5G环境下的图书馆新阅读体验中心建设

王宇鸽

（国家图书馆，北京 100081）

5G是第五代移动通信技术的简称，它是具备大带宽、低延迟、支持大规模高密度高速度设备连接并具有高可靠性的新一代蜂窝移动通信技术，它是4G技术之后的新一代移动通信技术[1]。5G网络环境下，图书馆馆藏的文献资源可以更便捷地转化为不同数字知识形态进行传输，图书馆作为知识传承的公共文化服务机构，其发展与信息技术的发展息息相关，未来在沉浸式媒体技术和边缘计算技术的驱动下，图书馆在为用户提供服务时除了考虑用户本身所具有的特殊需求之外，也必须意识到在5G环境下用户群体的阅读方式将会发生改变，人们对信息资源的获取方式更为挑剔，公众不再满足于屏幕上单调的互动体验，对听觉、触觉的体验期望不断增长。5G技术可以实现大规模机器间的相互通信，未来它将和大数据、云计算、人工智能等技术融合，会改变图书馆的阅读模式。同时借助5G与VR、AR、裸眼3D、多屏多点触控交互、语音语义识别交互技术、体感传感技术等新一代显示和交互技术的融合应用，图书馆人机交互阅读体验会呈现更多的多元化表达方式。

1 图书馆新阅读体验中心需求分析

1.1 5G的应用优势

5G作为跨时代的技术，它的出现给视频体验带来了改变，通过华为Wireless X Labs人因工程的研究对比可以看出，由于受到人眼可视范围、手臂长短和体验感限制，手持移动设备最大视频显示极限只有5K分辨率，只具备20 Mbps+传输速度，但是5G的WTTX业务可以具备在大屏终端播放8K分辨率视频的能力，带宽传输速度相比之前提高了6倍，这将为图书馆新阅读带来极致视频体验；其次，5G应用优势体现在云端的应用，云业务在存储、计算、渲染能力方面的快速发展提升，使得图书馆很多业务可以在云端完成处理，以降低终端成本和实现复杂的跨平台协作，将图书馆的一些资源内容在云端进行存储、处理和渲染，再通过5G可靠的高速网络实时返回给终端，用户的数字阅读内容体验会更加便捷，VR内容云和5G的结合是图书馆沉浸式阅读体验的基础；5G给视频服务带来另一个变化，未来的接收者不仅仅是读者，还可以是机器，通过人工智能机器视觉在云端的服务应用，使得图书馆无人机或者机器人客户端能够实时识别、查询和进行相关服务；最后，5G更重要的应用优势将为图书馆万物互联的实现提供技术条件和平台环境，可以利用5G大带宽、低延时、高可靠等特性进行超高清数字资源的实时传输，通过人工智能技术对读者进行人脸识别、阅读轨迹分析、用户阅读喜好智能分析和推荐，使读者不仅通过PC、手机等终端设备进行数字阅读，还可以延伸到智能可穿戴设备、智能家居设备等新型阅读载体。

1.2 新阅读体验中心的建设需求

全国图书馆的信息化建设主要经历了三个里程碑发展阶段：第一阶段是传统图书馆阶段，主要是面向用户提供图书、论文、期刊、报纸等传统文献的藏书阅览借阅服务。第二阶段是20世纪90年代开始的数字图书馆建设，致力于为读者提供数字阅读创新服务，国家图书馆带动全国各级图书馆经过多年建设，已经建成资源丰富、技术先进、覆盖面广的数字图书馆服务体系。第三阶段是“十四五”时期即将要构建的智慧图书馆，将为读者提供真正智慧化随时随地随心的知识服务。在智慧图书馆建设阶段，读者希望能以多样化方式获取图书馆的各种资源和服务，公众将更重视阅读过程中的情境互动和情感交流，期望获得更多智能化、个性化的交互体验，在多样化的阅读体验中加深对图书馆数字对象的感知理解。打造5G环境下的图书馆新阅读体验中心意义重大，建立多元复合型的知识阅读空间，充分发挥5G高速度、低时延、大容量的优势，探索5G和VR/AR、全景视频、全息互动、边缘计算等技术相结合的应用，将真实场景与虚拟现实深度融合，让馆藏数字资源呈现方式更加多元、让阅读场景更加立体、让数字体验更加智能，拓展读者阅读的时空限制，为用户创造更好文化服务的下一代新阅读体验环境，以满足人们多层次多元化的数字阅读需求。

1.3 新阅读体验中心的建设原则

图书馆新阅读体验中心的建设以5G阅读需求为导向、技术为支撑，从整体设计上进行统一的规划和搭建。在建设过程中应该注重架构的先进性和可扩展性的设计原则，总体架构的设计应符合图书馆实际业务需要，使得各终端体验系统能够落地，可解决图书馆数字阅读体验的实际问题；同时确保应用技术先进，遵循统一标准，注重5G和互联网、云计算等先进技术的融合应用，尽量采用云化架构，实现新阅读体验中心的应用技术3~5年不落后，5~10年可扩展的多元化阅读体验。

