基于AR眼鏡的圖書館書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建研究

摘要：傳統(tǒng)圖書館主要通過索書號對館藏書刊進(jìn)行分類排架，讀者基于圖書館書刊分類、排架方式到館找書。隨著射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術(shù)的發(fā)展，越來越多的圖書館采用RFID技術(shù)進(jìn)行圖書館書刊定位，讀者通過圖書館館藏系統(tǒng)就能獲取書刊在圖書館的具體架位信息。文章在RFID書架定位基礎(chǔ)上引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）、超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）、室內(nèi)三維建模、圖像識別等技術(shù)，提出基于AR眼鏡的集讀者實(shí)時(shí)定位、最優(yōu)路徑實(shí)景導(dǎo)航、目標(biāo)書刊指引等功能的書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)，介紹了整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，分析了構(gòu)建書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)的意義。

關(guān)鍵詞：AR眼鏡；書刊導(dǎo)航；導(dǎo)航系統(tǒng)；RFID

中圖分類號：G250.7" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

傳統(tǒng)圖書館主要通過分類法對館藏圖書進(jìn)行分類，根據(jù)作者、出版年等信息給出圖書的索書號，然后按照索書號排架方式對館藏圖書進(jìn)行排架。讀者基于館藏圖書分布情況，按照索書號排架方式到館找書。讀者只有較好地掌握了分類與排架的相關(guān)知識，才能快速定位書架并找到所需書籍。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，越來越多的圖書館引入RFID技術(shù)進(jìn)行圖書館書籍定位［1］，讀者通過圖書館館藏系統(tǒng)獲取書籍所在的具體架位信息，部分圖書館甚至結(jié)合館藏布局情況給出了書架在館的指引圖。其能幫助讀者快速定位到書架，再按照索書號的排架方式找到目標(biāo)圖書，降低了讀者對分類排架知識掌握的要求，在一定程度上提升了讀者的滿意度。

但對于不熟悉圖書館布局、不了解分類排架的讀者而言，找到書架、鎖定目標(biāo)圖書依然可能花費(fèi)較多的時(shí)間和精力?；诖?，本文在RFID書架定位的基礎(chǔ)上引入了AR、UWB、室內(nèi)三維建模、圖像識別等技術(shù)，提出基于AR眼鏡的書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對讀者進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；根據(jù)讀者位置信息、目標(biāo)書籍以及目的地進(jìn)行實(shí)時(shí)的最優(yōu)路徑實(shí)景導(dǎo)航；將讀者導(dǎo)航至具體書架后，還可指引目標(biāo)書籍的位置。

1 RFID技術(shù)及其在圖書館中的應(yīng)用

1.1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)俗稱“電子標(biāo)簽”，是通過無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的［2］。最基本的RFID系統(tǒng)由以下3個(gè)部分組成。（1）標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于同射頻天線間進(jìn)行通信。（2）閱讀器：讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備。（3）天線：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。系統(tǒng)的基本工作流程為：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡通過卡內(nèi)置發(fā)送天線將自身編碼等信息發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。

1.2 RFID在圖書館中的應(yīng)用概況

1998年新加坡國家圖書館率先使用RFID技術(shù)進(jìn)行圖書管理，隨后美國、澳大利亞、荷蘭等國家的圖書館也相繼使用［3］。自2006年起，我國繼廈門集美大學(xué)誠毅學(xué)院圖書館、深圳圖書館、武漢圖書館等采用RFID館藏管理系統(tǒng)之后，很多圖書館紛紛采用RFID技術(shù)，RFID技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用發(fā)展十分迅速。多數(shù)圖書館引進(jìn)RFID技術(shù)用于圖書查找、自助借還、圖書盤點(diǎn)等。RFID技術(shù)應(yīng)用于圖書館后，引發(fā)了圖書館整個(gè)工作流程、管理服務(wù)模式的革命性變化。其主要優(yōu)勢在于：實(shí)現(xiàn)圖書精準(zhǔn)定位，便于快速查找、排架整架；實(shí)現(xiàn)自助借還，提高借還效率；簡化盤點(diǎn)，提高館藏管理質(zhì)量；節(jié)省人力資源，提高服務(wù)水平；增強(qiáng)防盜監(jiān)控，降低漏報(bào)誤報(bào)等［4］。

