丁鑫

（南京圖書館，江蘇 南京 210002）

大數(shù)據(jù)環(huán)境下圖書全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理研究

丁鑫

（南京圖書館，江蘇 南京 210002）

隨著“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的到來(lái)，各種信息數(shù)據(jù)量劇增，原有的圖書數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式由于其自身固有的缺點(diǎn)，已無(wú)法適應(yīng)這種大趨勢(shì)。全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新穎存儲(chǔ)技術(shù)，具有較高的存儲(chǔ)密度及數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)比分析數(shù)字圖書館相對(duì)于傳統(tǒng)圖書館的先進(jìn)性，并結(jié)合全息存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),闡述了將全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)用于數(shù)字圖書館建設(shè)的應(yīng)用前景。

大數(shù)據(jù) 全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)字圖書館

1 引言

信息技術(shù)作為一種新興和極具生命力的技術(shù)正在不斷地滲透到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活等各個(gè)領(lǐng)域。移動(dòng)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等一系列新興技術(shù)手段的涌現(xiàn)促進(jìn)了社交媒體等新型應(yīng)用模式的發(fā)展，進(jìn)而拓展著人類創(chuàng)造和利用信息的范圍和形式。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司的數(shù)字宇宙研究報(bào)告稱：2011年全球被創(chuàng)建和復(fù)制的數(shù)據(jù)總量超過 1.8ZB，且增長(zhǎng)趨勢(shì)為大約每?jī)赡攴环?，預(yù)計(jì)2020年全球數(shù)據(jù)總量將達(dá)35ZB。與此相對(duì)應(yīng)的是，數(shù)據(jù)的復(fù)雜性特征也日漸增多。例如，現(xiàn)在每天我們都能接觸到音像、圖片、視頻等多種多樣的數(shù)據(jù)資源，這就是數(shù)據(jù)的多樣性；而我們還要及時(shí)地接收、處理、利用這些資源，這又迫切需要數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性。在各種信息輪番轟炸的網(wǎng)絡(luò)上，不見得所有的數(shù)據(jù)都是我們所需要的，所以我們還需要對(duì)其進(jìn)行挑選，這無(wú)疑會(huì)耗費(fèi)我們的精力。數(shù)據(jù)的瘋狂增長(zhǎng)及復(fù)雜性的增多意味著“大數(shù)據(jù)”時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

長(zhǎng)期以來(lái)，圖書作為寶貴的知識(shí)和人類精神文明的載體，系統(tǒng)地收集、整合、儲(chǔ)存了十分豐富的信息資源。在當(dāng)今信息化高度發(fā)展和人類迫切需要分享信息的社會(huì)，依附于圖書的大量可利用數(shù)字資源，需要進(jìn)行完備的保存。并且，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如火如荼地發(fā)展，圖書也逐漸呈現(xiàn)出信息資源數(shù)字化、信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化、信息利用共享化的發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)構(gòu)建數(shù)字圖書館所要利用的存儲(chǔ)技術(shù)提出了很高的要求，即存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)容量要能夠滿足更多多媒體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。而當(dāng)今的數(shù)字資源多種多樣，并且需要長(zhǎng)久、完好地保存，但對(duì)其的保存在某個(gè)大范圍內(nèi)并無(wú)固定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，于是，為了完成構(gòu)建數(shù)字圖書館這一重要戰(zhàn)略任務(wù)，解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及利用問題已迫在眉睫。

全息存儲(chǔ)（Holographic Memory）是一項(xiàng)非常新穎的大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)，它是基于激光干涉技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，存儲(chǔ)載體為感光介質(zhì)。近年來(lái)，隨著新型全息存儲(chǔ)材料的不斷涌現(xiàn)、相關(guān)光電子元器件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸發(fā)展，數(shù)字全息存儲(chǔ)技術(shù)在世界范圍內(nèi)引發(fā)了研究熱潮。