2 图书馆新阅读体验中心的设计架构

笔者提出的5G环境下的图书馆新阅读体验中心整体采用“云+边+管+端”的建设思路进行设计。如图1所示，利用5G高带宽低延时的特性将图书馆新型数字化内容存储在云端，通过采用不同新型5G终端设备，给读者带来新的数字阅读体验。下面对这四个方面进行分别描述。

图1 5G新阅读体验中心总体设计架构

2.1 云中心

在图书馆传统内容数字化的基础上，将图书馆馆藏资源、图书馆风貌加工成内容高分辨率，高码率，并且适用于新型AR/VR等智能硬件终端设备的新数字形态，打造全景视频、全景场景、全景出版和全景直播等全景类阅读产品，通过5G网络、云上行加速服务和OBS服务，将这些不同形态的数字内容文件（如直播流/音视频）快速、可靠、稳定上云，解决数字内容版权使用和数字内容在终端的计算存储问题。图书馆通过云中心控制台进行资源的开通和管理，实现云中心到边缘云的智能调度，为读者体验匹配最佳算力和低时延，可从云中心同步数字互动内容到边缘节点和CDN。

2.1.1 全景视频

依托图书馆珍贵的古籍馆藏资源，可设计集知识性、趣味性、教育性于一体，设计开发寓教于乐的科普性视频内容，也可将馆藏的古籍善本，制作成动态的有故事性的互动视频，通过VR视频让图书馆古籍藏品走出库房，通过新技术来到读者身边，向读者展示古籍所处历史年代的社会情形、人们的生活方式，或者当时我国的建筑水平、科技水平等方面，让读者在互动中探索图书馆之宝的全貌、细节、来龙去脉、蕴含的深刻历史意义等，让图书馆遥远陌生的古籍变得有温度，让读者深度透视这些古籍文物，以匠心精神去弘扬优秀传统文化。

2.1.2 全景场景

全景场景的拍摄通过专业的摄影设备和摄影方式，对图书馆进行360°的视频拍摄，通过VR沉浸式视角对图书馆进行3D实景复刻，重塑真实世界，展现全景图书馆的风貌，帮助读者快速了解国家图书馆，指引读者高效找到位置或资源。全景场景既可以做成VR互动体验，也可以全景视频的形式在屏幕上或网站上展示。通过全景场景改变读者的传统视觉体验，打造“云赏镇馆之宝”的特色环节，让珍贵的典藏书籍、字画以最平易近人的方式让读者“一睹芳容”，真正实现虚拟图书馆全场景漫游、读者与读者及图书馆藏书之间在虚拟立体空间的流畅交互。

2.1.3 全景出版

全景出版是集合文字、图片、音频、视频等全媒体内容，经过专业策划编辑其全景化的一种全新出版物表现形式。读者将以沉浸的方式体验到和传统媒体完全不同的新阅读体验，全景出版物数字内容传播将具有趣味化和通俗性，全景出版内容的不断丰富开发完善，会使5G技术应用、图书馆行业和VR行业焕发出新的生机。

2.1.4 全景直播

通过固定或借助无人机、移动设备等方式采集景点的高清视频影像，经由5G传送至远端的VR头显设备或一组4K/8K高清屏幕，实现远程实时身临其境的3D体验，可搭载图书馆公开课直播品牌建立AR/VR远程课堂，形成新学习模式。直播内容可包括图书馆的文化讲坛、名人访谈、读者沙龙、新书发布、展览等。

2.2 边缘云

如果把所有的数据内容都在云中心进行处理的话，虽然稳定性很好，但是会给读者的阅读体验带来一定的延时。因此本设计架构引入了CDN边缘节点和边缘云本地部署机制，基于CDN边缘节点，可根据智能调度算法为百万级同时在线观众提供就近、大通量、低延时服务，有效保障图书馆各种沉浸式体验。同时将一些需要实时分析、渲染和接近图书馆终端交互，需要实时响应的一些数据放在边缘本地处理，边缘云端处理一些关键数据，并可以将接收到的数据推送到图书馆管理服务器端和云中心。这种云中心和边缘云节点融合的架构设计，可以很好解决延时问题，为图书馆终端用户的体验带来更好的可靠性。边缘云支持通过VPN和专线连接云中心和图书馆线下机房，边缘云本地可通过整机柜方式部署在图书馆机房提供云服务，边缘云控制台的站点运行情况监控、远程部署和运行业务可交给专业人员运维，降低图书馆本地人员维护成本。

