元宇宙視域下圖書館3D數字資源服務體系研究*

林 立

（閩江學院圖書館，福建 福州 350108）

1 引言

近年來，元宇宙成為人們熱議的話題。元宇宙是虛擬現實和增強現實的升級版，是人類未來數字社交、學習、娛樂的重要載體。在元宇宙中，用戶可以與數字化的物品、場景和其他用戶進行交互，實現虛擬的沉浸式體驗。由于元宇宙的高度互動性和真實性，吸引了越來越多的用戶。同時，元宇宙也為圖書館3D數字資源服務提供了新的發展機遇。在過去，圖書館主要以紙質圖書為信息載體。隨著數字化技術的發展，圖書館逐漸拓展了其服務領域，數字資源成為圖書館服務的重要組成部分[1]。而3D數字資源作為數字資源的重要組成部分，其可視化和互動性特點成為圖書館數字資源服務的新亮點[2]。因此，在元宇宙視域下，研究圖書館3D數字資源服務體系具有重要意義。

2 元宇宙與元宇宙中的3D數字資源

2.1 元宇宙概述

元宇宙是指一個基于虛擬的、三維空間的、具有自我意識和自我生長能力的多元宇宙。在元宇宙中，用戶可以通過虛擬現實技術體驗與現實不同的空間和時間維度，進行虛擬社交、娛樂、工作和學習等活動，并能在其中創造數字化的成果，擁有數字化的資產[3]。

元宇宙作為新興的技術領域，目前處于高速發展的階段。根據Gartner公司的預測，到2025年，元宇宙市場規模將超過兩萬億美元[4]。同時，全球范圍內的一些大型科技公司，如Facebook、谷歌和亞馬遜等，紛紛涉足元宇宙領域，加快了元宇宙的發展速度。元宇宙在虛擬現實、增強現實、人工智能、區塊鏈等領域的技術深度融合，為圖書館3D數字資源服務的發展提供了新的技術支撐。

2.2 元宇宙中3D數字資源的特點

3D數字資源是元宇宙中最基本的資源之一，它們可以是各種類型的物體、建筑、場景、道具等。這些資源由數字化工具創建而成，如CAD軟件、3D掃描儀、攝影機等。元宇宙中3D數字資源有以下幾個特點。

2.2.1 可視化和沉浸感

3D數字資源在元宇宙中最顯著的特點之一就是可視化和沉浸感。通過使用3D模型，用戶可以更加直觀地了解和探索虛擬空間中的對象和環境，這也為元宇宙的交互性和可玩性提出了更高的標準。以游戲行業為例，現在的游戲幾乎都支持3D模型渲染。隨著游戲畫質的提高和開放世界概念的出現，玩家能以更高的自由度來探索游戲中的世界，而3D模型的加入可以增加世界的真實感和交互性，提供更加沉浸式的游戲體驗。另外，3D模型也被廣泛應用在建筑和設計領域。通過使用3D模型，設計師可以更加精確地展示建筑、產品或其他物品的外觀和功能，使客戶可以更好地了解設計的細節和特點，進而更好地理解設計的價值。在醫學領域，醫生可以使用3D模型來模擬和研究人體器官及病理變化，進而更好地了解和治療相關疾病。同樣，汽車制造商可以使用3D模型來設計和測試汽車的外觀和性能，以提高產品的質量和競爭力。

2.2.2 高質量和高容量

元宇宙中的3D數字資源具有豐富的細節。通過使用3D建模軟件，設計師可以精確地捕捉并呈現對象的每一個細節，使其看起來更加真實、生動。同時，3D模型的數字化形式使得它們具有更高的精度和質量，這也為元宇宙的發展提供了可靠的基礎。通常元宇宙中高質量的3D數字資源通過5個方法生成：（1）攝影測量：從二維數據（即圖像）中提取三維測量值。基于GPU的處理技術，從物理對象或環境的多組傳統照片中快速重建3D表面網格，通過相關2D圖像的顏色信息或紋理圖來重組3D數字模型。（2）激光掃描：通過用激光快速掃描物體表面來采樣記錄真實世界物體或環境的精確三維信息，并通過頂點處的顏色信息表示表面顏色最終重組3D數字模型。（3）結構光：依靠投影光的變形來計算表面形狀，完成其幾何重建，實現3D數字模型生成。（4）基于參考信息建模：一種基于文檔、參考照片或其他關于現實世界的物體或地方信息來源的模型制作方法。模型通常在CAD（計算機輔助設計）軟件系統中創建。（5）CT掃描：也稱為計算機斷層掃描，利用從不同角度獲得的X射線測量值的計算機處理組合來產生被掃描物體的斷層圖像和體積數據，并以此生成3D數字模型。此外，隨著技術的發展，目前還出現了一種融合多種信息資源的多模態建模方式[5]。

