一種支持EPUB3.0標(biāo)準(zhǔn)的電子書閱讀軟件

胡 畔，王冬青

(華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院，廣州510631)

隨著云計(jì)算與移動(dòng)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，以及平板電腦、智能手機(jī)、電子書閱讀器等便攜式終端的普及，基于數(shù)字內(nèi)容云服務(wù)的移動(dòng)閱讀已成為許多人的日常行為之一. 與此同時(shí)，數(shù)字出版市場(chǎng)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)和擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)，已經(jīng)成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要內(nèi)容. 電子書是數(shù)字出版內(nèi)容服務(wù)的重要組成部分，它是指以數(shù)字形式制作、出版、存取和使用的出版物，通常需借助一定的閱讀軟件和電子設(shè)備進(jìn)行讀取. 電子書的生產(chǎn)與應(yīng)用涉及到格式標(biāo)準(zhǔn)、制作工具、閱讀軟件等一系列問(wèn)題. 不同企業(yè)出于保護(hù)自身商業(yè)利益與內(nèi)容資源等因素的考慮，各自支持的格式標(biāo)準(zhǔn)之間難以統(tǒng)一和兼容，導(dǎo)致內(nèi)容資源和閱讀系統(tǒng)重復(fù)開發(fā)問(wèn)題嚴(yán)重，已成為制約電子書產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一.

1 EPUB3.0 標(biāo)準(zhǔn)及閱讀軟件

1.1 EPUB3.0 標(biāo)準(zhǔn)特性

EPUB 是國(guó)際數(shù)字出版論壇IDPF(International Digital Publishing Forum)制定的開放電子書國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自發(fā)布以來(lái)獲得了眾多終端廠商、平臺(tái)開發(fā)商及主流出版商的支持與認(rèn)可，已逐漸成為開放電子書格式的主流標(biāo)準(zhǔn)［1］. IDPF 先后發(fā)布了多個(gè)EPUB版本，其中，EPUB2.0 得到了以E-Ink 技術(shù)為基礎(chǔ)的專用電子書閱讀器的普遍支持. 專用電子書閱讀器的主要優(yōu)勢(shì)是低功耗和視力保護(hù)，但同時(shí)存在不能支持動(dòng)態(tài)媒體格式、翻頁(yè)速度慢、交互性不強(qiáng)等缺陷［2］，EPUB2.0 也存在相應(yīng)的不足.

隨著平板電腦與智能手機(jī)的快速發(fā)展，其良好的動(dòng)態(tài)富媒體支持及自然人機(jī)交互體驗(yàn)對(duì)專用電子書閱讀器產(chǎn)生了很大沖擊. 面對(duì)終端設(shè)備和Web技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，IDPF 于2011年10月發(fā)布了EPUB3.0 標(biāo)準(zhǔn). EPUB3.0 是對(duì)原有EPUB2.0.1 版本的提升，基于HTML5、CSS3 及JavaScript 等Web技術(shù)，能夠支持豐富的數(shù)字化媒體、多樣的內(nèi)容布局、深度用戶交互以及動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)和響應(yīng). EPUB3.0的典型功能特性如下［3－4］:

1.1.1 豐富的媒體類型 EPUB3.0 支持HTML5中audio 和video 元素的所有功能和特性，可以為電子書提供音、視頻播放服務(wù). 此外，EPUB3.0 支持同步多媒體集成語(yǔ)言SMIL(Synchronous Multimedia Integrate Language)，能夠?qū)崿F(xiàn)文本顯示狀態(tài)與語(yǔ)音播放同步. EPUB3.0 還支持可縮放矢量圖形SVG(Scalable Vector Graphics)及數(shù)學(xué)標(biāo)記語(yǔ)言MathML等基于XML 的標(biāo)準(zhǔn).

1.1.2 強(qiáng)交互性 EPUB3.0 支持在HTML5 和SVG中應(yīng)用JavaScript 腳本語(yǔ)言，并能夠結(jié)合CSS3 實(shí)現(xiàn)豐富的動(dòng)畫效果與交互功能. 實(shí)質(zhì)上，可以將EPUB3.0電子書看作是一個(gè)Web 應(yīng)用程序.

1.1.3 關(guān)聯(lián)性 EPUB3.0 在元數(shù)據(jù)中引入了新的元素link，用于描述和關(guān)聯(lián)與出版物相關(guān)的資源.此外，EPUB3.0 制定了一套片段標(biāo)識(shí)符規(guī)范CFI(Canonical Fragment Identifier)，定義了使用CFI 鏈接出版物任意內(nèi)容的方式，使內(nèi)容獲取變得更加精細(xì)化.

