大數據環境下圖書全息數據存儲管理研究

丁鑫

（南京圖書館，江蘇 南京 210002）

大數據環境下圖書全息數據存儲管理研究

丁鑫

（南京圖書館，江蘇 南京 210002）

隨著“大數據時代”的到來，各種信息數據量劇增，原有的圖書數據存儲模式由于其自身固有的缺點，已無法適應這種大趨勢。全息數據存儲技術是近年發展起來的一種新穎存儲技術，具有較高的存儲密度及數據傳輸速率等優點。通過對比分析數字圖書館相對于傳統圖書館的先進性，并結合全息存儲技術的優缺點,闡述了將全息數據存儲技術用于數字圖書館建設的應用前景。

大數據 全息數據存儲 數字圖書館

1 引言

信息技術作為一種新興和極具生命力的技術正在不斷地滲透到社會、經濟、生活等各個領域。移動計算、物聯網、云計算等一系列新興技術手段的涌現促進了社交媒體等新型應用模式的發展，進而拓展著人類創造和利用信息的范圍和形式。據國際數據公司的數字宇宙研究報告稱：2011年全球被創建和復制的數據總量超過 1.8ZB，且增長趨勢為大約每兩年翻一番，預計2020年全球數據總量將達35ZB。與此相對應的是，數據的復雜性特征也日漸增多。例如，現在每天我們都能接觸到音像、圖片、視頻等多種多樣的數據資源，這就是數據的多樣性；而我們還要及時地接收、處理、利用這些資源，這又迫切需要數據具有實時性。在各種信息輪番轟炸的網絡上，不見得所有的數據都是我們所需要的，所以我們還需要對其進行挑選，這無疑會耗費我們的精力。數據的瘋狂增長及復雜性的增多意味著“大數據”時代已經到來。

長期以來，圖書作為寶貴的知識和人類精神文明的載體，系統地收集、整合、儲存了十分豐富的信息資源。在當今信息化高度發展和人類迫切需要分享信息的社會，依附于圖書的大量可利用數字資源，需要進行完備的保存。并且，隨著計算機網絡技術如火如荼地發展，圖書也逐漸呈現出信息資源數字化、信息傳遞網絡化、信息利用共享化的發展趨勢，這雖然能夠提高圖書資料的管理效率及人們分享、利用資源的效率，但卻對構建數字圖書館所要利用的存儲技術提出了很高的要求，即存儲設備的存儲容量要能夠滿足更多多媒體數據的存儲。而當今的數字資源多種多樣，并且需要長久、完好地保存，但對其的保存在某個大范圍內并無固定統一的標準，于是，為了完成構建數字圖書館這一重要戰略任務，解決現有數據的存儲及利用問題已迫在眉睫。

全息存儲（Holographic Memory）是一項非常新穎的大容量信息存儲技術，它是基于激光干涉技術發展起來的，存儲載體為感光介質。近年來，隨著新型全息存儲材料的不斷涌現、相關光電子元器件制造技術的不斷進步及計算機技術的逐漸發展，數字全息存儲技術在世界范圍內引發了研究熱潮。

2 數字圖書館的先進性

伴隨著全球信息化、網絡化進程的加快，人們獲取、分享信息的手段也發生了顯著的變化，越來越多的人們開始喜歡足不出戶就可以購物、訂餐、辦公、開視頻會議及在網上瀏覽和下載更多的信息資源。無疑，傳統圖書館并不能滿足人們的這些需求，而數字圖書館則能通過互聯網平臺，將圖書數字資源在更廣范圍內共享，進而滿足人們的需求。因此，數字圖書館是傳統圖書館發展的一個必定方向，它作為一種嶄新的圖書館模式，其相對于傳統圖書館的先進性如下。