綜上所述，3D數字資源通常是由大量的點、線、面等組成，數據量較大。同時，3D數字資源中可能包含多個對象、材質、顏色等信息，且這些信息之間存在復雜的關聯，從而造成3D數字資源數據量龐大，僅以人們熟知的電影《阿凡達2》中使用的3D數字資源為例，其素材數據總量約為18.5PB[6]。

2.2.3 可操作和可擁有

通過3D數字資源，用戶可以與數字文化遺產、科學研究、工程設計等信息資源進行更加直接、自由、靈活的交互。用戶可以自由地進行選擇視角、縮放、旋轉等操作，感受信息資源的真實性和魅力。用戶可以使用剪切工具將3D模型裁剪到特定的大小和形狀，還可以使用變形工具，如“扭曲”和“膨脹”，來修改3D模型的形狀，從而實現更多樣化的設計。

在元宇宙中，3D數字資源的可擁有性意味著某人可以成為該資源的合法所有者，擁有其使用權和控制權，同時，可擁有的特點使得它們成為元宇宙中非常重要的數字資產之一。目前，許多3D數字資源以NFT數字化藏品的形式在各種市場和平臺上進行交易，例如Nifty Gateway、SuperRare和KnownOrigin等去中心化市場，它們同時允許使用加密貨幣和智能合約來促成交易[7]。

3 圖書館3D數字資源服務的現狀與挑戰

3.1 現狀

目前，不少圖書館通過購買和自建的方式收集了相當數量的3D數字資源，主要包括建筑物模型、文物模型、生命科學模型、地質模型等。這些3D數字資源可以為用戶提供直觀的感知和體驗，主要用于文化遺產保護、科學研究、教育等多個領域。在自建3D數字資源時，圖書館不但已開始重視數字資源的質量管理，而且已著手制定包括資源生成、資源組織、資源保存等在內的3D數字資源全生命周期管理規范。以CARARE[8]和Europeana Data Mode[9]項目為例，項目詳細規范了應用攝影測量和激光掃描等方式進行數據采集及后期處量的技術程序，同時制定了4大類信息和二百多個元素的元數據模型，用于標識遺產資產、3D數字資源（數字資源的類型、格式和位置信息）、活動（遺產地發生的歷史事件）、收藏信息等，這些元數據能夠與Dublin Core元數據實現映射，在保證資源信息長期完整保存的同時，也為資源共享提供便利。同時，圖書館也在不斷探索不同的資源服務形式。

（1）在文化遺產保護方面，代表性的有3D-COFORM、Europeana、MayaArch3D等。項目將散落在各處的古代器物、遺跡進行高保真數字化，形成3D數字資源，并上傳到互聯網，供用戶參觀與研究。既為用戶提供了打破地域限制、近距離多角度觀看文物的可能，也有利于文化遺產的保護與研究。

（2）在科研服務方面，代表性的有NYC3Dcars項目[10]。它是由美國康奈爾大學圖書館建設的旨在為自動駕駛研究提供服務的項目，建立了地理背景下的3D車輛數據庫，其中包含車輛詳細的描述，包括完整的6個自由度的車輛姿態、車輛類型、3D車輛邊界框等。NYC3Dcars還集成了OpenStreetMap和NYC OpenData配套數據庫，以方便訪問道路、人行道和中間多邊形等地理特征以及道路網絡連接。研究人員可在NYC3Dcars內自由利用多個數據庫數據來搭建三維仿真實驗環境進行科學實驗，獲取科研數據。同時，NYC3Dcar還提供開源的檢測和分析軟件，為實驗結果的檢測、分析提供幫助。

（3）在教育方面，代表性的有MorphoSource項目[11]。該項目是由杜克大學圖書館聯合博物館共同參與的，建立以共享發現、促進人類知識進步和科學發現為宗旨的開放型數據庫，其中包含六萬多個生物樣本的3D數字模型，不但允許用戶在線瀏覽，幫助其更加直觀地了解事物，甚至還允許用戶下載完整的3D數字資源作為素材，成為自己研究內容或成果展示中的一部分。3D數字資源的優點在于能夠被不同學科背景的用戶輕松認知，因此在教育領域中發揮著越來越重要的作用。

綜上所述，圖書館對3D數字資源的管理和服務已積累一定經驗。在資源管理層面，通過制定資源全生命周期管理規范保證資源的高保真性、可共享和可操作性；在資源服務層面，圖書館主要通過構建3D數字模型庫和3D仿真實驗環境來支持文化遺產保護和教育科研。