1.1.4 豐富的語(yǔ)義表達(dá) EPUB3.0 支持HTML5提供的一些新元素如section、nav、aside 等，使標(biāo)記語(yǔ)言更加語(yǔ)義化. 此外，EPUB3.0 增加了epub:type等屬性用來(lái)變換所屬元素的語(yǔ)義，使電子書能夠更好地組織及定義文檔內(nèi)容，展現(xiàn)文檔結(jié)構(gòu)，提供便利的導(dǎo)航等.

1.2 EPUB3.0 電子書閱讀軟件現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)閱讀軟件都難以全面支持EPUB3.0 的功能特性. 為了推進(jìn)EPUB3.0 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，IDPF 及其支持者合作開發(fā)了開源閱讀軟件Readium［5］. 此外，Infogrid Pacific 與AEL Data 分別推出的跨平臺(tái)閱讀軟件AZARDI 和Lektz eBook Reader 都能夠較全面地支持EPUB3.0;香港應(yīng)用科技研究院開發(fā)的電子書閱讀軟件ASTRI-Bee 不僅能夠較好地支持EPUB3.0，還支持在線詞典、筆記標(biāo)注等學(xué)習(xí)輔助功能. 其他較為典型的EPUB3.0 閱讀軟件還包括Bluefire Productions 公司開發(fā)的Bluefire Reader，韓國(guó)Gitden 公司開發(fā)的Gitden Book Reader，Apps4Android 公司開發(fā)的IDEAL Group Reader 等.

美國(guó)圖書行業(yè)協(xié)會(huì)(BISG)2013年3月發(fā)布的最新調(diào)查報(bào)告“EPUB3 Support Grid”詳細(xì)分析了各主要廠商的產(chǎn)品(包括閱讀軟件、硬件終端及基于瀏覽器的在線閱讀平臺(tái))對(duì)EPUB3.0 的支持情況［6］. 表1列舉了該報(bào)告中部分較為典型的EPUB3.0 閱讀軟件及本研究所開發(fā)的EPUB3.0 Reader，分析對(duì)比了各閱讀軟件對(duì)EPUB3.0 主要功能特性和不同系統(tǒng)平臺(tái)的支持情況.

表1 主要EPUB3.0 閱讀軟件功能特性支持Table 1 The features of main EPUB3.0-supported reading softwares

2 電子書閱讀軟件的設(shè)計(jì)

2.1 閱讀軟件的系統(tǒng)架構(gòu)

電子書閱讀系統(tǒng)包括布署在云端的數(shù)字內(nèi)容服務(wù)平臺(tái)、閱讀軟件及終端設(shè)備等，構(gòu)成了“云服務(wù)+終端”的數(shù)字內(nèi)容服務(wù)模式. 圖1 為基于Android 平臺(tái)的EPUB3.0 電子書閱讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)是一個(gè)包含電子書上傳、管理、下載和解析等功能的綜合應(yīng)用平臺(tái)，數(shù)字內(nèi)容服務(wù)平臺(tái)的主要功能包括電子書存儲(chǔ)和管理等，EPUB3.0 Reader 的主要功能包括電子書內(nèi)容解析、渲染及瀏覽等.

圖1 電子書閱讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Structure block diagram of e-book reading system

針對(duì)當(dāng)前差異化的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，閱讀軟件EPUB3. 0 Reader 的開發(fā)采用基于瀏覽器的Web 應(yīng)用程序，既降低了開發(fā)成本，也有利于提高閱讀軟件多終端跨平臺(tái)的互操作性能. EPUB3.0 Reader 主要通過(guò)瀏覽器對(duì)電子書內(nèi)容文檔進(jìn)行解析渲染，也可以直接調(diào)用Android 系統(tǒng)的相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的訪問(wèn)和控制.

2.2 EPUB3.0 Reader 功能設(shè)計(jì)

EPUB3.0 Reader 的功能定位首先是對(duì)EPUB3.0標(biāo)準(zhǔn)提供盡可能全面的支持;其次是具備相應(yīng)的閱讀輔助功能，以及良好的用戶界面與閱讀體驗(yàn)等.