2.1 存儲載體更加多樣化

傳統圖書館的存儲載體比較單一，主要以紙質載體為主，紙質載體主要有報刊雜志、工具書等。這就決定了圖書館存在必須要有一定的空間住址，如樓房、建筑等；其次，為了方便人們搜尋獲取資料的方便，紙質載體還需分類保存，這意味著必須要有一定的保存設施，如書柜、桌椅等。而傳統圖書館所需要的空間住址和保存設施無疑是成本的主要來源之一。此外，如果讀者借閱紙質書籍資料次數過多，或翻閱時間過長，都難免會使紙張出現破損、殘缺的現象，從而影響其他人享用此類書籍資料時的舒適性以及造成紙質書籍資料的使用壽命變短。

而數字圖書館的存儲載體與傳統圖書館大不相同，主要有錄音帶、磁盤、光盤及多種多樣的數字化、電子化裝置等，其存儲介質的形式也打破了原有印刷體的局限，變得更為廣泛，主要包括文本、聲、光、圖像、影視等數據信息。信息檢索手段也隨著存儲技術的與時俱進而變得愈加智能化，讀者可以獲得更為活潑、具體、生動的信息。

2.2 服務更加便捷

傳統圖書館的一個顯著標志是物理的圖書館建筑，讀者享受的服務必然局限于特定的時間空間內；相比之下，數字圖書館對讀者的服務則是基于一個龐大的通過寬帶高速互連的計算機網絡，它所提供的信息資源來源更廣，或整合了一個國家的眾多圖書館資源，或按照一定的標準將不同地域甚至是全世界可利用的信息資源收集、存儲與管理起來。只要有網絡遍布并且獲得數據庫訪問許可的地方，圖書館都可為讀者提供信息服務。換句話說，讀者在享受數字圖書館的服務時，能夠不受空間和時間制約，這樣極大地方便了讀者的學習與工作。數字圖書館對讀者提供的服務更為便捷，更能順應時代的發展潮流，更能受到人們的歡迎。

2.3 圖書館管理員扮演的角色更加深刻

傳統圖書館管理員主要負責收集、整理、保存、傳播文獻信息，以確保圖書館正常流通和閱覽的功能，他們所扮演的是社會文化傳播者的角色；而數字圖書館管理員則不僅要成為信息采集者、管理者和傳播者，還要成為利用文獻信息的導航員。借助于網絡平臺的廣泛性和便捷性，數字圖書館管理員可以隨時更新各種圖書、文獻等資源信息，并且提供便捷的多媒體遠程數字信息以引導讀者。因此，他們扮演的角色也由被動的文化工作者轉變成了主動的教育工作者。由此可見，數字圖書館更能對人們“投其所好”。

3 全息存儲技術及其在數字圖書館的應用前景

面對“大數據”時代的到來，圖書館對信息的需求量越來越大，人們對文本、聲、光、圖像、影視等數字信息的獲取與傳輸需求也越來越迫切，進而對信息存儲、處理的要求也越來越高。傳統的光盤存儲和磁盤存儲等技術手段已達到其技術瓶頸，無法適應當今“大數據”時代的發展潮流。就在傳統圖書館其固有存儲與管理系統無法打破自身局限時，全息存儲技術作為一種極具高效能和前瞻性的技術呼之欲出。全息存儲技術具有高存儲容量、高讀寫速率、可并行尋址、便于長期保存和拷貝復制等優點。下面將對其優缺點及在數字圖書館的應用前景進行詳細闡述。

3.1 全息存儲技術的基本知識介紹

自 Dennis Gabor20 世紀 80年代提出了全息術，全息存儲（Holographic Memory）這一概念就進入了人們的視野。全息存儲的技術原理是基于全息術，即先以全息照相的方式存儲信息，然后通過兩個光波之間的耦合和解耦合，結合信息存儲和信息之間的比較（相關）、識別，甚至聯想的功能，即將信息存儲和信息處理結合起來。超高密度是全息存儲技術最為令人矚目的優點，可以打個形象的比方來說明，1500張CD光盤的數據總和大小約為1TB（1TB=1024GB），而如此龐大的數據可以完全存儲在與一個糖塊大小相當的特殊立方體中。另外，通過控制芯片具有的超強數據處理能力，全息存儲技術可以拓展提供高達1000TB的容量。這個容量是目前硬盤所具有的最大容量750GB的數倍。自2004年全息通用光盤（HVD）面世后，全息技術開始轉向低成本，并逐步向消費者普及。近年來，全息存儲技術的發展伴隨著光電子技術、計算機技術的發展而呈現出高速發展的勢頭。