2 數(shù)字圖書館的先進(jìn)性

伴隨著全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快，人們獲取、分享信息的手段也發(fā)生了顯著的變化，越來(lái)越多的人們開始喜歡足不出戶就可以購(gòu)物、訂餐、辦公、開視頻會(huì)議及在網(wǎng)上瀏覽和下載更多的信息資源。無(wú)疑，傳統(tǒng)圖書館并不能滿足人們的這些需求，而數(shù)字圖書館則能通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將圖書數(shù)字資源在更廣范圍內(nèi)共享，進(jìn)而滿足人們的需求。因此，數(shù)字圖書館是傳統(tǒng)圖書館發(fā)展的一個(gè)必定方向，它作為一種嶄新的圖書館模式，其相對(duì)于傳統(tǒng)圖書館的先進(jìn)性如下。

2.1 存儲(chǔ)載體更加多樣化

傳統(tǒng)圖書館的存儲(chǔ)載體比較單一，主要以紙質(zhì)載體為主，紙質(zhì)載體主要有報(bào)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(zhì)載體還需分類保存，這意味著必須要有一定的保存設(shè)施，如書柜、桌椅等。而傳統(tǒng)圖書館所需要的空間住址和保存設(shè)施無(wú)疑是成本的主要來(lái)源之一。此外，如果讀者借閱紙質(zhì)書籍資料次數(shù)過多，或翻閱時(shí)間過長(zhǎng)，都難免會(huì)使紙張出現(xiàn)破損、殘缺的現(xiàn)象，從而影響其他人享用此類書籍資料時(shí)的舒適性以及造成紙質(zhì)書籍資料的使用壽命變短。

而數(shù)字圖書館的存儲(chǔ)載體與傳統(tǒng)圖書館大不相同，主要有錄音帶、磁盤、光盤及多種多樣的數(shù)字化、電子化裝置等，其存儲(chǔ)介質(zhì)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(shù)據(jù)信息。信息檢索手段也隨著存儲(chǔ)技術(shù)的與時(shí)俱進(jìn)而變得愈加智能化，讀者可以獲得更為活潑、具體、生動(dòng)的信息。

2.2 服務(wù)更加便捷

傳統(tǒng)圖書館的一個(gè)顯著標(biāo)志是物理的圖書館建筑，讀者享受的服務(wù)必然局限于特定的時(shí)間空間內(nèi)；相比之下，數(shù)字圖書館對(duì)讀者的服務(wù)則是基于一個(gè)龐大的通過寬帶高速互連的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它所提供的信息資源來(lái)源更廣，或整合了一個(gè)國(guó)家的眾多圖書館資源，或按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將不同地域甚至是全世界可利用的信息資源收集、存儲(chǔ)與管理起來(lái)。只要有網(wǎng)絡(luò)遍布并且獲得數(shù)據(jù)庫(kù)訪問許可的地方，圖書館都可為讀者提供信息服務(wù)。換句話說(shuō)，讀者在享受數(shù)字圖書館的服務(wù)時(shí)，能夠不受空間和時(shí)間制約，這樣極大地方便了讀者的學(xué)習(xí)與工作。數(shù)字圖書館對(duì)讀者提供的服務(wù)更為便捷，更能順應(yīng)時(shí)代的發(fā)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(tǒng)圖書館管理員主要負(fù)責(zé)收集、整理、保存、傳播文獻(xiàn)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(huì)文化傳播者的角色；而數(shù)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(xiàn)信息的導(dǎo)航員。借助于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的廣泛性和便捷性，數(shù)字圖書館管理員可以隨時(shí)更新各種圖書、文獻(xiàn)等資源信息，并且提供便捷的多媒體遠(yuǎn)程數(shù)字信息以引導(dǎo)讀者。因此，他們扮演的角色也由被動(dòng)的文化工作者轉(zhuǎn)變成了主動(dòng)的教育工作者。由此可見，數(shù)字圖書館更能對(duì)人們“投其所好”。

