郭新華，陳建華

(泉州信息工程學(xué)院軟件學(xué)院，福建 泉州 362000)

1 引言

近年來，智慧城市、智慧社區(qū)、智慧校園的建設(shè)已經(jīng)掀起一股熱潮，作為智慧校園重要的有機(jī)組成部分——智慧圖書館的建設(shè)也被納入國(guó)家建設(shè)體系中。歐美的圖書館最早提出了智慧圖書館這個(gè)概念。至今，學(xué)術(shù)界對(duì)智慧圖書館的概念眾說紛紜，還未對(duì)其有統(tǒng)一準(zhǔn)確的定義。智慧圖書館是通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)等一系列的技術(shù)和感知硬件、計(jì)算機(jī)等硬件的支撐，把館藏資源轉(zhuǎn)換成服務(wù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，在時(shí)空上不受限制地為讀者提供智慧服務(wù)。

智慧圖書館的建設(shè)上，作為高等教育重要組成部分的民辦高校，其大部分的圖書館還處在傳統(tǒng)、數(shù)字的模式，跟不上智慧化建設(shè)的步伐。經(jīng)過對(duì)地方高校圖書館以及國(guó)內(nèi)智慧化較成功的高校智慧圖書館調(diào)研分析，結(jié)合泉州信息工程學(xué)院圖書館實(shí)際情況進(jìn)行智慧圖書館仿真平臺(tái)體系的構(gòu)建研究。泉州信息工程學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱泉信)圖書館建于2002年，現(xiàn)有館舍建筑面積近1.79萬平方米，普通閱覽室座位1475位，多媒體電子閱覽室擁有250臺(tái)電腦終端供讀者訪問圖書館資源和網(wǎng)絡(luò)資源，現(xiàn)處在實(shí)體圖書館和數(shù)據(jù)圖書館的服務(wù)狀態(tài)。所以泉信圖書館存在一些傳統(tǒng)性的、普遍性的問題：①隨著師生人數(shù)不斷的增多對(duì)圖書館使用需求也在巨增，受圖書館的開放時(shí)間的限制，讀者在使用實(shí)體圖書館時(shí)經(jīng)常在時(shí)間和空間上受到較大的影響。②傳統(tǒng)的圖書館所提供的服務(wù)形式較單一，會(huì)出現(xiàn)如當(dāng)讀者沒有攜帶證件就無法借還這樣的問題。③傳統(tǒng)的圖書館在進(jìn)行閱讀推薦時(shí)，幾乎沒有針對(duì)讀者的個(gè)性化推薦。文章提出智慧圖書館仿真平臺(tái)體系整體架構(gòu)，并選擇一個(gè)現(xiàn)實(shí)圖書館為樣本，利用該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)智慧圖書館仿真平臺(tái)，期望解決上述問題。

2 智慧圖書館仿真平臺(tái)體系架構(gòu)與技術(shù)需求

2.1 智慧圖書館仿真平臺(tái)體系架構(gòu)

智慧圖書館仿真平臺(tái)是通過瀏覽器來體驗(yàn)館內(nèi)漫游、享受智慧推薦、訪問館內(nèi)資源，讓讀者具有較強(qiáng)沉浸式體驗(yàn)的智慧圖書館。智慧圖書館仿真平臺(tái)體系包括客戶端和仿真端兩部分。仿真端是對(duì)智慧圖書館的數(shù)據(jù)資源和硬件資源進(jìn)行虛擬和仿真，讓讀者可以在不同的時(shí)空實(shí)現(xiàn)智慧圖書館的體驗(yàn)；客戶端主要是讓讀者通過瀏覽器進(jìn)行仿真平臺(tái)的使用，體驗(yàn)沉浸式的智慧圖書館服務(wù)。主要采用已有的學(xué)校網(wǎng)站服務(wù)器作為整個(gè)體系的后臺(tái)支持。

