竞专业场馆的意义在于它不仅能作为电竞选手的比赛场地,也是电竞产业发展的象征,目前电竞场馆仍以有线宽带接入为主,4G网络相对于网络游戏需求会产生较大延迟,影响游戏体验及电子竞技的公平性。5G的大带宽高速率在电竞场馆应用中可以让画面更加细腻、清晰、流畅,低延迟的网络让玩家间的配合更默契,对抗更真实。

  5G关键技术在体育及视频上的应用

  相比4G,5G业务扩展至三大场景,业务需求发生了重大变化,新需求带来端到端的技术新变革。5G网络关键技术包括移动边缘计算、网络切片、毫米波、大规模天线等可对体育行业的视频应用提供业务保障。

  移动边缘计算

  体育比赛超高清视频和VR直播对网络带宽、时延要求更为苛刻,MEC能将信息源和相关IT应用下沉到场馆附近从而创造出一个具备高性能、低延时延的网络环境。利用部署在MEC云平台上的AI等应用能力,还可实现对视频的分析处理,提供场景捕捉、动作识别等增值观赛服务。

  网络切片

  网络切片对端到端的网络资源进行逻辑划分和封装,以满足不同业务对网络带宽、时延、可靠性等网络性能的QoS需求。针对体育比赛直播中的大流量视频应用,5G网络切片技术可满足体育比赛超高清和VR直播对网络高带宽和低时延的要求。通过自动化端到端的资源配置和业务功能部署,实时的动态扩缩容能力,满足动态变化的业务需求。

  毫米波

  5G通信的基本架构将采用中低频段和毫米波频段相结合的方式。毫米波的优势在于频谱资源丰富,载波带宽可达400MHz-800MHz,无线传输速率可达10Gbit/s以上,毫米波同时具有波束窄、方向性好、有极高的空间分辨率的特点。毫米波适用于5G热点区域覆盖,用在体育场馆可对体育比赛直播视频回传提供大流量能力。同时设备更容易小型化,便于在体育场馆内悬挂。

  大规模天线技术

  通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍提高系统信道容量。通过波束成形和波束控制技术生成高增益可调节的波束,从而明显改善信号覆盖。在体育赛场内,可用相同的时频资源同时服务多个现场观赛的观众,从而大幅度提升网络容量。

  基于MEC实现视频应用在体育行业的创新实践

  基于MEC的AI算法实现动作捕捉与分析

  体育运动项目由于其动作速率或者角度问题,无法及时分辨和判定动作的有效性和准确性,需借助视频技术进行动作的捕捉与分析。而普通的视频动作捕捉和识别系统受制于场地、网络等因素,无法对动作进行捕捉与分析。在5G网络中的MEC边缘平台部署AI算法可实时将捕获的视频进行特征提取,结合动作识别库对运动状态进行分析,并可及时反馈至运动现场。基于MEC的动作捕捉与分析系统流程如图1所示。

  

  图1 基于MEC的动作捕捉与分析系统流程

  在上述方案中,运动现场使用多台摄像机来监测运动员的运动情况,在应用过程中不会对运动员产生任何干扰,运动员的生物力学数据通过5G网络实时传递到边缘平台中,通过部署在边缘平台的人工智能算法,给每名运动员建立独特的三维模型,利用高级建模技术和其他AI算法对运动员在运动过程中的生物力学数据展开分析。

  利用MEC边缘平台实现低网络负载的8K VR直播

  随着观众对体育比赛直播画质的要求逐渐提高,未来VR转播的趋势将会由目前的4K向8K发展。8K VR直播将对网络容量提出更高的要求。

  过高的速率将会带来网络负载的增加并在相同资源情况下降低并发人数,如何利用有限的带宽资源提供8K VR直播并能给观众呈现出好的效果,这将成为提升观赛转播画质迫切需要解决的问题。

  通过MEC边缘计算技术对图像进行分割处理,可最大程度降低对网络容量的影响,提高观众观赛体验。视频编码技术如图2所示。

  

  图2 视频编码技术

  8K VR摄像机将直播视频进行VR拼接处理。

  云端流媒体服务器进行解码后,将视频源按照重要程度及观看效果不同分成高低两种分辨率的视频分片,实现端到端的流量优化,加速VR业务部署。

  高分辨率的细节画面叠加在低分辨率的背景画面上通过CDN、MEC边缘计算服务器进行边缘分发,传送高低分辨率不同的视频信号能最大化节省带宽资源。

  用户的VR眼镜设备通过特殊的SDK与解码器进行交互后将高低分辨率叠加的画面最终呈现出来,显示可达到2880×1440的分辨率,相比于4K VR直播时终端显示效果可提升4倍以上。

  展望未来,5G的成熟与发展将对诸多行业产生巨大影响。5G对VR、短视频、体育赛事直播的推动和影响会更加明显,运营商在5G助力体育赛事视频传播方面也将会面临新的机遇和挑战。

  5G对VR应用的推动

  5G将加速包括移动媒体、移动广告、家庭宽带和电视在内的多项视频内容消费,并通过各种全新沉浸式和交互式新技术提升体验,充分释放AR、VR和新媒体的潜力。VR直播的出现很明显有助于打破地域的限制,为用户带来身临其境的直播体验。这项技术还可以大范围地应用于体育赛事、电子竞技等方面,将改变传统的内容观看方式,进一步增加体育直播的娱乐互动性。

  5G对短视频的影响

  传统视频类节目的制作周期长、制作成本高、宣发推广慢,而诸如抖音、秒拍之类的短视频网站的火爆,反映了用户对数字媒体内容的消费量以及消费习惯在迅速改变。随着互联网技术的进一步发展,媒体内容的获取成本进一步降低,5G的到来将会让现在的网络直播摆脱图像和声音因为延迟而带来的不良观感。

  运营商在5G体育赛事视频服务中的机会增多

  越来越多的国内外体育管理机构和赛事组织在重视电视媒体的特殊价值之外,开始重视互联网的独特作用并向新媒体转型,致力于打造数字平台和大媒体立体化发展的体坛传媒。而其依附的超高速移动互联网和移动通信网络,毫无疑问也会受益于5G时代的来临。5G将推动运营商的电视产品规模发展,与有线电视和卫星电视形成强烈的竞争关系。同时,5G将通过OTT视频服务,帮助运营商实现移动媒体增长。

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