閱讀軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)EPUB3.0 標(biāo)準(zhǔn)的支持應(yīng)具備如下功能. 首先，能夠解析并驗(yàn)證EPUB3.0 文檔格式的規(guī)范性，具備針對(duì)格式不規(guī)范文檔的完善處理機(jī)制;其次，能利用瀏覽器引擎對(duì)EPUB3.0 封裝包的內(nèi)容文檔進(jìn)行渲染和呈現(xiàn)，包括對(duì)內(nèi)容文檔中EPUB3.0 新增元素與語(yǔ)義轉(zhuǎn)換屬性的支持;第三，支持SMIL、CFI 及MathML 等功能特性.

為提升用戶的閱讀與操控體驗(yàn)，軟件還要具備相應(yīng)的閱讀輔助功能. 第一，能夠?qū)ψ煮w大小、屏幕亮度等閱讀環(huán)境變量進(jìn)行設(shè)置;第二，提供便捷的導(dǎo)航服務(wù)，通過(guò)目錄、標(biāo)注及書簽等3 種方式定位并跳轉(zhuǎn)至鏈接內(nèi)容;第三，可以對(duì)選定文本進(jìn)行復(fù)制、筆記標(biāo)注、高亮標(biāo)記、分享、搜索和設(shè)置書簽等操作.

3 軟件的實(shí)現(xiàn)方法與核心算法

3.1 EPUB3.0 文檔的解析與處理

閱讀軟件主要基于JavaScript 語(yǔ)言及jQuery 框架開發(fā)，通過(guò)瀏覽器引擎對(duì)電子書內(nèi)容文檔進(jìn)行解析與渲染. EPUB3.0 文檔的解析與處理是實(shí)現(xiàn)閱讀軟件的關(guān)鍵，以下對(duì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)討論.

EPUB3.0 格式文檔以ZIP 壓縮格式儲(chǔ)存，擴(kuò)展名為epub，其文檔物理結(jié)構(gòu)如圖2 所示. mimetype文檔是壓縮包的第一個(gè)文檔，用于標(biāo)識(shí)文檔類型和封裝格式. container. xml 為META-INF 目錄下的必要文檔，主要用于指定OPF 文檔的路徑. META-INF目錄下還可以包含與數(shù)字簽名、文檔加密等功能相關(guān)的文檔. OPF 文檔即開放封裝格式文檔，它是EPUB 電子書資源組織與內(nèi)容處理的核心，通常與其他內(nèi)容資源統(tǒng)一存放于一個(gè)非通用名稱的文檔目錄中，圖2 中該文檔目錄名稱為Content.

圖2 EPUB3.0 電子書文檔結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure diagram of EPUB3.0 documents

閱讀軟件解析并處理EPUB3.0 文檔的基本流程如算法1 所示.

算法1

Setp1:解析mimetype 文檔以驗(yàn)證電子書文檔的MIME 類型，該文檔包含的文本內(nèi)容須為“application/epub+zip”.

Setp2:解析META-INF 文件夾下的container.xml文檔，獲取rootfile 標(biāo)簽的full-path 屬性，該屬性值指向OPF 文檔的存儲(chǔ)路徑.

Setp3:解析OPF 文檔，獲取書籍元數(shù)據(jù)、內(nèi)容資源清單、閱讀順序、內(nèi)容替代兼容方案等數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行相應(yīng)處理. 詳細(xì)討論見(jiàn)3.2.1.

Setp4:利用從OPF 文檔中獲取的數(shù)據(jù)信息，解析并處理各個(gè)內(nèi)容文檔并在閱讀器視窗中予以呈現(xiàn). 內(nèi)容文檔的解析和渲染是EPUB3.0 文檔解析的核心，詳細(xì)解析流程見(jiàn)3.2.2.

Setp5:結(jié)束.

3.2 核心算法

3.2.1 OPF 文檔的解析 OPF 文檔包含了書籍結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)及內(nèi)容處理方式等信息，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的XML 文檔. 文檔由根元素package 中包含的metadata、manifest、spine、bindings 等子元素組成. 其中，metadata 元素中包含了電子書的元數(shù)據(jù)信息;manifest 元素列出了EPUB 文檔中所有的內(nèi)容資源;spine 元素主要定義了電子書的閱讀順序;bindings元素實(shí)現(xiàn)了EPUB3.0 不支持的媒體類型與其對(duì)應(yīng)的處理器腳本之間的關(guān)聯(lián).

對(duì)OPF 文檔的解析具體流程如算法2 所示.

算法2

Setp1:解析package 根元素，驗(yàn)證文檔版本及元數(shù)據(jù)命名空間等信息.