2 書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)概況

2.1 系統(tǒng)框架

RFID技術(shù)在圖書館中的一個(gè)重要應(yīng)用就是書刊定位，通過在每本書籍上加入RFID標(biāo)簽，書架兩側(cè)的RFID天線讀取放入書架書籍的RFID標(biāo)簽，就可以明確書架中放置的書籍，從而打通書架和書籍之間的鏈接。通過圖書館館藏查詢系統(tǒng)，讀者能夠獲取書籍在圖書館的具體架位信息，部分圖書館甚至結(jié)合館藏布局情況給出書架在館的指引圖。圖1為RFID書架定位系統(tǒng)框架，相較于傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)，RFID通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、存儲數(shù)據(jù)量大、安全性高、識別速度快、形態(tài)靈活、批量讀取等優(yōu)勢［5］。

本文在RFID書架定位的基礎(chǔ)上，提出基于AR眼鏡的圖書館書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)框架如圖2所示。書架上的RFID天線通過書籍內(nèi)的RFID標(biāo)簽識別書籍信息，將該信息通過WiFi上傳到圖書館的館藏系統(tǒng)上，通過系統(tǒng)存儲書架的位置信息從而知曉書籍的地理位置。讀者佩戴AR眼鏡后，眼鏡中的UWB定位模塊能夠定位讀者在圖書館內(nèi)的實(shí)時(shí)位置；通過WiFi從圖書館館藏系統(tǒng)獲取到書籍所在書架的地理位置信息；AR眼鏡根據(jù)讀者位置和所有目標(biāo)書籍的架位信息，應(yīng)用AR技術(shù)、室內(nèi)三維建模技術(shù)生成圖書館內(nèi)的實(shí)景導(dǎo)航，實(shí)時(shí)規(guī)劃讀者從館內(nèi)所在地—借閱書籍所在書架—目的地的最優(yōu)路線；到達(dá)指定書架后AR眼鏡還可以通過圖像識別技術(shù)，指引讀者拿取所要借閱圖書等。

2.2 AR眼鏡設(shè)備構(gòu)成

基于AR眼鏡的書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成如圖3所示。從下往上分為外設(shè)硬件層、主控芯片層、操作系統(tǒng)層、AR引擎層和應(yīng)用層。

在外設(shè)硬件層中，WiFi模塊主要用于解決AR眼鏡與圖書館館藏系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問題；UWB模塊主要用于解決圖書館內(nèi)導(dǎo)航的讀者定位問題，攝像頭用于解決書架上書籍指引等問題。

在主控芯片層中，本文選用高通驍龍XR2芯片。開發(fā)人員可以根據(jù)自身項(xiàng)目的需求對其進(jìn)行更換，比如：國內(nèi)廠家瑞芯微的RK3588s、RK3588，全志的VR9芯片，以其作為設(shè)備主控芯片的備選方案。

由于Android系統(tǒng)具有開源和免費(fèi)的特點(diǎn)，本文在操作系統(tǒng)層中選擇Android系統(tǒng)。

在AR引擎層中，本文選擇AR Core作為AR引擎，選擇AndroidStudio作為開發(fā)工具。開發(fā)人員可以根據(jù)自身情況選擇其他的軟件開發(fā)方案，如：選擇Vuforia作為AR引擎，選擇Unity作為開發(fā)工具等。

應(yīng)用層作為圖書館AR的實(shí)景導(dǎo)航軟件，主要用于解決圖書館內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)景路線導(dǎo)航及書刊導(dǎo)航問題。

2.3 書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)功能

AR眼鏡實(shí)現(xiàn)圖書館內(nèi)的場所和書籍的實(shí)景導(dǎo)航功能。系統(tǒng)的具體功能模塊如圖4所示，包括路線導(dǎo)航和書籍導(dǎo)航2個(gè)部分，用戶可以自由選擇是否進(jìn)行書籍導(dǎo)航，即圖中虛箭頭并不是必須經(jīng)過的流程。系統(tǒng)主要包括身份識別、借閱查詢、目的地設(shè)置、實(shí)時(shí)路徑導(dǎo)航、書籍指引、讀者行為記錄等幾個(gè)功能模塊。

