元宇宙背景下图书馆建设的技术架构研究

李琳，王艳玲

（山西医科大学 图书馆，山西太原 030001）

2021年 12月，元宇宙（Metaverse）成为《柯林斯词典》评选出的2021年度热门词汇之一。元宇宙是一个虚拟世界与真实世界相结合，人们可以在其中创造自己世界的虚拟世界。元宇宙的发展需要全面融合5G和6G网络、大数据、区块链、人工智能、数字孪生、脑机接口等新技术。新冠肺炎疫情暴发后，线上办公、学生网课、云毕业等都助推了元宇宙的发展进程。2022年4月，清华大学新闻与传播学院迎来建院20周年，“清华大学新闻与传播学院元宇宙文化实验室”正式成立，它是中国首个正式成立的元宇宙文化实验室。图书馆作为社会服务的文化机构，更应与时俱进加强技术创新，努力构建图书馆元宇宙服务体系，为读者营造崭新的、舒适的、高质量的学习和阅读环境。

1 元宇宙概述

1992年，美国赛伯朋克流科幻作家尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）在他的科幻作品 《雪崩》（Snow Crash）中首次提出“元宇宙”概念，这个概念来自现实世界，与现实世界平行并相互作用。30年后的今天，这个有影响力的、永远在线的虚拟世界引起了大众的广泛关注。2021年，沙盒游戏平台Roblox在纽约证券交易所正式上线，它是第一个将“元宇宙”这个概念写进招股书的公司。在这之后，“元宇宙”迅速蔓延，引起了思想界、科技界和文化界，甚至是政府部门的关注，形成了“元宇宙现象”，因此2021年堪称“元宇宙元年”。

维基百科对“元宇宙”概念描述为：元宇宙是集体的虚拟共享空间，包含所有的虚拟世界和互联网，或许包含现实世界的衍生物，但不同于增强现实。元宇宙通常被用来描述未来互联网的迭代概念，由持久的、共享的、三维的虚拟空间组成，并连接成一个可感知的虚拟宇宙[1]。2022年1月，清华大学沈阳教授团队发布的 《元宇宙发展研究报告2.0版》中对“元宇宙”定义如下：元宇宙是整合多种新技术产生的下一代互联网应用和社会形态，它基于展现现实技术和数字孪生实现时空拓展性，基于AI和物联网实现虚拟人、自然人和机器人的人机融生性，基于区块链、Web3.0、数字藏品/NFT等实现经济增值性。在社交系统、生产系统、经济系统上虚实共生，每个用户可进行世界编辑、内容生产和数字资产自所有[2]。我国著名经济学家朱嘉明认为元宇宙是一个与现实世界平行的独立虚拟空间，一个反映现实世界的在线虚拟世界，是一个越来越现实的数字虚拟世界[3]。由此看来，元宇宙不仅是一个数字空间，它让数字空间和物理空间进行更深度的融合以及更深入交互，远宇宙的发展脉络如表1所示。