Setp2:解析metadata 元素，獲取書籍元數(shù)據(jù)信息，包括書名、作者、標(biāo)識(shí)符、語(yǔ)言等.

Setp3:解析manifest 元素，獲取每項(xiàng)item 的屬性，并進(jìn)行相應(yīng)處理. 首先，通過(guò)href 屬性驗(yàn)證內(nèi)容資源文檔是否存在;其次，通過(guò)media-overlay 屬性將該資源文檔與對(duì)應(yīng)多媒體同步文檔之間建立映射，并對(duì)SMIL 文檔進(jìn)行解析與預(yù)處理.

Setp4:解析spine 元素，通過(guò)idref 屬性值建立itemref 標(biāo)簽與代表內(nèi)容資源的item 標(biāo)簽之間的關(guān)聯(lián)與映射.

Setp5:解析bindings 元素，獲取每一個(gè)mediaType 標(biāo)簽中handler 屬性與media-type 屬性的值，建立媒體類型與對(duì)應(yīng)處理腳本之間的關(guān)聯(lián)映射.

Setp6:結(jié)束.

3.2.2 內(nèi)容文檔的處理解析 EPUB3.0 電子書的內(nèi)容文檔類型包括xhtml 文檔、導(dǎo)覽文檔和SVG 文檔等. 除xhtml 文檔以外，其他類型文檔的處理均比較簡(jiǎn)單，閱讀軟件對(duì)xhtml 文檔的解析流程如圖3 所示.

圖3 xhtml 文檔解析流程Figure 3 Parsing process of the xhtml documents

閱讀軟件在提取內(nèi)容文檔數(shù)據(jù)并加載至頁(yè)面框架后，如果判斷該文檔為xhmtl 類型，則進(jìn)行如下處理.

首先，加載MathJax 數(shù)學(xué)公式庫(kù). MathJax 是一個(gè)開源并基于Ajax 的數(shù)學(xué)公式顯示解決方案，可以將MathML 渲染生成為Web 頁(yè)面中的數(shù)學(xué)符號(hào)和公式.當(dāng)閱讀軟件檢測(cè)到xhtml 文檔中包含MathML 時(shí)，將在文檔head 元素中加入MathJax 庫(kù)的引用鏈接，即可由MathJax 實(shí)現(xiàn)對(duì)MathML 的自動(dòng)渲染與處理.

其次，處理bindings 元素. 當(dāng)閱讀系統(tǒng)檢測(cè)到xhtml 文檔中存在無(wú)法支持的媒體對(duì)象時(shí)，將查找bindings 元素中的每一個(gè)mediaType 標(biāo)簽項(xiàng)，確定是否定義了該媒體類型的處理器，并利用handler 屬性關(guān)聯(lián)至相應(yīng)處理腳本文檔進(jìn)行處理操作.

最后，閱讀系統(tǒng)對(duì)epub:switch 元素、epub:trigger 元素和epub:type 屬性的處理方式基本一致，即依據(jù)EPUB3.0 的規(guī)范與釋義，查找xhtml 文檔中以上各個(gè)標(biāo)簽，并替換為瀏覽器引擎能夠識(shí)別和渲染的腳本片段. epub:switch 元素可根據(jù)閱讀系統(tǒng)所具備功能條件的不同而調(diào)整呈現(xiàn)的內(nèi)容，以增強(qiáng)電子書與不同閱讀軟件的兼容性;epub:trigger 元素可以將某一對(duì)象事件與媒體對(duì)象的播放動(dòng)作進(jìn)行關(guān)聯(lián);epub:type 屬性可變換所屬標(biāo)簽的語(yǔ)義信息，語(yǔ)義信息包括書籍章節(jié)、術(shù)語(yǔ)表、注釋和引用等.

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)片段標(biāo)識(shí)符規(guī)范原理分析 標(biāo)準(zhǔn)片段標(biāo)識(shí)符規(guī)范EPUBCFI(EPUB Canonical Fragment Identifier)提供了一種通用可跨平臺(tái)互操作的文檔片段標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn). 閱讀系統(tǒng)利用EPUBCFI 能夠?qū)hmtl文檔中任意對(duì)象精確標(biāo)識(shí)，包括文本、圖像、音頻及視頻，并且可以精確標(biāo)識(shí)到圖像(或視頻畫面)中的坐標(biāo)位置以及音頻(或視頻)播放的時(shí)間點(diǎn). 在電子書中應(yīng)用這一技術(shù)可以便捷地實(shí)現(xiàn)書簽、標(biāo)注和筆記等內(nèi)容的標(biāo)識(shí)定位，并可將注釋內(nèi)容導(dǎo)出和分享.

