虚拟现实技术与增强现实技术在数字图书馆中的应用

林 峰



虚拟现实技术与增强现实技术在数字图书馆中的应用

林 峰

福建卫生职业技术学院图书馆

图书馆数字化是不可避免的发展趋势，近年来，虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）与数字图书馆可以说是相当好的搭档，二者的结合，将会对文化、教育、科学领域的进一步发展提供强大力量。该文以虚拟现实技术与增强现实技术在图书馆中的应用为研究内容，通过分析相关技术的优势、实例应用，探讨基于AR、VR技术的数字图书馆发展思路。

虚拟现实 增强现实 图书馆 信息资源建设

1 新技术概述

当前，新兴技术正在图书馆的建设、运营等方面寻找着合适的栖息地。其中，虚拟现实与增强现实作为可以大幅改变人书交互体验的新兴技术之一，其发展前景较为明朗。

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实作为近几年媒体曝光率非常高的名词之一，与之相关联的文章、视频等媒体内容可谓是铺天盖地，尤其是随着计算机软件技术的飞速发展，辅以相关硬件设备的出现，虚拟现实技术在近两年内取得了飞速发展。

虚拟现实，又称为虚拟实境，翻译自英文词组Virtual Reality，简称VR，是指利用计算机技术，通过建模、渲染等计算手段，根据使用者的状态，例如：位置、方向、姿态、动作等信息，提供给使用者对应的模拟环境的感知反馈，通常包括视觉、听觉等[1]。通过这项技术，使用者可以在某个特定的空间内在允许范围内进行沉浸式的观察。

1.2 增强现实技术

在虚拟现实光环的笼罩之下，增强现实词组的热度就没有那么高了。尽管如此，增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）仍然还是一项非常有前景的新兴技术。微软近期推出的“混合现实”概念正是增强现实技术的翻版。

与虚拟现实技术致力于沉浸式的体验不同，AR技术是强调虚拟与现实的结合，它尝试将电脑生成的信息或者虚拟物体通过技术手段叠加在人们感知的真实世界之上[2]，进一步丰富人们所接收到的信息。

1.3 相关技术的硬件设备

按照常见的民用级硬件设备，也就是高校图书馆中最有可能大规模应用的设备种类来划分，大致可以分为3种设备：移动端头戴显示、外接式头戴显示、一体式头戴显示。

移动端头戴显示就是所谓的眼镜盒子。它们本身结构比较简单，图像的显示与计算是通过放置在内部的手机来实现，因为插入外置设备几乎完全阻断了对外界的光线感知，因此要实现增强现实的话，还需要搭配摄像头一起使用。

需求分析宏观上指社会和行业对ESP教学的要求，微观上指学习者的学习需求。需求分析应该是ESP课程基础和ESP教学开展的必要前提。对中国目前大学英语教学向ESP发展进行现状调研，并对开展ESP教学的各类高校进行需求分析，对ESP学科建设具有理论和现实指导意义。

外接式头戴显示，顾名思义，产品只负责显示与采样部分，而声音图像的计算则传送到专门的主机上进行，因为计算设备不受到体积限制，适合模拟较为复杂、对计算量要求较高的场景。但是相对的，这种产品便携性较差，且使用时受到线缆限制，对于AR这种需要与物理真实世界进行频繁互动的方式并不是十分方便。

一体式头戴显示是将计算与显示部分集成在一起的产品。受到体积限制，目前这种设备的计算能级并不会比手机强很多，不过在用于一些对计算量要求并不高的AR应用场景上有不错表现。未来随着计算机进一步小型化的发展趋势，这种形态将有希望成为相关设备的最终形态。

2 VR与AR技术的优势

之所有VR和AR能得到众多专家学者以及读者、用户的青睐，是因为这两种技术有着其他方式所不能比拟的优势，两种技术尽管有许多相同之处，但是还有一些差异存在，导致它们之间具有各自独特的擅长领域与优势。

2.1 VR技术的优势

VR技术使用计算机产生出逼真的虚拟环境，主要其突出的特征为“3I”，分别对应着Immersion（沉浸）、Interactive（交互）、Imagination（想象）。“沉浸”指的是，用户在使用VR相关设备时，有着身临其境的感觉。这也就意味着当用户在使用虚拟图书馆时，就好似用户到达实体地理位置使用图书馆服务一样，从而不受时间、空间等条件的限制。“交互”的意思是，用户所面对虚拟世界的时候并不是以一个旁观者的身份，而是实实在在参与其中的。用户可以与被生成的虚拟环境内的物体进行程序许可范围内的相关互动操作，并根据相关硬件的配置情况获得对应的物理反馈。“想象”在这里指的是，虚拟空间是虚构出来的，在相关人员创建空间时，可以对现实世界的物理空间进行夸张、放大等处理后制成虚拟空间，甚至可以完全虚构一个现实当中不存在或者不可能出现的虚拟环境或行为。如此一来，用户在体验时就可以获得更加新奇的感受，从而增加用户对技术的粘度。