身份識別：AR眼鏡和圖書館館藏系統(tǒng)聯(lián)通，讀者進(jìn)館后，AR眼鏡通過借閱證掃描、虹膜識別方式自動綁定讀者身份。

借閱查詢：讀者可通過AR眼鏡進(jìn)行圖書館館藏書籍查詢，將自己感興趣的書籍加入找書清單（或通過圖書館查詢機(jī)、個(gè)人手機(jī)、個(gè)人電腦等方式登錄圖書館館藏查詢系統(tǒng)后，同步更新到AR眼鏡終端）。

目的地設(shè)置：通過AR眼鏡和圖書館座位、研修空間、報(bào)告廳等預(yù)約系統(tǒng)聯(lián)通，讀者根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置找書后所要到達(dá)的目的地，目的地可以是具體閱覽座位、研修空間、自助借還處等。

實(shí)時(shí)路徑導(dǎo)航：AR眼鏡根據(jù)找書清單和目的地進(jìn)行最優(yōu)路徑的實(shí)時(shí)實(shí)景導(dǎo)航。依次將讀者導(dǎo)航到找書清單中圖書對應(yīng)的書架，最終導(dǎo)航到具體的閱覽座位、研修室或自助借還處等目的地。

書籍指引：到達(dá)具體書架后，AR眼鏡通過眼鏡上的攝像頭對書架上的書籍進(jìn)行圖像掃描，識別具體準(zhǔn)備借閱的書籍并進(jìn)行指引，若讀者翻閱后要放回書架，則可指引讀者到具體的放書位置。

讀者行為記錄：AR眼鏡的攝像頭自動記錄讀者取書、翻閱、放回等行為和時(shí)間等情況，方便圖書館統(tǒng)計(jì)書籍利用率等數(shù)據(jù)。

3 書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)圖書館內(nèi)場所和書刊的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，AR眼鏡須要實(shí)時(shí)定位讀者所在位置，根據(jù)其所在位置、目標(biāo)書籍位置實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路線并進(jìn)行路線導(dǎo)航指引，在讀者到達(dá)書架后執(zhí)行目標(biāo)書籍定位指引等功能。下面對上述功能主要涉及的技術(shù)與算法進(jìn)行介紹。

3.1 智慧化實(shí)景導(dǎo)航

3.1.1 AR技術(shù)簡介

AR技術(shù)又被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，將原本在現(xiàn)實(shí)世界的空間范圍中較難進(jìn)行體驗(yàn)的實(shí)體信息，在電腦等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)施模擬仿真處理，將虛擬信息內(nèi)容疊加在真實(shí)世界中以有效應(yīng)用，在這一過程中被人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)［6］。當(dāng)真實(shí)環(huán)境和虛擬物體之間發(fā)生重疊之后，二者能在同一個(gè)畫面以及空間中同時(shí)存在。

在視覺化的AR技術(shù)中，用戶須要在眼鏡、頭盔、汽車前擋風(fēng)玻璃等顯示器的基礎(chǔ)上，將真實(shí)世界和電腦圖形重合在一起，在重合之后可以充分看到真實(shí)的世界圍繞著用戶。AR技術(shù)包含對象自然特征識別、對象跟蹤注冊、基于裸手手勢識別的人機(jī)交互等多種技術(shù)和手段。將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，2種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。

3.1.2 AR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

目前，AR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、軍事、工業(yè)設(shè)計(jì)、影視娛樂等不同行業(yè)［7-8］。例如：在教育應(yīng)用中，AR技術(shù)以三維動畫的方式降低知識理解門檻等；在臨床應(yīng)用中，AR技術(shù)可以為醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生提供三維可視化圖像，立體直觀地觀察人體或器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；在軍事領(lǐng)域，AR技術(shù)能夠在模擬訓(xùn)練、軍事指揮、作戰(zhàn)輔助、軍事裝備研發(fā)及維修、戰(zhàn)地醫(yī)療保障、安防監(jiān)控、裝備研發(fā)等方面進(jìn)行應(yīng)用；在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和物流的可視化操控；在游戲中，AR技術(shù)可以使玩家通過現(xiàn)實(shí)入口體驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的全新游戲方式；在健身中，AR技術(shù)可以使用戶全方位地觀看并模擬教練的鍛煉細(xì)節(jié)，更準(zhǔn)確、更同步跟隨訓(xùn)練；在旅行中，AR技術(shù)通過在真實(shí)空間中疊加遺跡虛擬信息，使游客跨域時(shí)空看古跡；在硬裝裝修、家具布置、色彩搭配中，AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬物品在真實(shí)物理空間中地調(diào)整和擺放，達(dá)到更逼真、更直觀的視覺體驗(yàn)等。

