王宇鴿

（國家圖書館，北京 100081）

5G是第五代移動通信技術的簡稱，它是具備大帶寬、低延遲、支持大規(guī)模高密度高速度設備連接并具有高可靠性的新一代蜂窩移動通信技術，它是4G技術之后的新一代移動通信技術[1]。5G網(wǎng)絡環(huán)境下，圖書館館藏的文獻資源可以更便捷地轉化為不同數(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機構，其發(fā)展與信息技術的發(fā)展息息相關，未來在沉浸式媒體技術和邊緣計算技術的驅動下，圖書館在為用戶提供服務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的互動體驗，對聽覺、觸覺的體驗期望不斷增長。5G技術可以實現(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、體感傳感技術等新一代顯示和交互技術的融合應用，圖書館人機交互閱讀體驗會呈現(xiàn)更多的多元化表達方式。

1 圖書館新閱讀體驗中心需求分析

1.1 5G的應用優(yōu)勢

5G作為跨時代的技術，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應用優(yōu)勢體現(xiàn)在云端的應用，云業(yè)務在存儲、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)務可以在云端完成處理，以降低終端成本和實現(xiàn)復雜的跨平臺協(xié)作，將圖書館的一些資源內容在云端進行存儲、處理和渲染，再通過5G可靠的高速網(wǎng)絡實時返回給終端，用戶的數(shù)字閱讀內容體驗會更加便捷，VR內容云和5G的結合是圖書館沉浸式閱讀體驗的基礎；5G給視頻服務帶來另一個變化，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應用，使得圖書館無人機或者機器人客戶端能夠實時識別、查詢和進行相關服務；最后，5G更重要的應用優(yōu)勢將為圖書館萬物互聯(lián)的實現(xiàn)提供技術條件和平臺環(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、手機等終端設備進行數(shù)字閱讀，還可以延伸到智能可穿戴設備、智能家居設備等新型閱讀載體。

1.2 新閱讀體驗中心的建設需求

全國圖書館的信息化建設主要經(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。第二階段是20世紀90年代開始的數(shù)字圖書館建設，致力于為讀者提供數(shù)字閱讀創(chuàng)新服務，國家圖書館帶動全國各級圖書館經(jīng)過多年建設，已經(jīng)建成資源豐富、技術先進、覆蓋面廣的數(shù)字圖書館服務體系。第三階段是“十四五”時期即將要構建的智慧圖書館，將為讀者提供真正智慧化隨時隨地隨心的知識服務。在智慧圖書館建設階段，讀者希望能以多樣化方式獲取圖書館的各種資源和服務，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、邊緣計算等技術相結合的應用，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原則

圖書館新閱讀體驗中心的建設以5G閱讀需求為導向、技術為支撐，從整體設計上進行統(tǒng)一的規(guī)劃和搭建。在建設過程中應該注重架構的先進性和可擴展性的設計原則，總體架構的設計應符合圖書館實際業(yè)務需要，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；同時確保應用技術先進，遵循統(tǒng)一標準，注重5G和互聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術的融合應用，盡量采用云化架構，實現(xiàn)新閱讀體驗中心的應用技術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計架構

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”的建設思路進行設計。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)字化內容存儲在云端，通過采用不同新型5G終端設備，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計架構

2.1 云中心

在圖書館傳統(tǒng)內容數(shù)字化的基礎上，將圖書館館藏資源、圖書館風貌加工成內容高分辨率，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、云上行加速服務和OBS服務，將這些不同形態(tài)的數(shù)字內容文件（如直播流/音視頻）快速、可靠、穩(wěn)定上云，解決數(shù)字內容版權使用和數(shù)字內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，可設計集知識性、趣味性、教育性于一體，設計開發(fā)寓教于樂的科普性視頻內容，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、細節(jié)、來龍去脈、蘊含的深刻歷史意義等，讓圖書館遙遠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實景復刻，重塑真實世界，展現(xiàn)全景圖書館的風貌，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)字內容傳播將具有趣味化和通俗性，全景出版內容的不斷豐富開發(fā)完善，會使5G技術應用、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、移動設備等方式采集景點的高清視頻影像，經(jīng)由5G傳送至遠端的VR頭顯設備或一組4K/8K高清屏幕，實現(xiàn)遠程實時身臨其境的3D體驗，可搭載圖書館公開課直播品牌建立AR/VR遠程課堂，形成新學習模式。直播內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。因此本設計架構引入了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，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，需要實時響應的一些數(shù)據(jù)放在邊緣本地處理，邊緣云端處理一些關鍵數(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器端和云中心。這種云中心和邊緣云節(jié)點融合的架構設計，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，邊緣云控制臺的站點運行情況監(jiān)控、遠程部署和運行業(yè)務可交給專業(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)絡傳輸管道上，本設計架構使用最新第五代通信技術，能大幅度提升網(wǎng)絡傳輸帶寬以及終端接入數(shù)量，降低時延，保障終端體驗設備的效果。管道控制主要負責體驗中心高清液晶大屏、協(xié)同控制計算機、VR視聽設備、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；調配云中心的相關內容并在不同的終端設備上進行適配；負責云中心資源到終端中控臺服務器的內容協(xié)同展示；負責終端與內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、虛擬現(xiàn)實技術、人工智能技術等“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，在體驗中心實現(xiàn)端到端的更多應用場景。構建諸如裸眼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，采用專用轉碼技術實現(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)絡部署架構

考慮到圖書館部署的邊緣云需要與云中心進行遠程的管理和通信，視頻的網(wǎng)絡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，申請相應的邊云協(xié)同網(wǎng)絡帶寬。

表1 體驗中心體驗內容規(guī)格、參數(shù)

3.1 網(wǎng)絡安全架構

為了保障圖書館網(wǎng)絡安全和最穩(wěn)定體驗效果，本設計架構中邊緣云和與云中心通信的網(wǎng)絡帶寬建議獨占，在邏輯上劃分不同的安全域，不與圖書館其他業(yè)務網(wǎng)絡帶寬流量混在一起，圖書館內網(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、光口連接的相關匯聚交換機等網(wǎng)絡設備實現(xiàn)物理隔離。在交換機與本地網(wǎng)絡接入之間增加一臺內網(wǎng)防火墻，4臺交換機分別用于網(wǎng)絡機房、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)絡拓撲架構

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)絡挑戰(zhàn)都比較大，本設計方案中移動終端設備之間的網(wǎng)絡采用5G和Wi-Fi6相結合的方式實現(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)絡技術采用的是超高頻頻譜，穿越障礙的能力相對弱一些，信號質量在室內容易衰減，未來隨著圖書館物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量規(guī)模龐大，需要保證所有的上網(wǎng)設備都直連區(qū)域內的基站，但很長一段時間內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基站塔的負擔。另一方面是考慮到5G的費用遠遠大于寬帶的使用費用，而Wi-Fi6（802.11ax）網(wǎng)絡通過OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技術使這些服務比以前更可靠[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)絡容量和傳輸效率問題。

4 結束語

云計算技術、5G、VR等技術的融合應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計架構和網(wǎng)絡部署架構，該架構具有很好的擴展性，可以應用在國內圖書館、美術館、博物館等公共文化機構，公共文化服務機構以新技術為手段，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，將開啟智慧服務線下空間新體驗。