3.2 挑戰

目前，圖書館3D數字資源服務達到元宇宙的要求還面臨著許多挑戰。

（1）3D數字資源的復雜性對圖書館工作人員的專業水平提出更高的要求。3D數字資源數據量大、數據格式多樣、數據關聯復雜。據不完全統計，比較廣泛使用的3D數字格式就有X3D、STL、OBJ、PLY、VRML、3D PDF、3DS、SURF、RAW、MESH、VGL、WRAP、MSH、OFF、HXSurface、SMB、GLTF、GLB等10多種，不同格式的數字資源可能需要使用不同的軟件進行編輯、處理和展示，甚至需要不同的硬件設備來支持其使用。

（2）3D數字資源缺乏統一的元數據標準。元數據是對數據的描述信息，包括數據的來源、格式、屬性等，是3D數據資源管理的重要組成部分。然而，當前缺乏統一的3D數據元數據標準，使得3D數據資源的描述和檢索變得困難。目前，業界用于著錄3D數字資源的元數據有Carare、VRA Core和Dublin Core。前兩者主要是用于網絡環境下描述器物、建筑等藝術類文物的可視化資源而建立的元數據標準，而Dublin Core則更傾向于描述2D數字資源。

（3）3D數字資源的存儲與安全。一方面，圖書館面臨更高的存儲成本問題，印第安納普渡大學印第安納波利斯分校剛開始收集3D數字資源，數據庫中只有幾百個3D數字化對象，卻已經有近2TB的數據量[12]。另一方面，3D數字資源的存儲安全、版權安全等也需要通過技術創新和管理創新來解決。

4 元宇宙視域下圖書館3D數字資源服務

4.1 元宇宙視域下圖書館3D數字資源服務發展趨勢

從元宇宙的發展趨勢來看，3D數字資源在未來的應用和發展雖然面臨著一些挑戰但也存在不少機遇。具體而言，圖書館3D數字資源服務的發展趨勢主要包括以下幾個方面。

（1）多樣化：隨著元宇宙的發展，用戶對于3D數字資源的需求也越來越多樣化。未來，圖書館需要針對不同學科領域的用戶需求，提供更加豐富、多樣化的3D數字資源服務，無論是在3D數字模型外觀表示，還是3D數字模型內在知識關聯方面都要結合學科視角提供資源服務。例如，文化遺產保護需要考慮歷史、文化、藝術等多方面因素，從還原歷史、提供最真實的數字復制品的角度提供3D數字資源服務；而科學研究和工程設計則需要考慮數學、物理、計算機科學等方面的因素，提供多視角、可操作的3D數字資源服務。

（2）開放共享：開放共享是未來圖書館3D數字資源服務發展的重要趨勢。圖書館需要加強與博物館、檔案館等資源存儲和服務機構的合作，促進3D數字資源的共享和交流，同時采用開放數據標準和共享平臺，提高3D數字資源的可訪問性和可重用性。

（3）技術創新：技術創新是推動圖書館3D數字資源服務發展的重要動力。未來，圖書館需要關注3D數字技術的最新發展，積極探索新的3D數字資源獲取、處理和展示技術，提高3D數字資源的質量和效果。

（4）用戶體驗：用戶體驗是未來圖書館3D數字資源服務發展的重要方向。圖書館需要通過提供更加優質、便捷的服務，提升用戶的體驗感和滿意度，從而增加用戶的使用信心和忠誠度。

4.2 元宇宙視域下圖書館3D數字資源服務體系構建

針對元宇宙視角下的圖書館3D數字資源應用與發展，建立一個完善的3D數字資源服務體系顯得尤為重要。

4.2.1 資源獲取與保存

圖書館主要通過兩種途徑獲取3D數字資源，分別是自建數字化項目和采購。自建數字化項目是指圖書館自身或與博物館、檔案館等文化資源機構合作將館藏資源數字化；采購則是直接向CGTrader、MyMiniFactory、TurboSquid等3D數字資源廠商購買[13]。自建數字化項目中應根據數字化采集需求和對象的不同，選擇3D掃描儀、攝像機、激光掃描儀、測繪儀等設備，采集中應詳細描述數字化采集的對象、采集方式、采集時間、采集地點、采集精度等信息并確保采集環境的穩定性，以確保最終生成的3D數字資源符合元宇宙對其質量和準確性方面的要求。同時，數字化采集的對象通常是博物館中的珍貴文物或其他文化遺產，因此需要注意保護其完整性，數字化采集過程中應該遵循相關的法律法規和倫理準則，避免侵犯文物權益和個人隱私。

