基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型研究

董晶　吳丹

摘 要：移動視覺搜索應用于公共文化服務符合國家 “互聯網+”的發展戰略。通過對移動視覺搜索應用于智慧公共文化服務的需求動機可以發現：公共文化服務領域已有豐富的視覺資源；不同機構視覺資源急需互聯；大數據環境激發高層語義表達需求；移動互聯網改變人們搜索習慣。隨后從視覺資源獲取方式、視覺資源組織方式、移動視覺搜索實現方式和應用與服務方式四個方面進行案例分析，構建了一個基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型。文章最后從視覺資源獲取、視覺資源組織、移動視覺搜索和應用服務四個層面探討移動視覺搜索如何應用于公共文化服務。

關鍵詞：移動視覺搜素；智慧公共文化服務；公共文化服務模型；關聯數據；情境感知

中圖分類號：G252；TP18 文獻標識碼：A DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2018021

Smart Cultural Service Model Based on Mobile Visual Search

Abstract Under the mobile Internet environment， the application of mobile visual search technology in the field of public cultural services responses to the national strategy of cultural "Internet +"， bringing the opportunity of developing smart public cultural services. This paper analyzes the motivation of applying mobile visual search in smart public cultural services. It is concluded that public cultural service fields possess massive visual resources and they urgently need to be linked. Moreover， the demand for high-level semantic of visual resources is generated and people prefer mobile search nowadays. Therefore， this paper proposes a smart public cultural service model based on mobile visual search technology， by analyzing empirical cases. It discusses the important modules from four levels of visual resource acquisition， visual resource organization， mobile visual search and service application.

Key words mobile visual search； smart public cultural services； public cultural service model； linked data； context awareness

1 引言

隨著智能手機的普及和移動互聯網技術的發展，當今世界已步入移動互聯網時代，全球移動互聯網用戶規模不斷擴大，移動互聯網使用率已超過固定寬帶使用率[1]。為滿足用戶的移動搜索需求，適應日益成熟的移動互聯網環境，傳統的圖像搜索技術逐漸向移動視覺搜索技術靠攏。移動視覺搜索是指利用移動智能終端上的攝像頭捕捉現實場景中的圖像，并將其作為查詢式搜索與之相關聯的文本、圖像、視頻等信息資源的一種交互式檢索方式[2]。如谷歌眼鏡使用內置攝像頭拍攝圖像后，可通過谷歌開發的移動視覺搜索應用Google Goggles搜索與該圖像視覺對象有關的多媒體信息。這種“以圖搜圖”的方式是移動視覺搜索與傳統檢索方式最大的不同之處，也是其優勢所在。視覺資源具有結構復雜、類型多元、多維尺度關聯和縱深維度高等特性[3]。視覺資源中蘊含的語義信息包括視覺對象、事物內容、事件的時序或時空關聯關系等。舉例來說，一張建筑照片所包含的語義信息不僅是建筑物本身的外觀（視覺對象），還有建筑物的名稱（事物內容），以及拍攝照片時建筑物所處的時代和周邊地理環境（事件的時序或時空）。移動視覺搜索通過攝像頭捕捉的圖像進行搜索，查詢中可供利用的語義信息更豐富，檢索線索更充足、檢索交互性更高，從而提升檢索結果的相關性。同時，“以圖搜圖”也有效地避免了用戶通過文本描述將視覺資源的語義信息降維，在減少查詢語義鴻溝的同時提升了用戶體驗。

《中華人民共和國公共文化服務保障法》將公共文化服務定義為：“由政府主導、社會力量參與，以滿足公民基本文化需求為主要目的而提供的公共文化設施、文化產品、文化活動以及其他相關服務?！痹谖覈参幕阵w系中，圖書館、博物館等文化事業單位是主要的參與力量。2018年3月5日，李克強總理在《政府工作報告》中提出對2018年政府工作的建議：“……加強新一代人工智能研發應用，在醫療、養老、教育、文化、體育等多領域推進‘互聯網+?！盵4]移動視覺搜索技術與公共文化服務的結合正是響應了在文化領域推進“互聯網+”的國家發展戰略，使得公共文化服務更加適應移動互聯網環境。2015年1月，《關于加快構建現代公共文化服務體系的意見》要求“結合‘寬帶中國‘智慧城市等國家重大信息工程建設，加快推進公共文化機構數字化建設”。智慧城市建設向智慧公共文化服務建設提出了發展要求，因為公共文化服務的智慧化水平是衡量智慧城市建設水平的重要標準之一。移動視覺搜索作為新一代信息技術的產物，在公共文化服務智慧化發展進程中必不可少。

