5G環(huán)境下的圖書館新閱讀體驗中心建設(shè)

王宇鴿

（國家圖書館，北京 100081）

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，它是具備大帶寬、低延遲、支持大規(guī)模高密度高速度設(shè)備連接并具有高可靠性的新一代蜂窩移動通信技術(shù)，它是4G技術(shù)之后的新一代移動通信技術(shù)[1]。5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，圖書館館藏的文獻資源可以更便捷地轉(zhuǎn)化為不同數(shù)字知識形態(tài)進行傳輸，圖書館作為知識傳承的公共文化服務(wù)機構(gòu)，其發(fā)展與信息技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，未來在沉浸式媒體技術(shù)和邊緣計算技術(shù)的驅(qū)動下，圖書館在為用戶提供服務(wù)時除了考慮用戶本身所具有的特殊需求之外，也必須意識到在5G環(huán)境下用戶群體的閱讀方式將會發(fā)生改變，人們對信息資源的獲取方式更為挑剔，公眾不再滿足于屏幕上單調(diào)的互動體驗，對聽覺、觸覺的體驗期望不斷增長。5G技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模機器間的相互通信，未來它將和大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)融合，會改變圖書館的閱讀模式。同時借助5G與VR、AR、裸眼3D、多屏多點觸控交互、語音語義識別交互技術(shù)、體感傳感技術(shù)等新一代顯示和交互技術(shù)的融合應(yīng)用，圖書館人機交互閱讀體驗會呈現(xiàn)更多的多元化表達(dá)方式。

1 圖書館新閱讀體驗中心需求分析

1.1 5G的應(yīng)用優(yōu)勢

5G作為跨時代的技術(shù)，它的出現(xiàn)給視頻體驗帶來了改變，通過華為Wireless X Labs人因工程的研究對比可以看出，由于受到人眼可視范圍、手臂長短和體驗感限制，手持移動設(shè)備最大視頻顯示極限只有5K分辨率，只具備20 Mbps+傳輸速度，但是5G的WTTX業(yè)務(wù)可以具備在大屏終端播放8K分辨率視頻的能力，帶寬傳輸速度相比之前提高了6倍，這將為圖書館新閱讀帶來極致視頻體驗；其次，5G應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在云端的應(yīng)用，云業(yè)務(wù)在存儲、計算、渲染能力方面的快速發(fā)展提升，使得圖書館很多業(yè)務(wù)可以在云端完成處理，以降低終端成本和實現(xiàn)復(fù)雜的跨平臺協(xié)作，將圖書館的一些資源內(nèi)容在云端進行存儲、處理和渲染，再通過5G可靠的高速網(wǎng)絡(luò)實時返回給終端，用戶的數(shù)字閱讀內(nèi)容體驗會更加便捷，VR內(nèi)容云和5G的結(jié)合是圖書館沉浸式閱讀體驗的基礎(chǔ)；5G給視頻服務(wù)帶來另一個變化，未來的接收者不僅僅是讀者，還可以是機器，通過人工智能機器視覺在云端的服務(wù)應(yīng)用，使得圖書館無人機或者機器人客戶端能夠?qū)崟r識別、查詢和進行相關(guān)服務(wù)；最后，5G更重要的應(yīng)用優(yōu)勢將為圖書館萬物互聯(lián)的實現(xiàn)提供技術(shù)條件和平臺環(huán)境，可以利用5G大帶寬、低延時、高可靠等特性進行超高清數(shù)字資源的實時傳輸，通過人工智能技術(shù)對讀者進行人臉識別、閱讀軌跡分析、用戶閱讀喜好智能分析和推薦，使讀者不僅通過PC、手機等終端設(shè)備進行數(shù)字閱讀，還可以延伸到智能可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備等新型閱讀載體。

