元宇宙虚拟现实数字图书馆建设技术

余阳晓月，蒋 成，熊 巍，张天凡

(1.湖北工程学院新技术学院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程学院 经济与管理学院，湖北 孝感 432000)

“十二五”以来，我国数字基础设施实现跨越式发展，移动通信技术从“3G突破”到“5G引领”，5G移动用户数超4.5亿户，所有地级城市全面建成光网城市，算力规模全球排名第二，这有力的支撑了我国数字经济的发展[1]。2021年我国数字经济规模占国内生产总值的39.8%，规模达到45万亿元，文具世界第二，数字经济发展动能加速释放[2]。这为包括元宇宙在内的一系列创新数字技术的实现奠定了实现基础。2021年3月，Roblox公司在纽约证券交易所上市，被业内称为“元宇宙第一股”，直接吹响了人类进军元宇宙的号角[3]。元宇宙预测了已有产业的变革方向，也带动着大量新兴产业的发展。图书馆作为人类知识与信息的重要集散地，也在随着计算机技术和信息化技术的发展向数字化方向快速转型，同样的，元宇宙图书馆建设和发展也是未来的必然趋势[4]。近年几乎所有出版的图书都已推出数字化版本，已有书籍、古籍的数字化工作也飞速发展，数字化图书已经形成相当规模，而在结合计算机技术后就实现了图书馆的完全数字化。然而，数字图书馆的传统定义倾向于图书的数字化、数字化存储与检索，逐步向知识、内容挖掘方向发展。而元宇宙图书馆除了具备数字图书馆的核心功能之外，更强调“书”、“人”和“用”三个方面。本文主要阐述元宇宙虚拟图书馆的关键建设技术。

1 元宇宙虚拟现实图书馆的历史演变过程

在人类将知识已各种介质保存后不久，就出现了专门存储保护这类介质的场所和机构，最早可追溯于公元前3000年的巴比伦神庙，而希腊哲学书院是最早的藏书之所[5]，此时这些机构和场所的主要职责是保存这些知识。而直到公元前600年美索不达米亚的Nineveh建立了第一个真正意义上的图书馆[6]，并定义了图书馆收集、整理、典藏和服务四个主要功能，并不断晚上发展至今。90年代计算机技术、激光照排等技术使得数字技术编辑越来越方便，而互联网的快速发展不仅加快了数字内容的传播，数字化出版更是得到了飞速发展。纸质图书、文献等内容进行线上数字化，即互联网化，从而使得阅读更加轻便、受众的人群更加广泛，出版成本大为降低。"十二五"期间，我国数字出版产业规模达到1.17万亿元，相比2011年1377亿元，增长了近10倍[7]。出版物的数字化也催生传统图书馆的数字化变革工作，即利用计算机、计算机网络等多种技术实现对数字化的信息系统保存、存储和检索应用。相比于传统图书馆受到的物理空间限制，数字图书馆的具有规模超大、便于使用、无时空限制、智能检索等多种优点。如同传统数字化出版并未改变编辑、复制和发行三要素一样，典型数字图书馆也未能突破以“书”为中心的建设体系[8]。科技发展速度极快的今天，各种技术对图书馆这一行产生了极大的冲击，图书馆数字化进程还未完全实现的当下，图书馆这个古老行业即将快速进入元宇宙虚拟现实图书馆时代。

2 元宇宙图书馆管理边界

传统的图书馆好像只存放图书，在现代图书馆里，人类所有的文明创造都要转变成文字书籍、音频、视频存放于图书馆。人生不过百年，人类文明的传承是永恒的，只有将人类创造的所有有价值的知识都安全存放在图书馆里，才会有人类的文化传承。四大古文明，只有中华文明没有断层，就是因为华夏大地，古往今来都有图书收藏的传统。古往今来，图书实则为数据信息，图书的收藏，实际就是数据信息的收藏。在古代，书籍图画，主要是文人墨客专门而作，只是少数知识分子在创造。而今网络信息时代，所有会上网的网民，都在各个互联网平台上，创造着信息，存储着信息，处理着信息，传输信息，使用着信息，利用信息再创造着更新的信息，生生不息，永无止境，网络上这些文明创造，最终都将保存于图书馆中。图书馆的作用，就是起着文明传承的重要作用。但是近半个世纪以来，计算机及各类其他技术的发展，彻底改变了图书馆行业，使图书馆与其他许多行业的边界完全模糊，传统图书馆主要是管理纸质图书，近年来，大量资本涌入数字化技术市场，将纸质图书全部数字化，将数字化的图书全部存储于计算机，所有人都通过互联网，极其方便便捷地查询检索全网信息。随着图书的数字化，以及计算机数字技术的不断推进，越来越多的新的数字化数据类型成为人类需要存放于图书馆的数字化数据类型。而随着人类脑科学进一步发展，思维、思想、记忆也将成为图书馆更新的收藏类型。虚拟现实元宇宙图书馆将收藏更多不同于传统纸质图书的数字化信息，必将极大地扩展虚拟现实元宇宙图书馆之边界。