圖書館、博物館等公共文化服務機構中蘊含著大量文本、圖片、視頻等視覺資源，為發展移動視覺搜索提供了肥沃的土壤。與此同時，用戶對智能化搜索和視覺資源高層語義表達的需求越來越強烈。傳統的通過文字描述表達視覺資源需求的方式難以準確傳達用戶的搜索意圖，用戶不僅需要表達視覺資源的基礎語義特征（視覺對象是什么，顏色、形狀等），還需要進一步表達視覺對象的高層語義特征（視覺對象蘊含的人文感知、主觀感受、情感認知等）。將移動視覺搜索技術應用到公共文化服務，能夠解決視覺資源需求表達上的語義鴻溝問題，推動公共文化服務向智慧、智能方向發展。因此，本文在廣泛調查移動視覺搜索在公共文化服務領域應用案例的基礎上，分析移動視覺搜索技術的實踐應用模式，并由此提出基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型。

2 移動視覺搜索與應用研究概況

移動視覺搜索相關的研究主要集中在三個方面：（1）探討實現移動視覺搜索各環節的技術方案；（2）移動視覺搜索的機制和理論研究；（3）移動視覺搜索的應用實踐。

視覺搜索的實現首先需要建立特征索引庫，隨后將查詢對象的視覺特征與索引庫進行比對，按相關性排列搜索結果并反饋給用戶[5]。因此，移動視覺搜索過程中的主要環節有：視覺對象特征描述、特征匹配、相關性排序、結果反饋。在特征描述環節，由于移動網絡環境帶寬有限和不穩定問題，因而在描述視覺對象特征時需要針對視覺查詢進行緊湊表示，提取局部特征的緊湊視覺描述子，再通過聚合局部特征描述子得到視覺對象的全局描述子[6]。在關于緊湊視覺描述子的研究中，尺度不變描述子（scale invariant feature transform，SIFT）被認為是較為有效的一種[7]。為了獲得高質量的緊湊視覺描述子，移動設備對視覺對象的高識別率是重要基礎。在現實場景中，透視變化、手抖等均會影響識別精度，對此，Liu等[8]利用基于深度學習的哈希方法實現移動視覺搜索，比傳統方法的識別率提高了70%；Gao等[9]結合魯棒本地補丁挖掘和幾何參數編碼，提出了一種離線查詢擴展方法。在特征匹配環節，通常通過幾何一致性校驗來完成，包含局部描述子匹配和全局描述子匹配兩個階段。在相關性排序環節，引入情境感知和用戶交互信息是提高檢索結果相關性行之有效的方法，如Kuo等[10]利用情景信息重構BoW模型獲得了更準確的檢索結果。在結果反饋環節，移動視覺搜索的“以圖搜圖”并不意味著只反饋圖像信息，而是與查詢圖像有關的文本、圖像、視頻等各種信息，關聯數據的應用恰好能夠實現這一點[11]。

移動視覺搜索的理論研究多從數字圖書館的角度討論移動視覺搜索機制和框架[12-14]。關聯數據是數據組織和共享的一種框架結構，也是圖書情報領域經典的研究內容。關聯數據利用資源描述框架（RDF）描述數據，又通過統一資源標識符（URI）進行數據標識，從而有效地關聯數據并提供計算機可理解的語義信息。對于語義信息復雜多樣的視覺資源而言，關聯數據能實現視覺資源之間的有效互聯，因此，關聯數據與移動視覺搜索的結合受到廣泛關注[11-12，15]。此外，情境感知理論也被應用于移動視覺搜索模型的構建中。如韓璽等[16]提出的基于情景感知的圖書館移動視覺搜索服務模型，將用戶需求偏好、時空信息視覺載體等作為檢索線索，構建具體用戶情境，從而揭示用戶潛在的移動信息需求。在面向科研用戶的移動視覺搜索模型中，情境資料庫為融合情境的知識展示提供依據[17]。