在圖1中智慧圖書館仿真平臺(tái)體系主要包括基礎(chǔ)層、仿真層和服務(wù)層三層結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)層包括：①館藏資料庫，保存館內(nèi)圖書、影像等資源信息，也可以鏈接到實(shí)體圖書館的數(shù)字資源服務(wù)器，實(shí)時(shí)更新資源信息；② 仿真模型庫，包含圖書館外形、館內(nèi)裝飾、館藏書架和館周邊的三維仿真模型等；③輔助模型庫，主要保存支撐仿真驅(qū)動(dòng)引擎輔助決策模型和仿真模型需要的紋理圖片、數(shù)據(jù)等，也可以保存引擎產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息或歷史信息。仿真層由仿真驅(qū)動(dòng)引擎生成圖書館虛擬場(chǎng)景，是仿真平臺(tái)的核心部分，其直接關(guān)系到仿真平臺(tái)為讀者服務(wù)的功能和性能；仿真驅(qū)動(dòng)引擎從功能上為服務(wù)層提供接口。服務(wù)層包括：①漫游圖書館，讀者可以自行規(guī)劃路線，進(jìn)行館內(nèi)游覽，操作鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行三維地圖的平移、放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館內(nèi)的如書架、閱讀區(qū)等場(chǎng)景的漫游；②館藏信息查詢，以不同分類方法查詢館藏信息，為讀者提供快速便捷的館藏資料瀏覽或搜索定位；③智慧服務(wù)，為讀者提供智慧個(gè)性化推薦。智慧個(gè)性化推薦結(jié)合讀者提供的信息及歷史紀(jì)錄進(jìn)行推薦，可以采用實(shí)值的RBM與 Top N算法(RT—RBM)的協(xié)同過濾個(gè)性化推薦來實(shí)現(xiàn)。此個(gè)性化推薦可以為讀者進(jìn)行較精準(zhǔn)的推薦，也能為在本館歷史記錄、個(gè)人提供信息少的讀者選擇推薦圖書館中若干種的圖書排行榜。

圖1 智慧圖書館仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 智慧圖書館仿真平臺(tái)的技術(shù)需求

為了實(shí)現(xiàn)上述體系架構(gòu)，需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過對(duì)圖書館整體的數(shù)據(jù)采集，用Photoshop軟件進(jìn)行紋理處理，利用ArcGIS 繪制圖書館二維平面圖，利用Esri CityEngine軟件進(jìn)行三維建模來進(jìn)行仿真平臺(tái)開發(fā)，最后進(jìn)行平臺(tái)集成。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代新興的一種綜合集成技術(shù)，涉及到許多領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等。它基于各種傳感器設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟硬件構(gòu)成的三維信息的虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)的事物和環(huán)境，人參與到這種環(huán)境中，有"親臨其境"的感覺，并與其進(jìn)行交互。中國(guó)國(guó)內(nèi)從上個(gè)世紀(jì)90年代開始對(duì)VR進(jìn)行研究，圖書館領(lǐng)域也把VR技術(shù)逐漸應(yīng)用在漫游展示、借閱指引等方面。

ArcGIS作為一個(gè)兼容性較好的平臺(tái)，它包含了許多組件，從單一的細(xì)粒度的對(duì)象(例如單個(gè)的幾何形狀)到復(fù)雜的粗粒度的對(duì)象(例如地圖對(duì)象)，涉及面極廣。ArcGIS如在桌面、在服務(wù)器、在野外、通過Web等多種方式，為個(gè)體或群體讀者提供全面的GIS功能。

Esri CityEngine是一個(gè)較新的三維建模軟件，是城市進(jìn)行三維建模的首選軟件，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如國(guó)防、仿真、數(shù)字城市、游戲開發(fā)、軌道交通、建筑等領(lǐng)域。Esri CityEngine具有標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)3D格式，可視化的接口設(shè)置，支持GIS數(shù)據(jù)、基于CGA規(guī)則批量建模、集成Python環(huán)境、支持多平臺(tái)等特點(diǎn)。Esri CityEngine可以利用二維矢量圖快速進(jìn)行三維場(chǎng)景的創(chuàng)建，對(duì)ArcGIS的支持，可直接利用已有的GIS數(shù)據(jù)迅速進(jìn)行三維建模，減少了投資的成本與建設(shè)周期。

上述技術(shù)再加上面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言及其開發(fā)環(huán)境，基本能夠支持智慧圖書館仿真平臺(tái)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