3 全息存儲(chǔ)技術(shù)及其在數(shù)字圖書館的應(yīng)用前景

面對(duì)“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來(lái)，圖書館對(duì)信息的需求量越來(lái)越大，人們對(duì)文本、聲、光、圖像、影視等數(shù)字信息的獲取與傳輸需求也越來(lái)越迫切，進(jìn)而對(duì)信息存儲(chǔ)、處理的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的光盤存儲(chǔ)和磁盤存儲(chǔ)等技術(shù)手段已達(dá)到其技術(shù)瓶頸，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的發(fā)展潮流。就在傳統(tǒng)圖書館其固有存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)無(wú)法打破自身局限時(shí)，全息存儲(chǔ)技術(shù)作為一種極具高效能和前瞻性的技術(shù)呼之欲出。全息存儲(chǔ)技術(shù)具有高存儲(chǔ)容量、高讀寫速率、可并行尋址、便于長(zhǎng)期保存和拷貝復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。下面將對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)及在數(shù)字圖書館的應(yīng)用前景進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 全息存儲(chǔ)技術(shù)的基本知識(shí)介紹

自 Dennis Gabor20 世紀(jì) 80年代提出了全息術(shù)，全息存儲(chǔ)（Holographic Memory）這一概念就進(jìn)入了人們的視野。全息存儲(chǔ)的技術(shù)原理是基于全息術(shù)，即先以全息照相的方式存儲(chǔ)信息，然后通過兩個(gè)光波之間的耦合和解耦合，結(jié)合信息存儲(chǔ)和信息之間的比較（相關(guān)）、識(shí)別，甚至聯(lián)想的功能，即將信息存儲(chǔ)和信息處理結(jié)合起來(lái)。超高密度是全息存儲(chǔ)技術(shù)最為令人矚目的優(yōu)點(diǎn)，可以打個(gè)形象的比方來(lái)說(shuō)明，1500張CD光盤的數(shù)據(jù)總和大小約為1TB（1TB=1024GB），而如此龐大的數(shù)據(jù)可以完全存儲(chǔ)在與一個(gè)糖塊大小相當(dāng)?shù)奶厥饬⒎襟w中。另外，通過控制芯片具有的超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，全息存儲(chǔ)技術(shù)可以拓展提供高達(dá)1000TB的容量。這個(gè)容量是目前硬盤所具有的最大容量750GB的數(shù)倍。自2004年全息通用光盤（HVD）面世后，全息技術(shù)開始轉(zhuǎn)向低成本，并逐步向消費(fèi)者普及。近年來(lái)，全息存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展伴隨著光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而呈現(xiàn)出高速發(fā)展的勢(shì)頭。

3.2 全息存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 容量高

全息存儲(chǔ)具有較高的存儲(chǔ)容量。在全息存儲(chǔ)材料上形成的是體積全息圖，那么存儲(chǔ)介質(zhì)越厚，其存儲(chǔ)的容量也會(huì)越大。光束的波面位相、波長(zhǎng)和入射角度都會(huì)影響體積全息圖的再現(xiàn)。因此，可通過改變光束的波面位相、波長(zhǎng)和入射角度來(lái)實(shí)現(xiàn)在同一存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)多重全息圖。使盡可能多的全息圖存儲(chǔ)在同一介質(zhì)中，能夠增加存儲(chǔ)密度，因此這是提高全息存儲(chǔ)容量的有效途徑。為此，我們已開發(fā)了混合復(fù)用共同體積、混合服用材料面積及復(fù)用空間技術(shù)來(lái)幫助提高存儲(chǔ)密度。

3.2.2 讀寫速率快

傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)存取數(shù)據(jù)采用的方式是：按“位”操作，以串行方式逐點(diǎn)存取數(shù)據(jù)。而與傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)存取數(shù)據(jù)的方式不同，全息存儲(chǔ)技術(shù)是采用“頁(yè)面”方式并行來(lái)記錄和讀出。以頁(yè)為單位存儲(chǔ)和利用內(nèi)在的并行性來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)，其讀出數(shù)據(jù)率達(dá)到1GBPs。全息數(shù)據(jù)庫(kù)由于可以用參考光束的空間位相調(diào)制或無(wú)慣性的光束偏轉(zhuǎn)等非機(jī)械手段進(jìn)行尋址而不必采用傳統(tǒng)光盤存儲(chǔ)必須采用的機(jī)電式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，因而具有較高的讀寫速率。信息以頁(yè)為單位，并行讀寫。