移動視覺搜索的應用實踐大致被分為兩類：一是在移動端設備實現移動視覺搜索的應用軟件，如移動APP、移動Web搜索引擎等；二是支持移動視覺搜索功能的可穿戴設備，如智能眼鏡、智能頭盔等[18]。由于智能眼鏡、智能頭盔等可穿戴設備價格高、使用不普及，APP類的移動視覺搜索產品處于主流地位。大多數得到廣泛推廣使用的移動視覺搜索產品集中在商業領域，如Google Goggles、拍立淘等。公共文化服務領域的應用案例主要用于學術研究，如SCARLET項目、LibrARi、ShelvAR等，后文將進行詳細分析。

總體而言，技術層面的研究，由于有視覺搜索技術的研究基礎，現有研究重點思考如何適應移動網絡環境的特點；理論層面的研究則集中在圖書館背景下，缺少在公共文化服務大背景下的研究；盡管應用研究略有探索，但集中在商業領域的應用產品[18-19]，缺少公共文化服務領域案例的深入分析。

3 基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型的構建動機

3.1 公共文化服務領域蘊含豐富視覺資源

21世紀初，我國響應國際上興起的公共文化資源數字化運動，啟動了一系列公共數字文化工程，2015年，國務院更是提出了“加快推進公共文化服務數字化建設”的要求。圖書館、博物館、美術館等不同類型的公共文化服務機構紛紛響應，開展館藏數字化工作。依托這些公共數字文化資源，各省市陸續上線了一批公共數字文化服務平臺，如上?！拔幕啤薄拔幕味ㄔ啤薄罢憬幕ā薄拔幕瘜幉ü卜掌脚_”等。然而，此類公共數字文化服務平臺所提供的傳統的文本檢索難以對非文本資源實現充分揭示。公共文化服務機構提供的大量文本、圖像、視頻等數字化館藏已經形成了一座公共文化視覺資源寶礦，為公共文化服務利用移動視覺搜索奠定了堅實的資源基礎，而移動視覺搜索也給公共文化視覺資源的利用帶來新的思路。

3.2 不同公共文化服務機構的視覺資源急需融合

現有的公共文化視覺資源存在于不同的公共文化服務機構中，盡管不同來源、語種、類型的視覺資源之間存在著復雜的語義關聯，但這種語義關聯尚未得到有效揭示，導致不同公共文化服務機構的視覺資源相對獨立、割裂分散、總體利用率低下。調查顯示，我國用戶在使用公共數字文化資源時，往往需要連續訪問多個不同文化機構的資源平臺才能滿足自身信息需求[20]。移動視覺搜索在反饋搜索結果時往往是與查詢視覺對象有關的多種視覺資源的綜合展示，這種多角度揭示視覺資源復雜關聯的方式恰好有助于解決公共文化視覺資源的割裂分散問題。正如歐洲數字圖書館項目“Europeana”集合了圖書館、博物館、檔案館等多源文化資源，移動視覺搜索與公共文化服務的結合能夠促進不同公共文化服務機構視覺資源加速融合，形成一張完整的公共文化視覺資源關聯網絡。

3.3 大數據環境激發用戶高層語義表達需求

大數據環境下，視覺資源數據量大、形式多樣，圖像、視頻等視覺資源蘊含著更復雜的信息內容，用戶對信息資源語義內容的需求也逐漸向深層次發展。圖像、視頻等視覺資源比文本信息的語義維度更高，是線條、色彩、聲音、動作等客觀呈現的淺層語義與其中所蘊含的人文內涵的集成。在被視覺資源包圍的大數據環境下，通過表達淺層語義實施的文本搜索難以充分描述用戶的搜索意圖，而包含主觀情感、人文內涵的高層語義表達方式更貼近用戶的搜索需求。移動視覺搜索不僅能夠反映“視覺對象是什么”這種淺層語義，還能表達視覺對象給用戶帶來的人文感受，如戈壁的“荒涼”、高山的“偉岸”，有效地避免了文本檢索中高層語義流失的問題。用戶搜索的高層語義表達需求意味著公共文化服務引入移動視覺搜索技術勢在必行。