表1 元宇宙发展脉络（主要事件）

2 元宇宙与图书馆的关系

从元宇宙元年（2021年）开始，图书馆界学者也对元宇宙图书馆展开了相关研究。杨新涯等人认为元宇宙必将成为未来人类社会一种创新存在的方式，而图书馆在现实社会中起着社会“记忆体”的作用，因此，元宇宙也必将彻底改变图书馆的生存和服务生态，并指出如何利用元宇宙来解决目前图书馆的发展中所遇到的问题[4]。李洪晨等人认为元宇宙以其强大的沉浸感、虚拟现实融合、去中心化等特性为图书馆的发展带来更多新的可能，应重视元宇宙相关技术的发展，积极开展图书馆基本理论与应用方面的探索[5]。李默认为元宇宙能对智慧图书馆服务产生积极的作用和影响，并分析了元宇宙视角下智慧图书馆建设需要解决的问题[6]。郭亚军等人认为，随着元宇宙时代的发展，社会环境越来越虚拟化、智能化，公共图书馆需要适应当前社会环境的变化，实施多元化的社会教育，推动图书馆传统服务模式的变革。公共图书馆需要跟上时代发展的步伐，利用元宇宙等新技术、新形态完善和发展自身功能，实现现代图书馆发展的使命和价值[7]。娄方园等人认为图书馆应根据自身情况与不同类型的用户结合，稳步推进图书馆社会教育元宇宙的建设，创造生动直观的虚拟形象新形式，支持虚拟条件下智能化学习，促进图书馆社会教育真实空间和虚拟空间的融合发展[8]。辛海霞认为元宇宙驱动图书馆资源、服务、架构及考评等变革创新，图书馆应积极融入元宇宙中，勇于尝试和创新，提升用户体验，开创图书馆发展新格局[9]。张兴旺等人认为图书馆元宇宙是元宇宙的重要组成部分，通过图书馆若干要素及其彼此之间相互关联，实现图书馆物理世界与元宇宙空间的有效结合与衔接[10]。张庆来等人认为图书馆可以作为元宇宙与现实世界之间的交流通道，在元宇宙建设的初期、基本建成及发展完善三个阶段发挥积极作用[11]。

从传统图书馆到数字图书馆，再到现阶段的智能图书馆，图书馆的发展记录了不断进步的人类社会历史。同样，图书馆作为社会服务的文化机构，它的发展也受先进技术的影响。互联网、5G和6G网络、云计算、人工智能、数字孪生及区块链等新技术的发展，促进了图书馆的发展。元宇宙这一新技术的出现，带来了人类数字化生存的最高形态。虽然元宇宙的发展尚处于初期阶段，但元宇宙时代的到来势必为图书馆的未来带来更多的可能。

3 元宇宙图书馆的技术架构

图书馆基础技术的提升是元宇宙图书馆落地和普及的根本保障和关键驱动力。在这里，我们将元宇宙图书馆实现的基础技术概括为网络及运算技术、映射技术、交互技术、人工智能技术及区块链技术5个支撑技术。其中，网络及运算是元宇宙图书馆形成的基础，保障图书馆数字空间的形成。映射技术让物理图书馆与元宇宙图书馆实现双向打通和叠加。交互技术可以承载大规模读者进入元宇宙图书馆中，并自由穿梭于物理图书馆和数字图书馆。人工智能技术和区块链技术可以实现人机深度交互，使元宇宙图书馆持续运转。具体如图1所示。

图1 图书馆元宇宙技术架构

3.1 网络及运算技术

元宇宙图书馆应该能够容纳足够多的读者同时使用，因此，需要以高速的网络、强大的计算能力和海量的存储空间作为基础。因此，5G和6G网络、云计算、边缘计算等基础核心技术的发展和普及，是保证元宇宙图书馆读者较高体验感的关键。

元宇宙图书馆中的读者需要与在线图书馆员实时交互，并完成信息数据的实时传输，网络的延迟会直接影响用户的体验感，因此信息通信技术的进一步发展是读者进入元宇宙的前提。要构建元宇宙图书馆，算力可能是最大的瓶颈。元宇宙图书馆的空间越大、内容越多，所需要的算力就越高。对于元宇宙图书馆而言，云计算的应用无疑可以为读者带来功能更强大、更轻量化的终端设备，提高读者使用舒适感。而边缘计算可以解决成本和网络堵塞问题，降低延时，为读者带来流畅的体验感。云计算与边缘计算相互叠加，共同构成了元宇宙图书馆的计算体系。

3.2 映射技术

映射类技术将实现物理图书馆与元宇宙图书馆的互通与叠加，可以让两个世界相互感知、理解和交互。其中数字孪生、3D扫描和物联网都是关键技术。

数字孪生技术实际上是一系列技术的集合，可以让物理图书馆中的实物在元宇宙空间中创造一个数字的克隆体，并将物理图书馆的实时状态和外界环境全部复制给元宇宙中的克隆体。在建立元宇宙图书馆克隆体的过程中，3D扫描是一项关键性的技术。通过该技术，我们可以对物理图书馆或图书馆内置设备进行扫描，获得物体的三维立体结构参数，从而快速将图书馆的立体结构参数转换为计算机语言，并将这些数据信息映射到元宇宙中。物联网将图书馆中的各种信息传感设备与互联网相结合，将实体设备全面接入元宇宙图书馆，极大地拓展了图书馆元宇宙的规模，还可以把元宇宙图书馆中的信息传递到物理图书馆，实现了线上线下的双向互动。