3 元宇宙虚拟现实图书馆建设技术

3.1 虚拟现实技术

人类从外接接收的信息中有超过80%是通过视觉获得的，而数字化技术更是将其提高到了90%甚至更多。在信息数字化的同时，如何更高效、更直观的获得、传播信息这样的需求与计算机技术的快速发展促进了虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)的实用化发展。虚拟显示技术具有超越现实的虚拟性，这使其成为元宇宙的三大基石基础。使用者通过如数字头盔这样的特殊交互设备进入虚拟环境中，能够充分享受融合了数字图像处理、计算机图形、多媒体和传感器技术带来的全新体验，让用户置身其中，以及无限制的与虚拟空间中的事、物以及各种信息进行交互。通过多感知性、浸没感和构想性，拓宽人类认知范围[9]。

VR艺术作为知识数字化的一个庞大分支和元宇宙虚拟世界经济的重要组成也随VR技术的发展而快速发展。数字藏品(非同质化代币，Non-Fungible Token，NFT)是其中的代表，这是一种使用区块链技术，对应特定的作品、艺术品生成的唯一数字凭证，在保护其数字版权的基础上，实现真实可信的数字化发行、购买、收藏和使用[10]。这使得数字艺术品具备了经济价值，为元宇宙经济注入了重要驱动力。VR艺术作品既给图书馆留下新的收藏，又给阅览者带来前所未有欣赏体验，加上现代虚拟技术创作的便捷性，将会有越来越多的人加入到虚拟艺术的创作，未来图书馆会将古往今来的历史及未来的科幻世界用三维虚拟现实技术呈现在我们眼前。收藏这些作品，提供与展示分类整理这些作品，都将成为图书馆的日常工作之一。

古往今来，人类的历史都是用文字留下来的，有了虚拟现实技术，人类就可将历史用虚拟现实展现，现代科学技术人工智能很容易将古代历史场景自动生成三维虚拟历史场景，配合沉浸式学习将使人终身难忘，深刻铭记！元宇宙图书馆将提供一个让所有人能通过虚拟现实创作平台，轻而易举地生成血雨腥风的历史场景，让所有观众身临其境，甚至参与其中，成为虚拟角色，甚至修改历史走向，体会虚拟历史结局，实现改变历史走向的剧本杀！

3.2 区块链技术

区块链是依托于现代大数据云计算机技术的一种更复杂更科学的一种算法布局。它能解决数据的加密性与原始不可修改性，可实现无中心化分布式处理[11]。这对于传统中心化集中处理完全不同，它具备数据原始不可修改，可追踪，真实，不可造假，不能人为操控，评价公正公平等许多优良特征。它将在社会治理与管理上，有着彻底变革的作用，它能实现社会公平自治，能彻底解决人类贫富悬殊，信用问题，征信问题。因此，区块链技术也成为了元宇宙经济支柱中的核心组成之一。从目前元宇宙的应用需求来看，区块链在元宇宙中主要包括NFT、DeFi、公链速率、智能合约、DAO社交体系、去中心化交易所、分布式存储、哈希算法及时间戳技术、数据传播及验证机制、共识机制、分布式存储与智能合约等技术与应用[12]。多功能的“区块链”不仅可以记录交易，还可以记录任意信息，特别是需要遡源的真实信息，如所有的证件、所有权契据、财务账户、就医历史、保险理赔单、食品来源以及任何其他需要真实遡源的事物。每个区块就是一个数据块，把需要保存的信息全部保存在信息区块里，再通过密钥进行加密，被保存的信息是无法被篡改的。由此形成了区块链的三大特性：安全性、不可篡改性、可访问性。区块链平台在底层设计时已经确定，区块链不受任何操作的控制，区块链数据在跨地域的多个存储链中完整地复制，从而保障了数据的安全性。而进入区块链中的数据是不允许修改的，这就确保了数据的原始性特征。由于节点间是公开透明了，网络中的所有信息块在授权下都可以轻松访问。此外，由于区块链底层的去中心化设计，支持P2P交易而无需平台授权审批，使得平台无法干预甚至垄断交易。