3.4 移動互聯網環境改變用戶搜索習慣

我國網絡用戶的搜索設備使用率顯示，手機搜索用戶占比穩定提升，而使用電腦搜索信息的用戶占比顯著下降[21]，在移動互聯網環境中，人們的搜索習慣向移動化、智能化發展，用戶更加傾向于自由靈活、方便快捷的檢索入口和檢索方式，從當今社會中隨處可見的掃碼搜索現象便可見一斑。單純的公共文化資源數字化只能實現用戶足不出戶使用公共文化服務，而移動互聯網環境下，用戶更希望隨時隨地獲取公共文化服務。移動視覺搜索應用到公共文化服務中，意味著公共文化服務能夠廣泛嵌入到用戶的生活中，突破時空限制，為用戶帶來更加高效便利、靈活自由、交互性強的服務體驗。此外，傳統桌面搜索用戶接收信息來源于網頁，視覺搜索需求比較小眾，而場景不斷變化的移動環境中，用戶接觸新信息的來源更豐富，更能激發用戶的移動視覺搜索意愿。

4 移動視覺搜索在公共文化服務中的應用案例分析

盡管大部分移動視覺搜索產品屬于商業領域，仍有部分產品為公共文化服務而生，且主要集中在圖書館和博物館（包括美術館）兩類公共文化服務機構。本文通過調查論文和網絡，對圖書館和博物館中移動視覺搜索的應用案例進行了集中梳理和深入分析（見表1）。

4.1 視覺資源獲取方式

通過分析案例發現，移動視覺搜索的視覺資源主要來源于圖書館、博物館等公共文化機構提供的館藏數據，此外，也廣泛利用互聯網中的信息。（1）在圖書館中，移動視覺搜索常利用的資源有書籍封面照片、館藏書目信息、數字化書籍全文等。LibrARi和ShelvAR均需要識別書籍照片來確定具體館藏，隨后將書號、館藏位置等書目信息反饋給用戶；SCARLET項目中開發的移動視覺搜索應用則可以向用戶展示古籍特藏資源的圖片以及數字化全文；（2）在博物館中，移動視覺搜索的資源則常來源于藏品照片、藏品簡介文本、解說音視頻等。PhoneGuide使用的藏品照片來源于德國森肯貝格自然博物館，且每個藏品具有三個不同角度的照片；基于SIFT的移動視覺搜索導覽系統可以提供畫作的文字簡介、畫作創作者簡介以及畫作的音視頻解說。公共文化機構提供的館藏數據仍有局限，互聯網中開放獲取的信息能夠進行有效補充。Libagent通過書籍照片識別圖書后可以反饋該圖書在亞馬遜上的售賣價格；鐘志鵬等[27]開發的博物館導覽系統支持搜索展品相關的網頁信息。對于公共文化機構提供的數據，讀者可直接通過圖書館、博物館的數字化館藏數據庫獲得；對于互聯網信息，則可以通過網站提供的API接口，采用網絡爬蟲方法爬取數據。

4.2 視覺資源組織方式

就現有應用案例而言，視覺資源的組織方式上尚未實行任何新穎的信息資源描述方法，均是直接借用已有的館藏描述數據。如Libagent的視覺資源來源于詹姆士庫克大學圖書館館藏，該移動視覺搜索系統直接調用詹姆士庫克大學圖書館管理系統Tropicat中存有的書目信息，沒有對視覺資源重新描述。本文認為，視覺資源蘊含的高層語義內容是發揮移動視覺搜索優勢的重要條件，因此描述和組織視覺資源時應挖掘和揭示其中的人文內涵。同時，移動視覺搜索理論研究中提出將關聯數據引入視覺資源組織的觀點對本文構建模型的視覺資源組織層也有所啟示。