3 智慧圖書館仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

智慧圖書館仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可分前期準(zhǔn)備、三維建模與智慧推薦建模和仿真平臺(tái)集成設(shè)計(jì)三個(gè)階段，其基本流程如圖2所示。首先進(jìn)行前期的準(zhǔn)備工作，包括數(shù)據(jù)采集、紋理處理和行為調(diào)研。數(shù)據(jù)采集包括館藏資源庫、已有讀者相關(guān)信息、三維建模所需素材；紋理處理用位圖軟件Photoshop對(duì)采集的紋理進(jìn)行背景、透視和明暗度等的處理，為三維建模做準(zhǔn)備；行為調(diào)研是指對(duì)圖書館的讀者，在館內(nèi)行為特征的調(diào)研。其次是基于前期的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行圖書館實(shí)體的外形、內(nèi)飾、內(nèi)景、書架、書形、館物、周邊景物等實(shí)物的三維建模和讀者行為建模。最后是仿真平臺(tái)集成設(shè)計(jì)，包括仿真驅(qū)動(dòng)引擎設(shè)計(jì)、智慧推薦建模設(shè)計(jì)和服務(wù)集成設(shè)計(jì)三部分。服務(wù)集成包括漫游圖書館、館藏信息查詢、智慧服務(wù)三個(gè)模塊。

圖2 智慧圖書館仿真平臺(tái)開發(fā)流程圖

3.1 圖書館基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集包括圖書館矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)。

對(duì)于圖書館的矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)可采用如下流程：在泉信圖書館附近，利用GPS-RTK技術(shù)布局設(shè)置GPS控制網(wǎng)，通過GPS接收儀器獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過專業(yè)軟件處理得到觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位， 結(jié)合泉信圖書館的平面圖、GoogleEarth地圖，再利用ArcGIS繪制泉信圖書館的二維矢量底圖，也得到包括綠化帶、路等的矢量數(shù)據(jù)。

對(duì)于圖書館的紋理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，采用拍攝、網(wǎng)站收集的方式來采集。圖書館紋理包括圖書館表面紋理和室內(nèi)紋理。對(duì)于圖書館表面紋理采集先全景后特征。必須有八個(gè)方位的全景和與其對(duì)應(yīng)的特征，還有圖書館建筑物特征：門、窗、建筑材質(zhì)、封閉陽臺(tái)、開放陽臺(tái)、屋項(xiàng)重要裝飾、下穿結(jié)構(gòu)、門廊、屋檐、大型臺(tái)階、普通臺(tái)階、室外樓梯、支柱(墩)立面突出物或重要裝飾、懸空通廊等。用高精度相機(jī)，進(jìn)行圖書館多個(gè)側(cè)面的紋理數(shù)據(jù)采集；通過學(xué)校網(wǎng)站、GoogleEarth地圖等方式資料搜集，獲得圖書館的層高(4層)、房頂面紋理；對(duì)于正常拍攝不到的圖書館死角可以通過無人機(jī)拍攝獲取紋理資料。對(duì)于圖書館室內(nèi)紋理，用高精度相機(jī)進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)采集。

3.2 圖書館紋理圖片處理

Photoshop是位圖處理領(lǐng)域中功專業(yè)且處理能力強(qiáng)大的軟件，可以利用Photoshop來處理前面采集的紋理圖片存在的一些問題。紋理圖片存在的問題可以分以下幾類進(jìn)處理：(1)因拍攝而造成的紋理圖片過大或有多余的背景，這樣的問題可以用Photoshop的自由變換或裁剪進(jìn)行處理；(2)因拍攝角度沒把握好而造成紋理圖片的透視問題，如傾斜、角度不正，這類問題可以用透視變換進(jìn)行處理；(3)拍攝時(shí)因光線問題造成紋理圖片亮度、色彩問題的，可以通過色彩調(diào)整命令進(jìn)行處理；(4)對(duì)于紋理圖片中被人或樹等障礙物覆蓋的部分，采用Photoshop的修復(fù)工具、仿制圖章工具或通道的方式進(jìn)行修復(fù)。通過上述四種情況的處理，一般可得到較理想的紋理圖片。