3.2 全息存儲技術的優點

3.2.1 容量高

全息存儲具有較高的存儲容量。在全息存儲材料上形成的是體積全息圖，那么存儲介質越厚，其存儲的容量也會越大。光束的波面位相、波長和入射角度都會影響體積全息圖的再現。因此，可通過改變光束的波面位相、波長和入射角度來實現在同一存儲介質中存儲多重全息圖。使盡可能多的全息圖存儲在同一介質中，能夠增加存儲密度，因此這是提高全息存儲容量的有效途徑。為此，我們已開發了混合復用共同體積、混合服用材料面積及復用空間技術來幫助提高存儲密度。

3.2.2 讀寫速率快

傳統存儲技術存取數據采用的方式是：按“位”操作，以串行方式逐點存取數據。而與傳統存儲技術存取數據的方式不同，全息存儲技術是采用“頁面”方式并行來記錄和讀出。以頁為單位存儲和利用內在的并行性來恢復數據，其讀出數據率達到1GBPs。全息數據庫由于可以用參考光束的空間位相調制或無慣性的光束偏轉等非機械手段進行尋址而不必采用傳統光盤存儲必須采用的機電式動臂結構，因而具有較高的讀寫速率。信息以頁為單位，并行讀寫。

3.2.3 可靠性高

對于傳統的光盤存儲或磁存儲，如果存儲介質一旦遭到損壞，那么便很可能造成存取信息的破壞或丟失。而在全息存儲中，所采用的全息存儲材料具有良好的穩定存儲性能，即使存儲載體局部有缺陷或部分損壞，雖然清晰度會有所下降，但仍不妨礙讀出已存儲的全部數據。例如，銀鹽記錄載體是一種很熱門的全息存儲材料，其保存壽命經前人研究證實，可達數百年以上。

3.2.4 具有關聯尋址功能

全息存儲器具有的尋址功能與產生的不同方向的“參考光”有關。對于塊狀角度復用體全息存儲，一系列方向迥異的“參考光”在用某物光照射由角度多重法存儲的多重全息圖后將被識別而讀出。輸入圖像及其對應存儲圖像之間有一定相似程度，而各“參考光”的強度大小便與之相一致。這樣，即使在不知道地址的情況下，也可通過用強度最大的“參考光”讀出目標數據頁。這就是所謂的關聯特性，利用此特性，全息存儲器才具有了關聯尋址功能。該功能對基于圖像相關運算的數字圖書館的檢索與管理應用方面影響匪淺。此外，“參考光”可采用聲光、電光等，系統可獲得一個很快的尋址速度，這可大大降低數據訪問時間。

3.3 制約全息存儲技術發展的因素

全息存儲技術的顯著優點有目共睹，即高存儲量、較高的存儲可靠性和高傳輸速率等，但其具有的缺點從某種程度上也限制了它的實際應用范圍，因此不容小覷。下面將制約全息存儲技術發展的因素一一介紹。

3.3.1 不易抑制的噪音干擾

全息存儲讀取數據過程中難免會產生噪聲，這將會干擾全息存儲的工作過程即用激光曝光光盤上的圖像后，再通過捕捉物鏡進行解碼，進而影響全息存儲數據的準確性。面對這個難題，Optware和InPhase公司采用的解決辦法是，通過糾錯和編碼方式來確保數據的準確性。這是目前抑制噪音干擾的一個有效做法，但也造成了另一個附加難題即讀寫速度受到限制。此外，產生的噪聲干擾還會降低可使用的存儲容量。例如，探測器發出的噪聲干擾可能會使全息圖難以讀出，進而導致全息存儲容量受到直接影響。