3.3 交互技术

交互技术可以承载大规模读者进入元宇宙图书馆，并自由穿行于物理图书馆和元宇宙图书馆之间。虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）、增强现实技术（Augmented Reality，AR）、混合现实技术（Mixed Reality，MR）、全息影像技术、脑机交互技术及传感技术都将是建设元宇宙图书馆关键技术创新的重点方向。

VR是指基于计算机模拟产生可交互的3D环境，通过对读者感官的模拟，令其产生身临其境于图书馆的临场感。AR将数字图书馆的图像等信息模拟仿真后“叠加”到物理图书馆，实现对物理图书馆的“增强”，从而让两个世界巧妙融合。基于混合现实技术设备，不仅能够在读者的视野中增添数字内容，还可以优化物理图书馆的视觉效果。全息影像技术可以让读者在不佩戴任何设备的条件下，裸眼看到图书馆生动的3D立体场景，使读者完成现实与虚拟的互动。脑机交互技术可以根据读者的指令形成生动有趣的阅读场景，引发读者的兴趣，提高注意力，增进了学习和阅读的效率，在元宇宙图书馆与读者之间形成非常快速、便捷的交互方式。传感技术为读者提供更加真实有效的各种体感，提升读者的体验感。

3.4 人工智能技术

近年来，人工智能快速发展，在计算机视觉、机器学习、自然语言处理及智能语音等方面的技术突破及应用创新层出不穷，计算机已经完成了一些只有人才能完成的工作。人工智能是元宇宙图书馆基础性技术之一，它将在元宇宙图书馆中实现人机交互、万物泛在互联。

计算机视觉是物理图书馆数字化的关键技术，为元宇宙图书馆提供虚实结合的体验感。机器学习是元宇宙图书馆中所有的系统和角色的技术支撑，极大地影响了元宇宙图书馆的运行效率和智慧化程度。自然语言处理可以为读者之间、读者与系统之间的语言识别和交流提供技术支撑。而智能语音保障了元宇宙图书馆与读者之间，以及读者与读者之间最准确的理解和交流。

3.5 区块链技术

区块链技术源于比特币，是比特币的一个核心概念。区块链去中心化的价值观，与元宇宙图书馆“共创、共建、共享”的价值观高度一致，相互成就。区块链技术是元宇宙图书馆最基础、最关键的技术之一。它与元宇宙图书馆紧密交融，环环相扣。

哈希算法是一种单项密码机制，在区块链中保证信息不被篡改。时间戳技术保证每个区块按照一定的次序相连，给区块链上每一份数据都加上时间标记。哈希算法和时间戳技术为元宇宙图书馆读者提供原始数据的溯源和保密。数据传播及验证机制为元宇宙图书馆系统各种数据传输及验证提供网络支撑。共识机制保证元宇宙图书馆读者获得的信息平等且透明。分布式存储保障读者及馆员虚拟身份和信息存储的安全。智能合约保障元宇宙图书馆的规则得以透明而公平地执行。分布式账本保障元宇宙图书馆中数据交换的同步性及交换过程的安全性。

4 结语

综上所述，元宇宙图书馆是整合多种新技术而产生的现实与虚拟相结合的图书馆新形态。因此，加强技术创新是发展元宇宙图书馆的关键所在。持续不断地加快推动网络及运算技术、映射技术、交互技术、人工智能技术及区块链技术等前沿数字技术的创新和融合在建设元宇宙图书馆的过程中至关重要。随着新技术的发展和成熟，元宇宙图书馆将逐步变为现实。