高質量、高容量是元宇宙中3D數字資源的顯著特點，以往圖書館采用的本地化數字資源存儲方式已無法適應其要求，采用開源分布式存儲構架是其發展方向。以LAMP stack（Linux/Apache/MySQL/PHP）為基礎搭建的CollectiveAccess[14]3D數字資源儲存系統，正是采用這種構架，目前已被包括杜克大學圖書館在內的多家文化記憶機構采用。在存儲格式方面，X3D[15]和gITF[16]是目前被廣泛應用且較為成熟的標準。兩者均可基于API實現3D數字資源轉換與展示，支持跨平臺應用和網絡高速傳輸，能基本滿足元宇宙應用要求。

4.2.2 資源檢索

實現3D數字資源可檢索的關鍵在于，確立支持多學科深度標引的元數據模型和3D數字模型匹配方法。元宇宙中，3D數字資源一般是實體在虛擬空間的數字復制品，所以元數據中應包含以下內容：一是實體對象信息，包括實體類型、年代、尺寸、材質等；二是數字對象信息，包括數字對象形成技術方式、形成日期、資源生成者、資源存儲格式等；三是權利信息，包括實體資源所有者和數字資源所有者。此外，3D數字資源僅為空間幾何圖形，本身缺乏文字性描述，因此還需要準確且豐富的元素語義加以說明。通過收割圖書館中基于Dublin Core的數字資源，實現二者知識關聯，既有利于2D與3D數字資源的互操作，也有利于降低3D數字資源元數據的開發成本。在3D數字模型匹配方法層面，要探索利用該方法實現在元宇宙虛擬環境中的資源檢索，即通過數字模型的幾何、骨架等圖像特征信息進行圖像匹配，定位3D數字資源[17]。

4.2.3 場景化資源利用

在元宇宙中，圖書館可以利用3D數字資源構建虛擬服務場景[18]，給讀者全新的沉浸式服務體驗。一是可以構建一個不同于實體圖書館的虛擬圖書館，不但可以突破實體圖書館的物理空間限制，實現館藏資源的全面展示，而且可以重構圖書館布局，增加學科主題場館和游戲互動體驗區，增強圖書館的空間吸引力。二是開發虛擬閱讀資源，利用3D數字資源直觀展示、易于認知的優點，為抽象的文本描述提供場景化說明，降低讀者對知識理解的難度。三是利用3D數字資源開發虛擬數字人，圖書館既可以開發原生虛擬數字人作為虛擬館員開展網絡參考咨詢服務，也可以開發真人操作的虛擬數字人與讀者交流，增強知識講解時讀者的代入感。

4.2.4 版權保護

元宇宙中，3D數字資源可作為一種數字資產存在，因此，也對3D數字資源的版權保護提出了更高的要求。目前可用的3D數字資源版權保護技術有以下幾種：一是數字水印技術，即將與版權所關聯的信息轉化為高度不確定的圖像背景或神經網絡模型嵌入3D數字資源中，當圖像背景被截斷或平面幾何變換時，數字資源將無法顯示；二是遠程渲染技術，即用戶在對低分辨率的3D數字資源進行操作后，遠程服務端隨即傳送來與操作后狀態匹配的高分辨率3D數字資源[19]；三是利用區塊鏈技術，即利用其去中心化、可靠性、不可篡改性等特點創建分布式版本控制機制，實現對3D數字資源從產生到修改再到轉移的全過程記錄監督，為3D數字資源版權認證與交易提供技術支持，可以說區塊鏈技術是目前元宇宙背景下數字資源版權保護與交易最可行的方案[20]。

5 結語

筆者通過分析元宇宙的發展趨勢以及圖書館3D數字資源服務現狀和面臨的挑戰，提出了在元宇宙視域下圖書館3D數字資源服務體系的構建思路。可以看出，元宇宙為圖書館提供了一個全新的服務平臺，可以使得圖書館的3D數字資源服務更加豐富，滿足用戶的多樣化需求[21]。然而，元宇宙中3D數字資源服務的發展也面臨一些問題和挑戰。首先，3D數字資源的制作和處理需要專業的技術和設備，需要投入大量的人力和物力。其次，元宇宙服務的發展還需要合適的法律和政策環境，以保護知識產權和數據安全。最后，元宇宙的發展也需要人們對新技術的接受和認知，需要不斷地推廣和普及。

為了充分發揮圖書館在元宇宙資源服務中的作用，需要進一步研究和探索。未來的研究可以從以下幾個方面展開：一是開展3D數字資源的標準化和規范化研究，以提高數據的可用性和可持續性；二是探索3D數字資源的多樣化服務模式，以滿足用戶的不同需求；三是加強對元宇宙服務中知識產權和數據安全保護的研究和實踐，以確保服務的合法性和可信度。

元宇宙作為一種新興的服務模式，為圖書館3D數字資源服務的發展帶來了新的機遇和挑戰。圖書館應該緊跟時代發展，積極探索新的服務模式，加強技術研發和人才培養，以更好地服務用戶，推動圖書館事業的發展。