保存与传承是图书馆的核心功能之一。而各种物理存储介质特别是纸质介质由于其植物纤维的特性、必需的光照使用环境，使得纸张容易老化损毁，如何便捷、持久的保存以书籍为核心的传统图书馆的首要问题。图书的数字化让信息的存储拜托了存储介质的约束，并通过互联网迎来了新的发展机遇。然而，数字化同样面临数据丢失的问题，并且在网络空间安全问题日益突出的当下，数据的存储和传播面临前所未有的风险--数字化能够让古籍得以存留，然而一场意外的停电或恶意攻击，将造成远比图书馆焚毁更大的损失。“911”事件中，由于商业数据丢失，包括纽约银行在内的数十家公司直接破产。这就迫切需要一种技术能够保障数据在互联网浪潮中的存活。相比于传统的跨域远程备份机制中仍然存在的集中式存储中心，区块链是一种去中心化的分布式存储技术，数据以及数据传播、交互的过程都可以存储其中。并且区块链中的用户分布于全球，在极限理论条件下，全球所有用户和设备都可以是区块链中的一个节点，这使得区块链获得前所未有的数字存储可靠性和安全性。同样，这也为数字出版物的持久可靠存储提供了极大的便利。

区块链技术在虚拟现实元宇宙图书馆应用中可实现人人都可参与图书馆数据整理，数据创造，合理记账，合理奖励，自治管理，数字信息链块如古代山海经中传说的息壤，滚滚向前，生生不息。脑机接口已将人类大脑数据上传于云网，人类最终将摆脱肉体存在于虚拟数字网络上，人类摆脱肉体后以数字形式存在于网络上，整个世界将唯有数据的存在，这些数据将唯有存在于公益的元宇宙虚拟现实图书馆中，自治的管理系统将利用世界产生的能量，安全高效维持着算力巨大的超级量子计算机的运转，维持着数据的存储，巨大算力维持着数据人类各种思维、记忆交流，创造着数字人类的情感与喜怒哀乐，这一切都是依赖于区块链构成的网络，区块链虚拟现实元宇宙网络只有存放在公益的元宇宙虚拟现实图书馆中。

区块链布局是国家数字化战略最重要的一个环节，欧美日也正在将代表区块链技术的WEB3.0纳入国家战略，抢占世界科技、世界经济的制高点。WEB3.0实际就是核心技术为区块链布局的无中心分布式的元宇宙第三代互联网络。

3.3 WEB3.0技术

虽然当前计算机技术、网络技术、高性能硬件设备得到了飞速发展，然而，元宇宙仍然是一个超前的概念，主要是因为其本身涉及众多前沿领域，技术体系极为复杂，这也就是为什么当前元宇宙建设投入动辄数百亿美元的原因[13]。然而，元宇宙特别是元宇宙经济还未探索并发展出有效且广泛的经济运营模式，在一段时间以内，元宇宙难以看到实质性性效益，也在一定程度上制约了元宇宙的发展。从技术角度来看，目前元宇宙最有可能的实现方式被寄托在WEB3.0技术上，而这也是元宇宙虚拟现实图书馆最初的实现载体。

在WEB3.0这一网络载体中，Web3.0互联网环境初期更多的是一个框架，而置身其中的众多用户将成为环境的塑造者、运营者与使用者，而不仅仅只是现有网络平台的“打工仔”。WEB3.0的核心具有区块链去中心化功能，有利于互联网去垄断的重要特征，WEB3.0将是一场公众对抗平台的全面胜利。谷歌云将WEB3.0热潮描述为“区块链和数字资产正在改变世界存储和传递信息以及价值的方式”。WEB3.0属于元宇宙内部经济中最底层的架构，它具备分布的访问控制和自主权，就以上阐述的WEB3.0特征而言，WEB3.0事实上也符合人们目前对于元宇宙世界的基本构想。互联网巨头也应在WEB3.0上，在WEB3.0底层基础设施构建上更早布局，这也是为元宇宙虚拟现实图书馆建设打造基础设施，抢占战略先机。

3.4 大数据云计算技术

人类的各种创造活动都会留下创造的痕迹，这些创造的痕迹留下来了的实物就是文物，这些创造写成文字就变成了书籍，现代的创造，不同于古代，创造的形式多样，留下的痕迹也是多样的，文字书籍以外，现代网络也给每个人留下了更多的创造痕迹，新浪微博，腾讯QQ、微信，还有现在的抖音，都留下了人类的创造，虽然说这种创造没有书籍精练，他只是我们人类大脑的火花，思维的碎片，但还是很有价值的，新浪微博虽说停办了，但它上面留有我们人类太多的大脑火花思维碎片，留有人类的情感记忆，留有许多人的青春记忆，岁月与时光。同样，QQ、微信、抖音还有全球众多交流平台，都留下了人类的记忆，有精华也有糟粕，但都是人类留下的文化遗产，都应该作为财富保存起来，都应该归于图书档案保存起来。这些巨量数据，都可以通过数据挖掘与人工智能分析，产生更多价值，这些巨量的人类信息就是大数据，也只有保存在元宇宙虚拟现实数字图书馆之云服务之中。