2.2 AR技术的优势

AR并不能实现VR的沉浸式体验，而且因为其依附于与现实环境的结合，因此在想象这个方面上也不能过分夸张。但是，因为AR技术讲究的是将虚拟物体或者其他信息叠加到真实世界上，是一种虚实结合的展现方式。计算机生成的虚拟层与现实世界相叠加，使得人们更方便、更全面地对真实世界进行感知。因此，在互动性这一点上，AR技术强调的不仅仅是用户与场景的互动，更是着眼于虚拟场景和现实世界、用户的互动；这对用户来说，真实世界的存在感不减反增，因为AR叠加的信息与真实的物理世界有着很强的关联性。利用这一点将AR应用到与教育相关的数字图书馆领域无疑是一种非常好的想法，知识可以活灵活现般出现在读者眼中，同时也可以通过读者互动来增加读者对相关知识的理解。

3 AR和VR技术在图书馆中的应用现状

自20世纪90年代图书馆引入数字化潮流起，广义的数字图书馆被认为是多种信息资源的“总仓库”，包括图书、文献、广播音频、电视视频等资源。它们以数字信息为载体，向读者提供不受时间、空间限制的信息共享、交换平台[3]。

2008年9月，中国国家图书馆与相关单位合作的国家图书馆虚拟现实系统项目正式上线，这也是国内首家非接触式的3D虚拟数字图书馆。除了在虚拟漫游区实地体验之外，对于那些无法到实地的读者，可以通过网络来实现虚拟漫步。其中的在线展览项目也对广大读者开放了三维虚拟场景的浏览方式。此后，中国高等教育数字图书馆项目“大学数字图书馆国际合作计划”也运用了虚拟现实技术[4]，在安装相关的配套计算机程序后，用户可以看到被实时渲染的信息、资源等。在发达国家，数字图书馆的应用更加广泛，甚至在一款名为“第二人生”的虚拟世界游戏中，都有斯坦福大学在其中建立的虚拟图书馆，为读者提供相关服务。不过因为语言不通的原因，这些虚拟图书馆鲜有国人去了解和使用。

AR技术在数字图书馆方面的应用已十分广泛，世界各地的图书馆纷纷利用AR技术辅助开展图书馆服务。例如，美国迈阿密大学图书馆的排架应用ShelvAR、芬兰奥卢大学的智能嗅书应用SmartLibrary，此外，AR技术还可以将馆藏资料与对应的地理位置结合起来，用户在游览时可以看到当前所在地对应的馆藏资料。例如美国北卡罗来纳州立大学图书馆开发的WolfWalk应用[5]，以及俄勒冈州立大学图书档案馆开发的Beaver-Tracks应用等。

目前，许多图书馆都正在向“数字型”靠拢，大力加强了对数字资源的建设力度。VR、AR在数字图书馆方面应用的可行性已经被诸多实例证明，随着相关软硬件设备的进一步发展，应用相关技术的图书馆也将会越来越普及。

4 AR和VR技术在数字图书馆中的应用分析

AR/VR在数字图书馆中的主要应用大致可以分为三类：协助导航、协助管理、阅读辅助。

4.1 协助导航

区别于传统的平面地图、指引牌，以及发布在网页上的超链接、跳转入口等，读者在复杂、功能多样化的现代（数字）图书馆中获取导航信息时难免遇到信息不直观的情况，加大了读者寻找书籍的难度。而利用VR/AR技术则可以在读者游览虚拟/实体图书馆时，实时融入相关信息的推送服务，实现对图书馆内容的可视化引导。在传统的指路模式中，读者通过查询获得书本的书架号，再通过平面地图或者指引牌找到书架的大致范围，然后一排一排地寻找对应书架；找到书架后再仔细观察书架上的编号，最终定位到书本位置。这种方式会对不熟悉馆内结构的读者将造成极大困扰，往往需要来回折返数次才能缩小寻找的范围。而使用AR技术就可以直接将每个书架的编号，甚至是目标书籍的位置，以醒目的方式直接叠加在实景画面中，从而让读者更容易找到目标书架号。如果资金、人力允许，还可以使用编写并实现室内导航与定位功能，直接将最佳的路线叠加在视野中，寻找书架这种事无疑一下子变得轻松而简单。

VR技术在这里的应用有两种情况：一是VR技术虚拟的空间为真实图书馆的复制。在读者到达实地取书之前，可以使用VR技术来将目标书籍的位置显示在虚拟的三维环境中。与AR技术一样，可以采用最佳路线规划功能，如此一来，读者在到达实地之前，甚至可以记牢图书馆的结构细节，寻找起书本来自然是得心应手。二是VR技术生成的虚拟空间并没有现实依据，这种情况下就更加简单了，因为并不牵涉到与现实场景的联系，完全可以采用类似游戏中自动行走、传送、瞬移等手段来让读者直接走到虚拟书架位置阅览相关资料。