目前，室內(nèi)UWB定位技術(shù)趨于成熟，室外AR導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)［9］和汽車的智能座艙系統(tǒng)［10-11］，其所需要的軟、硬件技術(shù)已經(jīng)可以在市場中落地使用。利用AR技術(shù)進(jìn)行圖書館室內(nèi)智慧化導(dǎo)航具有理論與實(shí)踐可行性。

3.2 捕捉實(shí)時(shí)位置

3.2.1 室內(nèi)定位技術(shù)

AR眼鏡在圖書館內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航，首先須要對讀者進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。目前，室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙定位、UWB定位、WiFi定位、ZigBee定位、RFID定位［12-13］。其定位精度和穩(wěn)定性如表1所示。

AR眼鏡在進(jìn)行圖書館室內(nèi)導(dǎo)航的過程中，除了導(dǎo)航到圖書館樓層、閱覽區(qū)、研修室外，還要求AR眼鏡能夠精確導(dǎo)航到圖書館具體書架，指引讀者拿取具體書籍。由于圖書館內(nèi)的書架與書架的距離通常是小于0.5 m的間隔距離，所以須要室內(nèi)定位技術(shù)精度高于0.5 m。由表1可知，只有UWB定位技術(shù)才能滿足圖書館室內(nèi)書架定位的精度需求。

3.2.2 UWB定位技術(shù)

UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，在較寬的頻譜上傳送極低的功率信號，通常頻寬可達(dá)500 MHz～1 GHz，F(xiàn)CC授權(quán)頻率為3.1～10.6 GHz，具體可用頻段和功率限制各國不一。UWB技術(shù)的定位原理是通過測量信號的到達(dá)時(shí)間來計(jì)算物體與基站之間的距離。當(dāng)一個(gè)UWB信號從基站發(fā)送到待測物體，在物體上反射回基站時(shí)，基站可以測量到信號的時(shí)間延遲。為了實(shí)現(xiàn)高精度的定位，研究者通常需要多個(gè)基站來定位一個(gè)物體。這些基站在空間上進(jìn)行分布，與物體進(jìn)行通信。研究者通過測量物體與各個(gè)基站之間的時(shí)延差異，使用三角測量或多普勒效應(yīng)等方法，可以計(jì)算出物體的精確位置。

UWB技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，主要用于軍事雷達(dá)。UWB技術(shù)由于具有隱蔽性好、傳輸速率高、系統(tǒng)空間容量大、終端功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高等諸多優(yōu)勢，逐漸被應(yīng)用于通信和定位領(lǐng)域［14］。2002年后，美國聯(lián)邦通信委員會正式將3.1～10.6 GHz頻帶作為室內(nèi)通信用途的UWB開放頻帶，UWB技術(shù)開始被用于民用無線通信，UWB技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。中國從2006年開始進(jìn)行UWB頻譜規(guī)劃的準(zhǔn)備工作，經(jīng)過2年多的調(diào)研，2008年12月12日，中國UWB頻譜規(guī)劃正式發(fā)布，包括UWB信號的射頻指標(biāo)、應(yīng)用場所限制、設(shè)備核準(zhǔn)等方面的內(nèi)容。隨著低頻段帶寬的日漸使用，目前的UWB正朝著5 GHz以上的高頻段遷移。2011年，IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，結(jié)束了此前各家方案彼此不兼容的歷史。2019年，多家廠商聯(lián)合組建了FiRa聯(lián)盟，旨在利用超寬帶技術(shù)推動用戶無縫體驗(yàn)。2020年底，IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，新增了低速率脈沖編碼方案和加密支持，但出于技術(shù)較新及成本較高等方面的因素，目前僅在手機(jī)和汽車方面有所使用，室內(nèi)定位方面的案例較少。2023年，華金證券的研報(bào)指出華為采用5G、數(shù)字建模、UWB定位等技術(shù)支持，可以在復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)井下360°全方位感知與障礙物識別和脫網(wǎng)運(yùn)行，安全高效完成運(yùn)輸任務(wù)。該事件也說明了UWB室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。