3.3 圖書館三維建模

三維建模對(duì)象有：泉信圖書館為單獨(dú)一棟圓形建筑，包含了4個(gè)樓層，正大門有一條水泥路，四周分布著草地花圃。利用Esri CityEngine軟件對(duì)泉信圖書館實(shí)體進(jìn)行三維仿真建模，用其內(nèi)部的CAG語義進(jìn)行自動(dòng)建模。三維建模的流程如下：在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的前期準(zhǔn)備下，接下來在CityEngine創(chuàng)建項(xiàng)目，把前期得到GPS數(shù)據(jù)、矢量二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入，編寫CAG規(guī)則，構(gòu)建三維模型，三維模型導(dǎo)出。

3.3.1 圖書館主體建筑的三維建模

首先，在CityEngine軟件中的“File”→“ New”…→“CityEngine” →“CityEngine project”選項(xiàng)按步驟創(chuàng)建一個(gè)新的CityEngine項(xiàng)目。將前期準(zhǔn)備各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源放入assets文件夾中，將GIS數(shù)據(jù)放入data文件夾中。把矢量二維平面圖導(dǎo)入到Shape中，DXF、FGDB、COLLADA、DAE、OBJ、OSM、SHP這些格式都可以導(dǎo)入到Shape中，當(dāng)然由ArcGIS繪制的二維矢量底圖也在這些支持導(dǎo)入的類型中。

接下來，創(chuàng)建圖書館主體建筑的CGA規(guī)則文件，分為兩部分，第一部分為圖書館的1～3層CGA規(guī)則，因?yàn)槿龑拥慕ㄖ?guī)模是相同的。利用拉伸(extrude) 函數(shù)的拉伸規(guī)則把地塊變成一個(gè)10.5建筑模型。分割組件(comp)函數(shù)把前面得到的模型按表面和屋頂分開，接著對(duì)模型表面FloorFacade利用setupProjection、projectUV(0)、texture這3個(gè)函數(shù)進(jìn)行貼圖，再利用切割(split)把模型建筑分成3個(gè)樓層foors，同樣split函數(shù)對(duì)foors進(jìn)行A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的劃分。屋頂Roof與表面一樣也進(jìn)行了紋理貼圖。第二部分為圖書館的頂層CGA規(guī)則，因?yàn)橹挥蠦區(qū)、C區(qū)兩區(qū)，所以單獨(dú)寫規(guī)則，規(guī)則與1～3層類似，利用拉伸(extrude) 函數(shù)的拉伸規(guī)則把地塊變成一個(gè)3.5建筑模型。分割組件(comp)函數(shù)把前面得到的模型按表面和屋頂分開，接著利用setupProjection、projectUV(0)、texture這3個(gè)函數(shù)對(duì)模型表面進(jìn)行貼圖，再利用split函數(shù)對(duì)foors進(jìn)行B區(qū)、C區(qū)兩區(qū)的劃分。屋頂Roof與表面一樣也進(jìn)行了紋理貼圖。

在CityEngine工具欄上選擇Assign，接著選擇前面創(chuàng)建的規(guī)則或直接把規(guī)則拖拽到Shape上，點(diǎn)擊 Generate，就可以生成圖書館主體建筑三維模型。此時(shí)生成的模型還比較簡(jiǎn)單，還需要細(xì)化。如在貼圖時(shí)，需要注意建筑表面的特征(像玻璃或其它反光材料的紋理應(yīng)進(jìn)行反光、透明的參數(shù)設(shè)置)，靈活地進(jìn)行設(shè)置。還需要對(duì)樓頂進(jìn)行精細(xì)的建模，利用分割函數(shù)split、偏移函數(shù)offset、索引函數(shù)等內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行擠出、平移、分割等操作，得到建筑頂部的復(fù)雜建模。圖3為圖書館的建筑模型。

圖3 圖書館建模

規(guī)則建模部分代碼如下：

Lot-->∥圖書館1-3層的建模規(guī)則

extrude(10.5)

comp(f) { side ：FloorFacade| top(0)： Roof }

FloorFacade-->

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

split(y){ { 3.2：floors|0.3： walls }*|3.2：foors|0.3：topwall})

foors-->

split(x){′0.33：A|′0.34：B|0.33：C }

Roof-->

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

Lot-->∥圖書頂層的建模規(guī)則

extrude(3.5)

comp(f) { side ：FloorFacade| top(0)： Roof }

FloorFacade-->∥定義外觀

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

split(y){ 3.2：foors|0.3：topwall)

foors-->

split(x){′0.5：B|′0.5：C }

Roof-->∥定義屋頂

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture(" wenli.jpg")