以下以一個(gè)文檔實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明CFI 的算法［7］.

圖4 示例文檔“cfitest.xhtml”Figure 4 An example of xhtml document

圖4 所示的示例文檔中，p 元素中文本‘a(chǎn)’的EPUBCFI 標(biāo)識(shí)符如例1 所示.

例1 cfitest.xhtml#epubcfi(/2/4［ebook］/4/1:12)

例1 中，‘#’前面為內(nèi)容片段所在的文檔名稱“cfitest.xhtml”，“epubcfi()”括號(hào)內(nèi)為尋址路徑. 尋址路徑以‘/’為分隔符，‘/’后面的數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)序號(hào)，節(jié)點(diǎn)序號(hào)后方括號(hào)內(nèi)為該節(jié)點(diǎn)id. 最后部分為具體位置信息.

EPUBCFI 規(guī)范將節(jié)點(diǎn)分為文本節(jié)點(diǎn)與DOM 節(jié)點(diǎn)兩類，其中文本節(jié)點(diǎn)是指出現(xiàn)在第1個(gè)DOM 節(jié)點(diǎn)之前，最后1個(gè)DOM 節(jié)點(diǎn)之后以及2個(gè)DOM 節(jié)點(diǎn)之間的文本內(nèi)容. 2 種類型的節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)形式不同，文本節(jié)點(diǎn)類型從1 開始以奇數(shù)計(jì)數(shù)(如:1，3，5，…)，DOM 節(jié)點(diǎn)類型從2 開始以偶數(shù)計(jì)數(shù)(如:2，4，6，…)，其他類型的節(jié)點(diǎn)不計(jì)算在內(nèi).

最后部分為標(biāo)識(shí)對(duì)象的具體位置，根據(jù)對(duì)象類型不同所采用的分隔符及表示方式也不相同. 其中，文本對(duì)象以‘:’分隔，后跟從0 開始計(jì)數(shù)的數(shù)字表示文本位置;圖像對(duì)象以‘@’分隔，后跟逗號(hào)分隔的坐標(biāo)位置，如“@67.27，44.33”，圖像左上角坐標(biāo)為(0，0)，右下角坐標(biāo)為(100，100);音頻對(duì)象以‘～’分隔，后跟當(dāng)時(shí)音頻播放的時(shí)間點(diǎn)，如“～23.3”，單位為秒;視頻對(duì)象則結(jié)合時(shí)間和空間標(biāo)識(shí)，例如“～21.25@30.24，15.12”，即表示該視頻第21.25 秒畫面的(30.24，15.12)坐標(biāo)處.

例1 所示標(biāo)識(shí)符“epubcfi()”括號(hào)內(nèi)從左至右各個(gè)數(shù)字表示的含義如下:

‘2’:第1個(gè)DOM 節(jié)點(diǎn)＜html ＞;

‘4’:＜html ＞節(jié)點(diǎn)下的第2個(gè)DOM 節(jié)點(diǎn)＜body id=ebook ＞;

‘4’:＜body id=ebook ＞節(jié)點(diǎn)下的第2個(gè)DOM節(jié)點(diǎn)＜p ＞;

‘1’:＜p ＞節(jié)點(diǎn)下的第1個(gè)文本節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)容為:“節(jié)點(diǎn)p 下的第1個(gè)文本節(jié)點(diǎn)a”;

‘12’:文本節(jié)點(diǎn)中第13個(gè)字符‘a(chǎn)’.

4 結(jié)論與展望

本研究提出了一個(gè)基于瀏覽器引擎的EPUB3.0電子書閱讀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了電子書的解析與處理流程，并對(duì)xhmtl 文檔的解析及EPUBCFI的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題進(jìn)行了深入分析與探討. 所實(shí)現(xiàn)的閱讀系統(tǒng)能夠支持EPUB3.0 的基本特性與功能，具備良好的UI 界面和交互功能.

后續(xù)研究工作將進(jìn)一步完善閱讀軟件的功能，包括支持更全面的EPUB3.0 語(yǔ)義屬性，提升對(duì)不規(guī)范格式文檔的兼容性等;其次，在閱讀軟件中增加閱讀過(guò)程追蹤模塊，記錄用戶閱讀時(shí)間、交互操作等數(shù)據(jù)，并分析用戶閱讀行為與偏好，對(duì)閱讀軟件功能進(jìn)行改進(jìn)與調(diào)整.

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