2.3 管道传输和控制

在网络传输管道上，本设计架构使用最新第五代通信技术，能大幅度提升网络传输带宽以及终端接入数量，降低时延，保障终端体验设备的效果。管道控制主要负责体验中心高清液晶大屏、协同控制计算机、VR视听设备、移动终端等进行集中控制，包含空间移动功能，热点展示翻书、音频、视频等特效，解析场域热点类型、模型信息、模型位置等信息；对终端服务器通信协议、握手协议和数据指令的收发控制；调配云中心的相关内容并在不同的终端设备上进行适配；负责云中心资源到终端中控台服务器的内容协同展示；负责终端与内容云之间的资源交互和更新。

2.4 终端

体验中心的终端通过第五代通信技术、虚拟现实技术、人工智能技术等“黑科技”，打造R2R（Reading to Reality）的阅读实境感，为图书馆读者拓展阅读空间、升级阅读体验。将VR/AR、人工智能终端应用中需要实时计算的图像渲染，数据传输、存储和计算功能转移到云端进行数据存储和高速计算，终端借助5G的大带宽和低时延技术，在体验中心实现端到端的更多应用场景。构建诸如裸眼3D效果的“全景展厅”“VR沉浸式阅读”“5G移动阅读”、人工智能机器人、AR资源导览、全息投影等阅读体验展项。公众可在主流手机、VR Glass、VR主流一体机上给用户前所未有的8K VR沉浸式体验。终端可集成VR播放SDK，采用专用转码技术实现对8K、180°/360°、2D/3D直播流/音视频文件的处理，不仅实现4K解码能力终端观看真正的8K VR，同时也可以降低50%带宽。

3 网络部署架构

考虑到图书馆部署的边缘云需要与云中心进行远程的管理和通信，视频的网络上下行传输需要大带宽支持，笔者按照3D 8K互动类、8K 2D和未来3D高清视频，对网络带宽的要求进行了估算，见表1。图书馆可根据自身体验中心中终端的视频播放数量，计算上下行带宽需求，申请相应的边云协同网络带宽。

表1 体验中心体验内容规格、参数

3.1 网络安全架构

为了保障图书馆网络安全和最稳定体验效果，本设计架构中边缘云和与云中心通信的网络带宽建议独占，在逻辑上划分不同的安全域，不与图书馆其他业务网络带宽流量混在一起，图书馆内网为最高安全域，体验中心展厅部分采用5G和Wi-Fi6覆盖组成独立的低安全域，通过部署防火墙方式实现域间隔离，部署安全的访问控制策略，通过启用防火墙的URL过滤、AV防病毒以及IPS防御功能，实现对敏感文字、敏感网址、敏感IP、病毒攻击、非法入侵的高效防护；图书馆的边缘云小站IES建议部署在图书馆机房，边缘云设备到新阅读体验中心之间，用千兆网线连接，整个传输链路通过部署、光口连接的相关汇聚交换机等网络设备实现物理隔离。在交换机与本地网络接入之间增加一台内网防火墙，4台交换机分别用于网络机房、边缘云机房、弱电间、体验区中心展厅，如图2所示。

图2 5G新阅读体验中心网络拓扑架构

3.2 5G和Wi-Fi6融合

考虑到未来图书馆的资源流如4K视频流（带宽要求30 Mbps/人）、语音流（时延小于30 ms）、VR流（带宽要求50 Mbps/人，时延10~20 ms）对带宽和时延十分敏感，传输视频或上下行的交互对网络挑战都比较大，本设计方案中移动终端设备之间的网络采用5G和Wi-Fi6相结合的方式实现，采用这种混合方式，主要是考虑到以下两方面：一方面5G网络技术采用的是超高频频谱，穿越障碍的能力相对弱一些，信号质量在室内容易衰减，未来随着图书馆物联网时代的到来，联网设备的数量规模庞大，需要保证所有的上网设备都直连区域内的基站，但很长一段时间内5G基站数量无法超越4G基站数量，因此考虑依靠Wi-Fi来做分流，降低5G基站塔的负担。另一方面是考虑到5G的费用远远大于宽带的使用费用，而Wi-Fi6（802.11ax）网络通过OFDMA、UL MU-MIMO、1024-QAM等技术使这些服务比以前更可靠[2]，不但支持接入的客户端更多，同时还能均衡用户带宽，从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。

4 结束语

云计算技术、5G、VR等技术的融合应用可以使读者享受到流畅的终端阅读体验，同时可降低用户接入数字图书馆所需设备和软件的要求，更好地整合数字资源。本文提出的5G环境下图书馆新阅读体验中心的设计架构和网络部署架构，该架构具有很好的扩展性，可以应用在国内图书馆、美术馆、博物馆等公共文化机构，公共文化服务机构以新技术为手段，将真实场景与虚拟现实融合，以多元立体化的方式向读者展示图书馆海量资源，通过科技赋能，不断满足读者新型阅读需求，将开启智慧服务线下空间新体验。