3.3.2 對震動和溫度太敏感

除了難以抑制噪聲這一難題，全息存儲對震動和溫度特性也相當敏感。在全息驅動器讀取數據過程中，光盤的旋轉無可避免地會產生震動，而略微的震動也會很容易導致全息成像出現誤差。因此全息驅動器要保證讀取數據的準確性，必須依賴具有較大體積和更為復雜的避震系統。這從一定程度上導致了全息驅動器成本的居高不下。

3.3.3 價格較高

目前，全息存儲光盤雖然具有超大存儲容量、超高存儲密度和較快的存取速度等誘人的優點，但其較高的生產成本所導致的高價格還是讓眾多用戶望而卻步。由此可見，全息存儲光盤如果想在未來市場上占有一席之地，高價格是要突破的瓶頸。

3.4 全息存儲技術在數字圖書館的應用

數字圖書館是未來人類精神文明建設發展的重要載體和催化劑，是傳統圖書館的發展方向和必然趨勢，為了方便存儲與管理海量數據，并保證存儲數據的快捷性和準確性，數字圖書館勢必要構建更廣闊的信息存儲平臺以適應存儲數據的發展趨勢。實踐經驗表明：在數字圖書館的建設中，我們發現很多數字信息的存儲、傳輸與檢索速度都不能達到人們的要求，因此能夠在數據存儲、傳輸與檢索速度方面取得突破的全息存儲技術便受到了人們的廣泛關注。一個龐大的信息存儲系統的容量能夠達到PB級。在數字圖書館的應用方面，全息存儲根據存儲對象或存儲材料具體可分為3種類型：圖像全息存儲、數字全息存儲、三維盤式全息存儲。

3.4.1 圖像全息存儲

傳統的圖像掃描技術具有占用較大空間、操作繁冗、排版困難和顯示效果不佳等缺點，而圖像全息存儲技術能夠克服以上缺點，對數字圖書館原印刷版的圖像數據信息達到最佳的保留效果。

3.4.2 數字全息存儲

數字全息存儲器能夠在整個數據庫內實現快速搜索內容是基于關系型數據庫的應用。用戶能夠根據需要的內容對數字圖書館里的數據進行查詢。

3.4.3 三維盤式全息存儲

三維盤式全息存儲的方法可同時實現高密度和大容量的存儲，其在全息光盤上記錄的數據形式是傅里葉變換全息圖，也即每個信息頁面是數字數據的二維排列。這種全息圖分布在全息盤的同心圓軌道上，在空間分布上既不完全分開也不完全重疊，其中對于同一軌道或相鄰軌道上的全息圖都可以有部分重疊。在進行全息圖記錄和讀出時，參考光和照明光的角度都無需再調整設置。對于尋址，盤面旋轉能夠完成同一軌道內全息圖的尋址即切向尋址；讀寫光學系統與盤面的相對平動能夠完成對不同軌道的尋址即徑向尋址。

4 結語

全息光存儲的發展雖然伴隨著嚴峻的挑戰，但與傳統的光盤、硬盤存儲、半導體存儲以及近年來比較熱門的光存儲技術相比，其特有的超大存儲容量、超高存儲密度和極快的存取速度等優點仍吸引著人們在圖書全息數據存儲管理方面不斷地開發、探索與研究。全息光存儲的研制方向即朝著實現存儲容量達到TB量級和數據傳輸率達到1Gbps邁進。相信隨著新型存儲材料的推陳出新和關鍵器件的研發，將全息光存儲應用于數字圖書館的建設并非遙不可及。

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丁 鑫女，1982年生。在職研究生，館員。研究方向：圖書館建設與服務。

TP333

2014-05-15；責編：王天泥。）