3.2.3 UWB定位算法

UWB定位基于UWB通信技術(shù)，具體如何定位還需要定位算法來配合?；赨WB的定位算法主要有飛行時(shí)間法（Time of Flight，TOF）、雙向測距（Two-Way Ranging，TWR）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）［12，15］。表2為幾種算法對比情況，考慮到圖書館內(nèi)入館人員數(shù)量眾多，對于標(biāo)簽數(shù)量要求較高的情況，TDOA算法是一種較為合適的UWB定位算法。

3.3 規(guī)劃最優(yōu)路徑

3.3.1 室內(nèi)模型

根據(jù)模型包含信息的類型和豐富程度，現(xiàn)有室內(nèi)模型大致分為幾何空間模型、符號空間模型、混合模型3類［16］。

（1）幾何空間模型。

如何使用幾何元素精準(zhǔn)地描述室內(nèi)的結(jié)構(gòu)，是幾何空間模型的關(guān)鍵點(diǎn)。幾何空間模型又可以具體分為格網(wǎng)模型和邊界模型。其中，格網(wǎng)模型采用面域或空域枚舉來描述空間目標(biāo)對象，以行列的交點(diǎn)特征值代表交點(diǎn)附近空間對象或?qū)嶓w的各種空間幾何特征和屬性幾何特征。邊界模型將室內(nèi)間元素使用點(diǎn)、線、面、體等空間拓?fù)湓剡M(jìn)行抽象化。邊界模型對室內(nèi)空間的幾何信息進(jìn)行抽象化，因此，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的可視化模型常采用該模型。但是該模型缺少實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系，使其在導(dǎo)航位置服務(wù)中作用被限制。

（2）符號空間模型。

符號空間模型將空間內(nèi)的每一個(gè)實(shí)體抽象為特定的符號，通過符號間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來表征實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系。符號空間模型主要分為集合模型和圖模型。集合模型雖然可以滿足室內(nèi)位置查詢，但是其缺少對坐標(biāo)和距離的定量描述，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的功能。圖模型在描述相鄰與連通關(guān)系時(shí)簡單易懂，可對室內(nèi)空間的包含關(guān)系進(jìn)行分層次描述，但僅采用圖模型描述時(shí)其表達(dá)的內(nèi)容不足以支撐導(dǎo)航需求。

（3）混合模型。

混合模型對幾何、拓?fù)洹⒄Z義信息模型進(jìn)行了取長補(bǔ)短的優(yōu)勢融合。該模型自由度高、信息完備，可滿足室內(nèi)導(dǎo)航的個(gè)性化需求。

混合模型的優(yōu)勢在于將其他元素進(jìn)行融合，優(yōu)勢互補(bǔ)。幾何信息是保證導(dǎo)航位置精度以及室內(nèi)環(huán)境描述準(zhǔn)確的前提。拓?fù)湫畔⒂糜诿枋鍪覂?nèi)空間對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是室內(nèi)尋路的重要依據(jù)。語義信息是保障個(gè)性化導(dǎo)航與導(dǎo)航信息準(zhǔn)確的必備元素?；谝陨蟽?yōu)勢，混合模型未來發(fā)展前景廣闊，逐漸成為室內(nèi)導(dǎo)航模型研究重點(diǎn)。

3.3.2 路徑規(guī)劃算法

圖書館內(nèi)室內(nèi)導(dǎo)航除了須要進(jìn)行建模以外，還需要路徑規(guī)劃算法來配合，經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法有Dijkstra算法、A*算法、IDA*算法、SMA* 算法等。

（1）Dijkstra算法：Dijkstra算法是典型的最短路搜索算法，最早由荷蘭科學(xué)家Dijkstra于1959年提出，用于計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑。Dijkstra算法的基本原理是：每次新擴(kuò)展一個(gè)距離最短的點(diǎn)，更新與其相鄰點(diǎn)的距離。主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止，其適用于搜索規(guī)模較小的問題［17］。Dijkstra算法能夠得出最短路徑的最優(yōu)解，但由于其遍歷計(jì)算的節(jié)點(diǎn)很多，所以效率低。

（2）A*算法：A*算法是一種啟發(fā)式搜索方法。其在Dijkstra算法的基礎(chǔ)上，引入了啟發(fā)值，以啟發(fā)值來引導(dǎo)擴(kuò)展方向，從而縮小搜索范圍，提高了搜索效率。該算法在不需要檢查所有節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的最短路徑的情況下，可以搜索到節(jié)點(diǎn)之間具有較少邊緣的最短路徑。啟發(fā)值越接近于實(shí)際值，A*算法搜索的效率越高。因此，對于不同的應(yīng)用場景需要選擇合適的啟發(fā)函數(shù)。