4.2 协助管理

实体图书馆拥有大量的藏书，在学生每日的借阅过程中，都需要馆员对书籍进行归位、整理等操作。读者在寻找书籍的时候也会发现，有时候书并没有在查询到的书架位置上，有时候被其他同学拿到阅览区观看还没有归还，有时刚还回来，馆员来不及将它归位，甚至有个别读者将图书有意放置在其他位置。这些问题在图书馆管理过程中都一直困扰着工作人员。

在AR技术的帮助下，既然可以实现针对读者的资料位置标示，那么我们现在将资料的库存位置发送给馆员作为参考，再通过在书籍上的附加射频识别（RFID）芯片与室内定位等技术获取书籍的实际位置；将二者一比对，就可以马上知道馆员所在区域一定范围内、有哪些书籍被放在错误的书架位置上。计算机的快速读取、数据库比对要比馆员肉眼读取、记忆纠错要更快、也更准确，这也加快了馆员的整理速度。迈阿密大学图书馆使用的图书排架应用ShelvAR证实了这一点[6]。

使用VR技术的虚拟图书馆，用户借阅并不会使得资料的物理位置发生实际变化，因此并不需要馆员进行书籍归位等操作，从某些层面上来说也方便了图书馆的管理。

4.3 阅读辅助

传统的图书馆馆藏资料基本都是二维的文字、影像、音频等二维材料。即使是影像多媒体这种比较生动的形式，在表现某些复杂知识的时候也难免遇到心有余而力不足的情况。而且，对于那些需要阅读资料来构建自己知识体系的用户来说，要将分散在各个书本中的知识点联系起来也并非易事。在这一点上，AR/VR技术有着得天独厚的优势。

首先，AR技术在真实世界上叠加信息的属性，非常适合用在资料的解释上。对于一些物品、相关的影像等资料，可以直接浮现在相关文字的周围，利用可交互的特性，用户也可以对这些虚拟资料进行旋转、放大、缩小、快进等操作。相对于二维平面且不能互动的显示方式，该方式可以加强读者的阅读兴趣，提升资料的吸收效率。此外，这种办法完全也可以反过来使用，当读者在实地游览实物时，可以出现对应的文字资料，并且随着观察角度的变化出现不同的文字段落。如此一来，同样也可以大大加深读者对实物的理解。

其二，我们也可以叠加与读者当前阅读内容有关、从其他信息源中引用的资料，在相关知识多的情况下，还可以根据读者最近的阅读列表、喜好等，自动个性化地为用户进行筛选与排序，帮助读者更好地将相关知识串联在一起，组建出正确、复杂的知识体系网络。这两个功能借助VR或AR都可以实现。

其三，对于那些实体数量有限、甚至是具备珍贵价值的实体资料，例如古籍等，可以利用AR或者VR技术实现不触碰浏览。因为资料的虚拟拷贝并不存在数量限制，用户可以随机借阅资料，而不用管他人是否已经借阅。对于珍贵的古籍来说，使用虚拟副本进行借阅不仅使更多的人可以看到相关资料，更可以让资料实体更加安全，实现有效保护古籍的作用。

5 结束语

AR、VR技术使图书馆与用户之间的交互方式发生了改变。随着相关技术的应用，读者不仅可以看到所在图书馆的建筑结构、阅览环境和馆藏资源，也可以使用图书馆提供的更加丰富的服务。对图书馆来说，图书馆的服务范围与功能被大幅扩展。但因目前虚拟现实系统所需要的设备大多处于开发阶段，设备价格普遍比较昂贵，目前只有少数地区的用户可以体验到VR与AR技术，且对相关资料的数字化、虚拟化势必也需投入大量的人力和物力。我国的虚拟图书馆建设也才起步不久，后面仍有很长的路要走。

不过随着科技的不断进步，相关技术最终将会与广大读者见面，成为图书馆技术应用新的亮点。因此，对VR与AR技术在数字图书馆中的应用与发展开展研究，对于我国数字图书馆建设具有重要的现实意义和应用价值，将有助于为读者提供更加人性化、高效、先进的服务，体现图书馆作为知识库的核心价值。

[1] 周思跃, 龚振邦.虚拟现实定义的探讨[J].计算机仿真, 2006, 23(9): 219 -222.

[2] 齐越，马红妹．增强现实: 特点、关键技术和应用[J]．小型微型计算机系统, 2004, 25(5): 900-903.

[3] 张骞. 虚拟现实技术在数字图书馆中的应用分析[J]. 自动化与仪器仪表, 2014(12): 129-130.

[4] 王晨晨. 虚拟现实技术及其在图书馆的应用[J]. 图书馆学研究, 2011(20): 34-37.

[5] 李晓娟, 任思琪, 黄国彬. 国外高校图书馆应用增强现实技术的案例研究[J]. 2015(11): 73-81.