1.2 新閱讀體驗中心的建設(shè)需求

全國圖書館的信息化建設(shè)主要經(jīng)歷了三個里程碑發(fā)展階段：第一階段是傳統(tǒng)圖書館階段，主要是面向用戶提供圖書、論文、期刊、報紙等傳統(tǒng)文獻的藏書閱覽借閱服務(wù)。第二階段是20世紀(jì)90年代開始的數(shù)字圖書館建設(shè)，致力于為讀者提供數(shù)字閱讀創(chuàng)新服務(wù)，國家圖書館帶動全國各級圖書館經(jīng)過多年建設(shè)，已經(jīng)建成資源豐富、技術(shù)先進、覆蓋面廣的數(shù)字圖書館服務(wù)體系。第三階段是“十四五”時期即將要構(gòu)建的智慧圖書館，將為讀者提供真正智慧化隨時隨地隨心的知識服務(wù)。在智慧圖書館建設(shè)階段，讀者希望能以多樣化方式獲取圖書館的各種資源和服務(wù)，公眾將更重視閱讀過程中的情境互動和情感交流，期望獲得更多智能化、個性化的交互體驗，在多樣化的閱讀體驗中加深對圖書館數(shù)字對象的感知理解。打造5G環(huán)境下的圖書館新閱讀體驗中心意義重大，建立多元復(fù)合型的知識閱讀空間，充分發(fā)揮5G高速度、低時延、大容量的優(yōu)勢，探索5G和VR/AR、全景視頻、全息互動、邊緣計算等技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用，將真實場景與虛擬現(xiàn)實深度融合，讓館藏數(shù)字資源呈現(xiàn)方式更加多元、讓閱讀場景更加立體、讓數(shù)字體驗更加智能，拓展讀者閱讀的時空限制，為用戶創(chuàng)造更好文化服務(wù)的下一代新閱讀體驗環(huán)境，以滿足人們多層次多元化的數(shù)字閱讀需求。

1.3 新閱讀體驗中心的建設(shè)原則

圖書館新閱讀體驗中心的建設(shè)以5G閱讀需求為導(dǎo)向、技術(shù)為支撐，從整體設(shè)計上進行統(tǒng)一的規(guī)劃和搭建。在建設(shè)過程中應(yīng)該注重架構(gòu)的先進性和可擴展性的設(shè)計原則，總體架構(gòu)的設(shè)計應(yīng)符合圖書館實際業(yè)務(wù)需要，使得各終端體驗系統(tǒng)能夠落地，可解決圖書館數(shù)字閱讀體驗的實際問題；同時確保應(yīng)用技術(shù)先進，遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，注重5G和互聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術(shù)的融合應(yīng)用，盡量采用云化架構(gòu)，實現(xiàn)新閱讀體驗中心的應(yīng)用技術(shù)3~5年不落后，5~10年可擴展的多元化閱讀體驗。

2 圖書館新閱讀體驗中心的設(shè)計架構(gòu)

筆者提出的5G環(huán)境下的圖書館新閱讀體驗中心整體采用“云+邊+管+端”的建設(shè)思路進行設(shè)計。如圖1所示，利用5G高帶寬低延時的特性將圖書館新型數(shù)字化內(nèi)容存儲在云端，通過采用不同新型5G終端設(shè)備，給讀者帶來新的數(shù)字閱讀體驗。下面對這四個方面進行分別描述。

圖1 5G新閱讀體驗中心總體設(shè)計架構(gòu)

2.1 云中心

在圖書館傳統(tǒng)內(nèi)容數(shù)字化的基礎(chǔ)上，將圖書館館藏資源、圖書館風(fēng)貌加工成內(nèi)容高分辨率，高碼率，并且適用于新型AR/VR等智能硬件終端設(shè)備的新數(shù)字形態(tài)，打造全景視頻、全景場景、全景出版和全景直播等全景類閱讀產(chǎn)品，通過5G網(wǎng)絡(luò)、云上行加速服務(wù)和OBS服務(wù)，將這些不同形態(tài)的數(shù)字內(nèi)容文件（如直播流/音視頻）快速、可靠、穩(wěn)定上云，解決數(shù)字內(nèi)容版權(quán)使用和數(shù)字內(nèi)容在終端的計算存儲問題。圖書館通過云中心控制臺進行資源的開通和管理，實現(xiàn)云中心到邊緣云的智能調(diào)度，為讀者體驗匹配最佳算力和低時延，可從云中心同步數(shù)字互動內(nèi)容到邊緣節(jié)點和CDN。

2.1.1 全景視頻

依托圖書館珍貴的古籍館藏資源，可設(shè)計集知識性、趣味性、教育性于一體，設(shè)計開發(fā)寓教于樂的科普性視頻內(nèi)容，也可將館藏的古籍善本，制作成動態(tài)的有故事性的互動視頻，通過VR視頻讓圖書館古籍藏品走出庫房，通過新技術(shù)來到讀者身邊，向讀者展示古籍所處歷史年代的社會情形、人們的生活方式，或者當(dāng)時我國的建筑水平、科技水平等方面，讓讀者在互動中探索圖書館之寶的全貌、細(xì)節(jié)、來龍去脈、蘊含的深刻歷史意義等，讓圖書館遙遠(yuǎn)陌生的古籍變得有溫度，讓讀者深度透視這些古籍文物，以匠心精神去弘揚優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