（3）IDA*算法：IDA*（Iterative Deepening A*）算法是一種在A*算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代加深的圖遍歷和搜索算法。其利用深度迭代中的深度閾值，對整個(gè)加權(quán)圖中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)函數(shù)在深度層次的劃分，這種劃分將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，對低閾值控制下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先遍歷［18］。IDA*算法對A*算法空間復(fù)雜度進(jìn)行了改進(jìn)，適用于內(nèi)存緊缺的情形，但其以犧牲部分效率為代價(jià)。在同等條件下，IDA*算法優(yōu)于A*算法，完備性也比A*算法好，但I(xiàn)DA*算法搜索的路徑長度與需要的內(nèi)存成正比。

（4）SMA*算法：SMA*（Simplified Memory-bounded A*）算法是限定存儲器的A*算法，可以通過保存節(jié)點(diǎn)，大幅避免IDA*算法的重復(fù)計(jì)算［19］。若沒有剩余存儲空間以及算法仍須繼續(xù)迭代，則一些無用節(jié)點(diǎn)可從隊(duì)列中退出；若存儲空間足夠，則說明SMA*算法是完備的，能返回最優(yōu)解。

根據(jù)上述算法的發(fā)展歷程，如果忽略存儲空間這一因素，SMA*算法的完備性以及最優(yōu)解都是最佳的選擇。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合項(xiàng)目預(yù)算、性能指標(biāo)等多方面因素綜合考慮路徑規(guī)劃算法的選擇。

3.4 鎖定目標(biāo)書籍

目前，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法可以分為one-stage和two-stage 2類。one-stage類的算法是基于回歸分析的算法，將圖像的分類和定位問題轉(zhuǎn)化為邏輯回歸問題，僅使用一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）直接預(yù)測不同目標(biāo)的類別與位置，包括YOLO系列算法、SSD算法。two-stage類算法基于候選框，輸入圖像先經(jīng)過候選框生成網(wǎng)格，再經(jīng)過分類網(wǎng)絡(luò)對候選框的內(nèi)容進(jìn)行分類，其包括R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN［20-21］?；谏疃葘W(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法構(gòu)成具體如圖5所示?？傮w而言，two-stage類算法精度高，但速度慢；one-stage類算法速度快，但精度不如two-stage。其中，YOLO算法憑借其優(yōu)秀的實(shí)時(shí)性和精度，常用于位置檢測，如無人駕駛、農(nóng)作物病蟲害預(yù)防、醫(yī)學(xué)檢查等。

AR眼鏡根據(jù)UWB模塊的定位信息、服務(wù)器下發(fā)的目標(biāo)書籍位置信息以及攝像頭內(nèi)拍攝的實(shí)景圖像，使用AR技術(shù)為用戶生成導(dǎo)航路徑。用戶根據(jù)AR眼鏡規(guī)劃的路徑找到目標(biāo)書籍的書架，當(dāng)用戶站立到書架前時(shí)，攝像頭自動拍攝書架的照片，AR眼鏡內(nèi)部處理器采用YOLO算法對拍攝的書架圖片進(jìn)行處理，找到書架中目標(biāo)書籍的位置，將該結(jié)果投射到AR眼鏡的眼鏡片上，指導(dǎo)用戶拿取目標(biāo)書籍。

4 書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢

4.1 兼容性強(qiáng)，過渡方便

系統(tǒng)在原有館藏系統(tǒng)和RFID書架定位的基礎(chǔ)上，引入AR、UWB、室內(nèi)三維建模、圖像識別等技術(shù)，通過AR眼鏡進(jìn)行借閱查詢、實(shí)景導(dǎo)航、書籍指引，不影響原有圖書館管理模式和工作流程，方便圖書館在原有基礎(chǔ)上逐步過渡。若圖書館還未進(jìn)行RFID書架定位，還可選擇超高頻RFID標(biāo)簽進(jìn)行書架定位，則圖書著錄信息可直接考慮在RFID上讀寫。系統(tǒng)既考慮了逐步過渡，又為今后的發(fā)展保留了一定的空間。