3.3.2 圖書館周圍綠化、道路的三維建模

根據(jù)前期得到的道路中心線數(shù)據(jù)、綠化帶面狀數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型，在CityEngine中利用Map Layer圖層的地形圖創(chuàng)建一個(gè)有起伏的綠化帶地形圖，再利用Graph Layer圖層來創(chuàng)建道路的網(wǎng)絡(luò)圖層，再利用綠化帶的紋理還有道路紋理進(jìn)行貼圖。對(duì)于比較復(fù)雜的物體如路燈、樹等，因Esri CityEngine支持標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)3D格式，所以可以用3DMAX制作完較復(fù)雜不規(guī)則的模型再導(dǎo)入。

3.3.3 圖書館室內(nèi)建模

通過復(fù)制圖書館三維模型的頂層面，并對(duì)頂層面擠出厚度、平移，并與復(fù)制圖層結(jié)合成室內(nèi)地板的建模。館內(nèi)裝飾、書架、書、門、窗、桌椅、地板、過道等的建模，可以利用編寫不同CAG規(guī)則，結(jié)合內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行快速建模，再利用紋理數(shù)據(jù)對(duì)上述實(shí)物進(jìn)行貼圖，并按照實(shí)體館內(nèi)布局進(jìn)行組合。圖4為圖書館室內(nèi)書架桌椅。

圖4 圖書館室內(nèi)書架桌椅建模

4 仿真平臺(tái)集成設(shè)計(jì)

仿真平臺(tái)集成設(shè)計(jì)包含仿真驅(qū)動(dòng)引擎設(shè)計(jì)和服務(wù)集成設(shè)計(jì)兩大部分。平臺(tái)的仿真驅(qū)動(dòng)引擎采用三維仿真引擎軟件HLCSim進(jìn)行開發(fā)。仿真驅(qū)動(dòng)引擎設(shè)計(jì)中要解決平臺(tái)中的管理、調(diào)度和驅(qū)動(dòng)等核心問題。仿真管理設(shè)置主要包含：①仿真時(shí)間合理設(shè)定；②仿真運(yùn)行速度控制；③仿真記錄與回放、暫停與恢復(fù)；④系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視與設(shè)置等。仿真平臺(tái)調(diào)度是根據(jù)讀者的操作實(shí)現(xiàn)仿真資源和服務(wù)功能的有序運(yùn)行。仿真驅(qū)動(dòng)是根據(jù)讀者操作反映的服務(wù)需求生成虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺場(chǎng)景和資源信息的聯(lián)動(dòng)。服務(wù)集成設(shè)計(jì)是仿真平臺(tái)與讀者的接口，包含漫游圖書館、館藏信息查詢、智慧服務(wù)三個(gè)模塊。漫游圖書館可為讀者提供自規(guī)劃閱覽路線和平臺(tái)推薦瀏覽路線。館藏信息查詢?yōu)樽x者提供在館內(nèi)全部資料、物品及服務(wù)指南的查詢。智慧服務(wù)，根據(jù)讀者在本館歷史記錄、個(gè)人提供信息提供個(gè)性化推薦。

利用Esri CityEngine把仿真平臺(tái)導(dǎo)出為3ws格式的文件，可以利用調(diào)用本地服務(wù)或發(fā)布到ArcGIS Online兩種方式來發(fā)布，發(fā)布之后就可以通過瀏覽器瀏覽建立的虛擬三維場(chǎng)景。

5 結(jié)束語

本文提出了智慧圖書館仿真平臺(tái)體系架構(gòu)，并以泉州信息工程學(xué)院的圖書館為樣本，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智慧圖書館仿真平臺(tái)，解決了實(shí)體圖書館受時(shí)間和空間的限制、服務(wù)形式單一、個(gè)性化推薦差等問題；使讀者不受時(shí)間空間限制，進(jìn)行館內(nèi)漫游、瀏覽館藏資源、享受智慧推薦服務(wù)，得到全新的體驗(yàn)，展現(xiàn)了智慧圖書館個(gè)性化服務(wù)的場(chǎng)景。該仿真平臺(tái)體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)民辦高校的圖書館智慧化建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。