2.1.2 全景場景

全景場景的拍攝通過專業(yè)的攝影設(shè)備和攝影方式，對圖書館進行360°的視頻拍攝，通過VR沉浸式視角對圖書館進行3D實景復(fù)刻，重塑真實世界，展現(xiàn)全景圖書館的風(fēng)貌，幫助讀者快速了解國家圖書館，指引讀者高效找到位置或資源。全景場景既可以做成VR互動體驗，也可以全景視頻的形式在屏幕上或網(wǎng)站上展示。通過全景場景改變讀者的傳統(tǒng)視覺體驗，打造“云賞鎮(zhèn)館之寶”的特色環(huán)節(jié)，讓珍貴的典藏書籍、字畫以最平易近人的方式讓讀者“一睹芳容”，真正實現(xiàn)虛擬圖書館全場景漫游、讀者與讀者及圖書館藏書之間在虛擬立體空間的流暢交互。

2.1.3 全景出版

全景出版是集合文字、圖片、音頻、視頻等全媒體內(nèi)容，經(jīng)過專業(yè)策劃編輯其全景化的一種全新出版物表現(xiàn)形式。讀者將以沉浸的方式體驗到和傳統(tǒng)媒體完全不同的新閱讀體驗，全景出版物數(shù)字內(nèi)容傳播將具有趣味化和通俗性，全景出版內(nèi)容的不斷豐富開發(fā)完善，會使5G技術(shù)應(yīng)用、圖書館行業(yè)和VR行業(yè)煥發(fā)出新的生機。

2.1.4 全景直播

通過固定或借助無人機、移動設(shè)備等方式采集景點的高清視頻影像，經(jīng)由5G傳送至遠(yuǎn)端的VR頭顯設(shè)備或一組4K/8K高清屏幕，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時身臨其境的3D體驗，可搭載圖書館公開課直播品牌建立AR/VR遠(yuǎn)程課堂，形成新學(xué)習(xí)模式。直播內(nèi)容可包括圖書館的文化講壇、名人訪談、讀者沙龍、新書發(fā)布、展覽等。

2.2 邊緣云

如果把所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容都在云中心進行處理的話，雖然穩(wěn)定性很好，但是會給讀者的閱讀體驗帶來一定的延時。因此本設(shè)計架構(gòu)引入了CDN邊緣節(jié)點和邊緣云本地部署機制，基于CDN邊緣節(jié)點，可根據(jù)智能調(diào)度算法為百萬級同時在線觀眾提供就近、大通量、低延時服務(wù)，有效保障圖書館各種沉浸式體驗。同時將一些需要實時分析、渲染和接近圖書館終端交互，需要實時響應(yīng)的一些數(shù)據(jù)放在邊緣本地處理，邊緣云端處理一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并可以將接收到的數(shù)據(jù)推送到圖書館管理服務(wù)器端和云中心。這種云中心和邊緣云節(jié)點融合的架構(gòu)設(shè)計，可以很好解決延時問題，為圖書館終端用戶的體驗帶來更好的可靠性。邊緣云支持通過VPN和專線連接云中心和圖書館線下機房，邊緣云本地可通過整機柜方式部署在圖書館機房提供云服務(wù)，邊緣云控制臺的站點運行情況監(jiān)控、遠(yuǎn)程部署和運行業(yè)務(wù)可交給專業(yè)人員運維，降低圖書館本地人員維護成本。

2.3 管道傳輸和控制

在網(wǎng)絡(luò)傳輸管道上，本設(shè)計架構(gòu)使用最新第五代通信技術(shù)，能大幅度提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及終端接入數(shù)量，降低時延，保障終端體驗設(shè)備的效果。管道控制主要負(fù)責(zé)體驗中心高清液晶大屏、協(xié)同控制計算機、VR視聽設(shè)備、移動終端等進行集中控制，包含空間移動功能，熱點展示翻書、音頻、視頻等特效，解析場域熱點類型、模型信息、模型位置等信息；對終端服務(wù)器通信協(xié)議、握手協(xié)議和數(shù)據(jù)指令的收發(fā)控制；調(diào)配云中心的相關(guān)內(nèi)容并在不同的終端設(shè)備上進行適配；負(fù)責(zé)云中心資源到終端中控臺服務(wù)器的內(nèi)容協(xié)同展示；負(fù)責(zé)終端與內(nèi)容云之間的資源交互和更新。

2.4 終端

體驗中心的終端通過第五代通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)等“黑科技”，打造R2R（Reading to Reality）的閱讀實境感，為圖書館讀者拓展閱讀空間、升級閱讀體驗。將VR/AR、人工智能終端應(yīng)用中需要實時計算的圖像渲染，數(shù)據(jù)傳輸、存儲和計算功能轉(zhuǎn)移到云端進行數(shù)據(jù)存儲和高速計算，終端借助5G的大帶寬和低時延技術(shù)，在體驗中心實現(xiàn)端到端的更多應(yīng)用場景。構(gòu)建諸如裸眼3D效果的“全景展廳”“VR沉浸式閱讀”“5G移動閱讀”、人工智能機器人、AR資源導(dǎo)覽、全息投影等閱讀體驗展項。公眾可在主流手機、VR Glass、VR主流一體機上給用戶前所未有的8K VR沉浸式體驗。終端可集成VR播放SDK，采用專用轉(zhuǎn)碼技術(shù)實現(xiàn)對8K、180°/360°、2D/3D直播流/音視頻文件的處理，不僅實現(xiàn)4K解碼能力終端觀看真正的8K VR，同時也可以降低50%帶寬。