3.2.3 可靠性高

對(duì)于傳統(tǒng)的光盤存儲(chǔ)或磁存儲(chǔ)，如果存儲(chǔ)介質(zhì)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(chǔ)中，所采用的全息存儲(chǔ)材料具有良好的穩(wěn)定存儲(chǔ)性能，即使存儲(chǔ)載體局部有缺陷或部分損壞，雖然清晰度會(huì)有所下降，但仍不妨礙讀出已存儲(chǔ)的全部數(shù)據(jù)。例如，銀鹽記錄載體是一種很熱門的全息存儲(chǔ)材料，其保存壽命經(jīng)前人研究證實(shí)，可達(dá)數(shù)百年以上。

3.2.4 具有關(guān)聯(lián)尋址功能

全息存儲(chǔ)器具有的尋址功能與產(chǎn)生的不同方向的“參考光”有關(guān)。對(duì)于塊狀角度復(fù)用體全息存儲(chǔ)，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(chǔ)的多重全息圖后將被識(shí)別而讀出。輸入圖像及其對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)圖像之間有一定相似程度，而各“參考光”的強(qiáng)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(qiáng)度最大的“參考光”讀出目標(biāo)數(shù)據(jù)頁(yè)。這就是所謂的關(guān)聯(lián)特性，利用此特性，全息存儲(chǔ)器才具有了關(guān)聯(lián)尋址功能。該功能對(duì)基于圖像相關(guān)運(yùn)算的數(shù)字圖書館的檢索與管理應(yīng)用方面影響匪淺。此外，“參考光”可采用聲光、電光等，系統(tǒng)可獲得一個(gè)很快的尋址速度，這可大大降低數(shù)據(jù)訪問時(shí)間。

3.3 制約全息存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的因素

全息存儲(chǔ)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)有目共睹，即高存儲(chǔ)量、較高的存儲(chǔ)可靠性和高傳輸速率等，但其具有的缺點(diǎn)從某種程度上也限制了它的實(shí)際應(yīng)用范圍，因此不容小覷。下面將制約全息存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的因素一一介紹。

3.3.1 不易抑制的噪音干擾

全息存儲(chǔ)讀取數(shù)據(jù)過程中難免會(huì)產(chǎn)生噪聲，這將會(huì)干擾全息存儲(chǔ)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(jìn)行解碼，進(jìn)而影響全息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。面對(duì)這個(gè)難題，Optware和InPhase公司采用的解決辦法是，通過糾錯(cuò)和編碼方式來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這是目前抑制噪音干擾的一個(gè)有效做法，但也造成了另一個(gè)附加難題即讀寫速度受到限制。此外，產(chǎn)生的噪聲干擾還會(huì)降低可使用的存儲(chǔ)容量。例如，探測(cè)器發(fā)出的噪聲干擾可能會(huì)使全息圖難以讀出，進(jìn)而導(dǎo)致全息存儲(chǔ)容量受到直接影響。

3.3.2 對(duì)震動(dòng)和溫度太敏感

除了難以抑制噪聲這一難題，全息存儲(chǔ)對(duì)震動(dòng)和溫度特性也相當(dāng)敏感。在全息驅(qū)動(dòng)器讀取數(shù)據(jù)過程中，光盤的旋轉(zhuǎn)無(wú)可避免地會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，而略微的震動(dòng)也會(huì)很容易導(dǎo)致全息成像出現(xiàn)誤差。因此全息驅(qū)動(dòng)器要保證讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須依賴具有較大體積和更為復(fù)雜的避震系統(tǒng)。這從一定程度上導(dǎo)致了全息驅(qū)動(dòng)器成本的居高不下。