4.2 佩戴方便，實(shí)景顯示

本文選擇AR眼鏡作為圖書館書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)的顯示終端，具有佩戴方便、美觀實(shí)用的特點(diǎn)。AR眼鏡具備在任何時(shí)候都可以生成大尺寸高分辨屏幕，延伸用戶的電子信息顯示范圍的功能；同時(shí)，用戶還可根據(jù)需要在視野范圍內(nèi)調(diào)整顯示尺寸。圖書館實(shí)景信息通過AR眼鏡進(jìn)行顯示，加入導(dǎo)航指引，符合人體工學(xué)，也避免了低頭看導(dǎo)航的潛在風(fēng)險(xiǎn)等。

4.3 實(shí)時(shí)定位，路線導(dǎo)航

原RFID定位方式只能顯示書籍所在書架，不能根據(jù)讀者所處位置進(jìn)行實(shí)時(shí)路線導(dǎo)航，對于不熟悉圖書館布局的讀者依然很難找到書架具體位置和圖書館具體功能區(qū)等，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的圖書館，新入館的讀者往往找不到方向。書刊智慧導(dǎo)航系統(tǒng)能定位讀者的實(shí)時(shí)位置，通過圖書館館舍信息的采集和館藏系統(tǒng)聯(lián)通，不僅可以導(dǎo)航至?xí)诰唧w書架，還可兼具圖書館其他場所實(shí)景導(dǎo)航，方便不熟悉圖書館的讀者找到與書架相關(guān)聯(lián)的場所，圖書館還可將其應(yīng)用于到館參觀、新生入館教育等多種情景。

4.4 指引書籍，提升體驗(yàn)

原RFID僅指出書籍所在書架，讀者只有通過索書號排架規(guī)則在書架上找書，對于不熟悉排架方式的讀者仍然須要花費(fèi)較多時(shí)間與精力。AR眼鏡通過攝像頭自動拍攝書架照片，通過圖像識別技術(shù)，識別讀者目標(biāo)書籍，通過AR技術(shù)進(jìn)行書籍指引。讀者無須掌握圖書館圖書分類排架方式，可直接按指引取書，若翻閱之后須要放回書架，則AR眼鏡可以指引放書位置，大幅提升了讀者的體驗(yàn)。

4.5 捕捉數(shù)據(jù)，提供支撐

通過AR眼鏡可以實(shí)時(shí)捕捉讀者借閱查詢、取書、閱覽、放書等一系列行為，根據(jù)書刊在讀者手頭上的時(shí)間能判斷讀者是否對該書刊感興趣，若讀者一直佩戴AR眼鏡，則還可獲取書籍閱讀行為。相較于單純的借還數(shù)據(jù)，這些查、取、閱、放相關(guān)數(shù)據(jù)與時(shí)間記錄能夠使圖書館更加全面地了解書刊的受歡迎程度和利用率等情況，從而為圖書館書刊訂購和書刊下架等提供數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化圖書館館藏資源。

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（編輯 王永超）

Research on construction of intelligent navigation system for library books based on AR glasses

SHI "Guanglian1， WANG" Ruixiang2

（1.Library， Chengdu University of Traditional Chinese Medicine， Chengdu 611137， China; 2.Sichuan Homwee

Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610095， China）

Abstract： Traditional libraries classify and shelve their collections of books and periodicals mainly through call numbers， and readers look for books based on the classification and shelving methods of library books. With the development of RFID （Radio Frequency Identification） technology， more and more libraries use RFID technology to locate their books and periodicals. Readers can obtain shelf information of books through the library OPAC. Based on bookshelf positioning through RFID， this study introduces technologies such as AR （Augmented Reality）， UWB （Ultra Wide Band）， indoor 3D modeling and image recognition. A book intelligent navigation system based on AR glasses is proposed， which integrates the functions of real-time positioning of readers， optimal path reality navigation， target book guidance and other functions. The system architecture and key technologies are introduced， and the significance of constructing intelligent navigation system for library books is analyzed.

Key words： AR glasses; book navigation; navigation system; RFID

基金項(xiàng)目：2022年成都中醫(yī)藥大學(xué)“杏林學(xué)者”學(xué)科人才科研提升計(jì)劃；項(xiàng)目名稱：習(xí)近平新時(shí)代背景下高校圖書館面向本科教學(xué)服務(wù)模式探究；項(xiàng)目編號：330022093。

作者簡介：石光蓮（1989— ），女，館員，碩士；研究方向：信息組織與檢索，信息用戶。