4.3 移動視覺搜索實現方式

本文案例中有兩種視覺搜索入口，一種是掃描二維碼圖片，另一種是直接拍攝搜索對象。二維碼圖片是一種機器可讀的編碼圖片，掃描二維碼的視覺搜索方式實際上是通過解碼二維碼中的文本數字等信息進行搜索，是一種較為初級的視覺搜索方式。SCARLET項目中，每本古籍特藏都有對應的二維碼圖片，用戶通過掃描二維碼獲得古籍的數字化全文。直接拍攝搜索對象的方式更符合用戶對視覺搜索的想象，也更能體現視覺搜索的智能化，除SCARLET項目以外的案例均使用此方式。在公共文化服務領域的案例中，直接拍攝的搜索方式往往與增強現實技術結合使用。LibrARi、ShelvAR、Libagent、mobile AR等在通過攝像頭捕捉書籍圖像后，將搜索到的書號、館藏位置等虛擬文本直接顯示在捕捉到的真實書籍圖像旁邊。直接拍攝的搜索方式涉及到的一個關鍵問題是搜索對象的識別，因而需要描述圖像的語義特征。PhoneGuide即是從顏色強度和幾何結構方面描述圖像中的展品特征，進而確定具體展品。

4.4 應用與服務方式

根據本文案例，移動視覺搜索提供公共文化服務的方式主要體現在館藏管理和展品導覽兩方面，館藏管理服務一般應用在圖書館。LibrARi、ShelvAR和Libagent等的主要功能是通過移動視覺搜索發現亂架書籍，從而為圖書館員的排架工作提供幫助。LibrARi 通過拍攝散落圖書的封面搜索該書在書架上的正確位置，幫助圖書館員重新上架；ShelvAR發現亂架書籍后會計算出最高效的重排方式，并用虛擬的問號圖形標注亂架書籍；Libagent和ShelvAR一樣，通過虛擬符號標記亂架書籍。博物館中的應用案例通常利用移動視覺搜索進行展品導覽。傳統的展品導覽是通過人工講解、講解機或簡介卡片提供服務，而移動視覺搜索提供的導覽服務能同時提供文本、音視頻等多媒體信息，參觀者獲取信息更加主動、互動性更強。PhoneGuide以及鐘志鵬、Gongwen Xu開發的博物館導覽系統都是通過拍攝展品提供該展品的文本、音頻、視頻等多媒體解說。

5 基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型的體系結構

綜合移動視覺搜索在公共文化服務領域的應用案例分析，以及移動視覺搜索相關研究中提出結合關聯數據和情境感知理論的觀點，本文構建了基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型（見圖1），引入關聯數據、情境感知、增強現實技術等，將移動視覺搜索應用到公共文化服務中，實現智慧公共文化服務。模型分為四層架構，包括視覺資源獲取層、視覺資源組織層、移動視覺搜索層和應用服務層。

5.1 視覺資源獲取層

現有的公共數字文化資源為公共文化服務提供了豐富的視覺資源。圖書館、博物館等公共文化服務機構建立的館藏資源數據庫中包含了大量經過組織加工的結構化數據，這為視覺大數據模塊采集視覺資源提供了便利。同時，通過集合圖書館、博物館、美術館等不同公共文化服務機構的視覺資源，視覺大數據模塊也為融合多源機構的視覺資源創造了條件。此外，視覺大數據模塊通過網站提供的API接口爬取數據，獲取廣泛的網絡開放存取資源，對公共文化視覺資源進行有效補充。情境信息的采集是移動視覺搜索與情境感知理論結合的要求，是促進公共文化服務智慧化的手段。情境感知模塊用于采集用戶情境信息，主要來源于用戶數據庫和移動終端的傳感裝置。用戶數據庫可以是圖書館、博物館等提供的用戶數據，也可以在用戶注冊環節進行收集后建庫；智能手機、平板電腦中的GPS可以采集用戶所處自然環境的情境信息，以及用戶與界面交互時的觸控操作等數據。