3.3.3 價(jià)格較高

目前，全息存儲(chǔ)光盤雖然具有超大存儲(chǔ)容量、超高存儲(chǔ)密度和較快的存取速度等誘人的優(yōu)點(diǎn)，但其較高的生產(chǎn)成本所導(dǎo)致的高價(jià)格還是讓眾多用戶望而卻步。由此可見，全息存儲(chǔ)光盤如果想在未來(lái)市場(chǎng)上占有一席之地，高價(jià)格是要突破的瓶頸。

3.4 全息存儲(chǔ)技術(shù)在數(shù)字圖書館的應(yīng)用

數(shù)字圖書館是未來(lái)人類精神文明建設(shè)發(fā)展的重要載體和催化劑，是傳統(tǒng)圖書館的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)，為了方便存儲(chǔ)與管理海量數(shù)據(jù)，并保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的快捷性和準(zhǔn)確性，數(shù)字圖書館勢(shì)必要構(gòu)建更廣闊的信息存儲(chǔ)平臺(tái)以適應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：在數(shù)字圖書館的建設(shè)中，我們發(fā)現(xiàn)很多數(shù)字信息的存儲(chǔ)、傳輸與檢索速度都不能達(dá)到人們的要求，因此能夠在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸與檢索速度方面取得突破的全息存儲(chǔ)技術(shù)便受到了人們的廣泛關(guān)注。一個(gè)龐大的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量能夠達(dá)到PB級(jí)。在數(shù)字圖書館的應(yīng)用方面，全息存儲(chǔ)根據(jù)存儲(chǔ)對(duì)象或存儲(chǔ)材料具體可分為3種類型：圖像全息存儲(chǔ)、數(shù)字全息存儲(chǔ)、三維盤式全息存儲(chǔ)。

3.4.1 圖像全息存儲(chǔ)

傳統(tǒng)的圖像掃描技術(shù)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(diǎn)，而圖像全息存儲(chǔ)技術(shù)能夠克服以上缺點(diǎn)，對(duì)數(shù)字圖書館原印刷版的圖像數(shù)據(jù)信息達(dá)到最佳的保留效果。

3.4.2 數(shù)字全息存儲(chǔ)

數(shù)字全息存儲(chǔ)器能夠在整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速搜索內(nèi)容是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。用戶能夠根據(jù)需要的內(nèi)容對(duì)數(shù)字圖書館里的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

3.4.3 三維盤式全息存儲(chǔ)

三維盤式全息存儲(chǔ)的方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高密度和大容量的存儲(chǔ)，其在全息光盤上記錄的數(shù)據(jù)形式是傅里葉變換全息圖，也即每個(gè)信息頁(yè)面是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(duì)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(jìn)行全息圖記錄和讀出時(shí)，參考光和照明光的角度都無(wú)需再調(diào)整設(shè)置。對(duì)于尋址，盤面旋轉(zhuǎn)能夠完成同一軌道內(nèi)全息圖的尋址即切向?qū)ぶ?；讀寫光學(xué)系統(tǒng)與盤面的相對(duì)平動(dòng)能夠完成對(duì)不同軌道的尋址即徑向?qū)ぶ贰?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

全息光存儲(chǔ)的發(fā)展雖然伴隨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但與傳統(tǒng)的光盤、硬盤存儲(chǔ)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)以及近年來(lái)比較熱門的光存儲(chǔ)技術(shù)相比，其特有的超大存儲(chǔ)容量、超高存儲(chǔ)密度和極快的存取速度等優(yōu)點(diǎn)仍吸引著人們?cè)趫D書全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方面不斷地開發(fā)、探索與研究。全息光存儲(chǔ)的研制方向即朝著實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)容量達(dá)到TB量級(jí)和數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1Gbps邁進(jìn)。相信隨著新型存儲(chǔ)材料的推陳出新和關(guān)鍵器件的研發(fā)，將全息光存儲(chǔ)應(yīng)用于數(shù)字圖書館的建設(shè)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(shè)與服務(wù)。

TP333

2014-05-15；責(zé)編：王天泥。）