3 網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

考慮到圖書館部署的邊緣云需要與云中心進行遠(yuǎn)程的管理和通信，視頻的網(wǎng)絡(luò)上下行傳輸需要大帶寬支持，筆者按照3D 8K互動類、8K 2D和未來3D高清視頻，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求進行了估算，見表1。圖書館可根據(jù)自身體驗中心中終端的視頻播放數(shù)量，計算上下行帶寬需求，申請相應(yīng)的邊云協(xié)同網(wǎng)絡(luò)帶寬。

表1 體驗中心體驗內(nèi)容規(guī)格、參數(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)

為了保障圖書館網(wǎng)絡(luò)安全和最穩(wěn)定體驗效果，本設(shè)計架構(gòu)中邊緣云和與云中心通信的網(wǎng)絡(luò)帶寬建議獨占，在邏輯上劃分不同的安全域，不與圖書館其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)帶寬流量混在一起，圖書館內(nèi)網(wǎng)為最高安全域，體驗中心展廳部分采用5G和Wi-Fi6覆蓋組成獨立的低安全域，通過部署防火墻方式實現(xiàn)域間隔離，部署安全的訪問控制策略，通過啟用防火墻的URL過濾、AV防病毒以及IPS防御功能，實現(xiàn)對敏感文字、敏感網(wǎng)址、敏感IP、病毒攻擊、非法入侵的高效防護；圖書館的邊緣云小站IES建議部署在圖書館機房，邊緣云設(shè)備到新閱讀體驗中心之間，用千兆網(wǎng)線連接，整個傳輸鏈路通過部署、光口連接的相關(guān)匯聚交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)物理隔離。在交換機與本地網(wǎng)絡(luò)接入之間增加一臺內(nèi)網(wǎng)防火墻，4臺交換機分別用于網(wǎng)絡(luò)機房、邊緣云機房、弱電間、體驗區(qū)中心展廳，如圖2所示。

圖2 5G新閱讀體驗中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

3.2 5G和Wi-Fi6融合

考慮到未來圖書館的資源流如4K視頻流（帶寬要求30 Mbps/人）、語音流（時延小于30 ms）、VR流（帶寬要求50 Mbps/人，時延10~20 ms）對帶寬和時延十分敏感，傳輸視頻或上下行的交互對網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)都比較大，本設(shè)計方案中移動終端設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)采用5G和Wi-Fi6相結(jié)合的方式實現(xiàn)，采用這種混合方式，主要是考慮到以下兩方面：一方面5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的是超高頻頻譜，穿越障礙的能力相對弱一些，信號質(zhì)量在室內(nèi)容易衰減，未來隨著圖書館物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量規(guī)模龐大，需要保證所有的上網(wǎng)設(shè)備都直連區(qū)域內(nèi)的基站，但很長一段時間內(nèi)5G基站數(shù)量無法超越4G基站數(shù)量，因此考慮依靠Wi-Fi來做分流，降低5G基站塔的負(fù)擔(dān)。另一方面是考慮到5G的費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬帶的使用費用，而Wi-Fi6（802.11ax）網(wǎng)絡(luò)通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技術(shù)使這些服務(wù)比以前更可靠[2]，不但支持接入的客戶端更多，同時還能均衡用戶帶寬，從頻譜資源利用、多用戶接入等方面解決網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率問題。

4 結(jié)束語

云計算技術(shù)、5G、VR等技術(shù)的融合應(yīng)用可以使讀者享受到流暢的終端閱讀體驗，同時可降低用戶接入數(shù)字圖書館所需設(shè)備和軟件的要求，更好地整合數(shù)字資源。本文提出的5G環(huán)境下圖書館新閱讀體驗中心的設(shè)計架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，該架構(gòu)具有很好的擴展性，可以應(yīng)用在國內(nèi)圖書館、美術(shù)館、博物館等公共文化機構(gòu)，公共文化服務(wù)機構(gòu)以新技術(shù)為手段，將真實場景與虛擬現(xiàn)實融合，以多元立體化的方式向讀者展示圖書館海量資源，通過科技賦能，不斷滿足讀者新型閱讀需求，將開啟智慧服務(wù)線下空間新體驗。