5.2 視覺資源組織層

視覺資源組織層的目的是利用關聯數據實現多源機構視覺資源的融合互聯，同時實現視覺資源的高層語義揭示，最終形成視覺資源知識庫。視覺資源融合模塊是視覺資源知識庫的核心。首先要揭示視覺資源的語義內容，可以采用機器識別與人工標注相結合的方法。利用支持向量機（SVM）、神經網絡等機器學習算法自動識別顏色、幾何結構等客觀的視覺特征，同時采用眾包的方法，發動用戶人工標注視覺資源的高層語義，從人文感受的角度揭示視覺資源特征；其次，應用關聯數據實現不同來源的視覺資源之間的有機互聯。關聯數據使用資源描述框架（RDF），以三元組作為視覺資源語義描述的基本結構，并使用統一資源定位符（URI）作為資源的唯一標識將不同公共文化機構的數字化館藏資源關聯在一起；此外，還可以與網絡上大量的開放關聯數據集（Linked Open Data，LOD）如GeoNames、FOAF、DBpedia等互聯，形成一張強大的知識網絡。情境建模模塊是針對情境感知模塊收集的個人情境（如人口統計特征、興趣偏好、交互行為等）、社會情境（如教育背景、社交情況等）、自然情境（如地理位置、氣候天氣等）、設備情境（如設備類型、網絡情況等），通過社會網絡分析、聚類分析、情境計算等手段建立情景模型，形成情境信息知識庫，為后續移動視覺搜索的個性化推薦做支持。

5.3 移動視覺搜索層

移動視覺搜索相關技術研究顯示完整的視覺搜索過程由特征索引、特征匹配、搜索結果排序和搜索結果反饋四個部分組成，由此提出移動視覺搜索層的四個模塊。經過視覺資源融合模塊對視覺資源進行語義描述和語義關聯后，特征索引模塊基于視覺資源知識庫對視覺資源建立特征索引。當用戶發起一次查詢時，將視覺對象的特征與索引庫特征進行相似性計算，完成特征匹配。綜合匹配效果以及用戶情境信息對搜索結果進行相關性排序，并反饋結果列表。搜索結果反饋模塊不僅包括匹配后的視覺對象，還結合視覺資源知識庫中的關聯網絡和用戶具體情境模型，個性化推薦與匹配對象關聯的文本、圖像、音視頻等多媒體信息。移動視覺搜索層的最終結果將提交至應用服務層，作為不同服務模塊的基礎。

5.4 應用服務層

應用服務層是基于移動視覺搜索層的結果，結合其他新興技術手段，進一步提供的具體服務功能。隨著科技進步發展，新技術和設備的誕生將催生更多服務模塊，因此應用服務層是一個不斷生長的有機體。根據已有研究和案例，本文模型僅列出三個服務模塊以示說明：移動導覽模塊、館藏管理模塊和虛擬體驗模塊。此三類服務模塊均可引入增強現實技術，在真實圖像中疊加虛擬信息，從而提供沉浸式的體驗感。如在移動導覽時，用戶使用移動設備拍攝周邊街景后，設備自動播放歷史建筑、古跡遺址等人文景觀的語音介紹，并在拍攝畫面中顯示文字標注等；在館藏管理時，利用移動視覺搜索對亂架館藏和不在架館藏進行精準定位，用虛擬標記顯示館藏的正確位置。虛擬體驗模塊還可與可穿戴設備結合，如用戶通過VR眼鏡觀看某件文物展品的修復過程，通過智能手套體驗親手翻閱古籍。

7 結語

國家“互聯網+”和“智慧城市”的發展戰略對公共文化服務的智慧化發展提出了要求。公共文化服務領域現有的大量視覺資源為移動視覺搜索應用于智慧公共文化服務提供了豐富的資源支持，同時，也為不同公共文化服務機構的視覺資源繼續融合互聯提供了機遇。用戶對信息資源高層語義表達的需求以及移動搜索習慣日益深入人心均推動了移動視覺搜索技術應用到公共文化服務領域的進程。本文在深入分析公共文化服務領域的移動視覺搜索應用案例的基礎上，結合關聯數據、情境感知理論提出基于移動視覺搜索技術的智慧公共文化服務模型，通過視覺資源獲取層、視覺資源組織層、移動視覺搜索層和應用服務層的四層架構，建立了移動視覺搜索應用于智慧公共文化服務的體系結構。該模型充分發揮移動視覺搜索“以圖搜圖”的優勢，能夠發揮視覺資源的獨特價值，促使不同公共文化機構視覺資源的融合，實現高層語義信息的表達，并適應人們的移動搜索習慣，其具有廣闊的前景價值。

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作者簡介：董晶，女，武漢大學信息管理學院碩士研究生，研究方向：信息檢索；吳丹，女，武漢大學信息管理學院教授，博士生導師，研究方向：信息檢索、人機交互、用戶信息行為。