元宇宙關鍵技術與產業(yè)發(fā)展初探

文/龔 雷（合肥市科學技術局）

一、引言

元宇宙是數字技術融合發(fā)展到一定階段的產物，其衍變過程對人們的生產生活方式和社會形態(tài)的變革都具有重大影響。2021 年3 月，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年（2021—2025 年）規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》提出，“加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革。”2022 年以來，安徽省委、省政府高度重視元宇宙技術與產業(yè)發(fā)展，召開工作專題會，要求相關部門盡快形成關于安徽省元宇宙技術與產業(yè)的研究報告。合肥市在2022 年政府工作報告中提出，瞄準元宇宙等前沿領域，用未來產業(yè)贏得城市未來。

二、元宇宙的概念

元宇宙（Metaverse）由Meta（超越）和Universe（宇宙）兩部分組成，從字面上來看就是“超越宇宙”。1992年，美國科幻小說《雪崩》中首次提及“元宇宙”[1]，它是一個計算機生成的宇宙，故事中的主人公白天是普通的送貨員，晚上則化身為虛擬世界“元宇宙”中的超級英雄。

在互聯(lián)網領軍企業(yè)眼中，F(xiàn)acebook 認為元宇宙是一個融合了虛擬現(xiàn)實技術，用專屬硬件設備打造的具有超強沉浸感的社交平臺；阿里認為元宇宙是允許商家自行搭建的3D 購物空間，能夠提供云逛街的全新購物體驗；騰訊認為元宇宙是獨立于現(xiàn)實世界的虛擬數字世界，用戶可以用新的身份開啟新的生活，并將其稱為“全真互聯(lián)網”。

在業(yè)內大多數專家眼中，元宇宙不完全是游戲，因為通過數據孿生技術可將現(xiàn)實場景映射到元宇宙，通過物聯(lián)網等技術可在元宇宙中對現(xiàn)實世界進行操控；元宇宙不完全是虛擬空間，元宇宙能夠在沉浸式體驗基礎上，與現(xiàn)實世界進行交流與互動，使得虛擬與現(xiàn)實的邊界越來越模糊；元宇宙應該是去中心化的，沒有絕對的壟斷與權威。

在大眾媒體眼中，元宇宙是既獨立于現(xiàn)實世界又和現(xiàn)實世界相關的沉浸式數字世界，擁有能帶來實際價值的經濟系統(tǒng)，每個人都可以在其中進行自由的創(chuàng)作和創(chuàng)造。

總體來看，元宇宙是通過大量數字技術，在現(xiàn)實世界基礎上搭建的、承載虛擬活動的平臺，與現(xiàn)實世界耦合關聯(lián)，能夠提供豐富的消費內容、公平的創(chuàng)作環(huán)境、可靠的經濟系統(tǒng)，能夠在其中進行社交、娛樂、創(chuàng)作、教育、交易等活動。

三、元宇宙的關鍵技術

元宇宙涉及的關鍵技術非常多，其中，虛擬現(xiàn)實、腦機接口等技術為元宇宙提供真實的沉浸感；人工智能為元宇宙提供內容生成邏輯；云計算為元宇宙提供算力基礎；數字孿生技術為元宇宙提供現(xiàn)實世界的鏡像；5G、物聯(lián)網等新一代互聯(lián)網技術為元宇宙提供即時通信與操控，實現(xiàn)元宇宙與現(xiàn)實世界的融合；區(qū)塊鏈技術、數字貨幣技術為元宇宙提供信任基礎與交易基礎，用于搭建元宇宙的經濟體系。

1.技術路線之爭

元宇宙的概念模糊不清，核心問題在于存在兩條實現(xiàn)路徑之爭[1]。一是互聯(lián)網派，以互聯(lián)網科技巨頭為代表，他們希望在已有產品上實現(xiàn)從互聯(lián)網到元宇宙的過渡，如果能將現(xiàn)有用戶直接轉化為元宇宙用戶，就能夠直接站在元宇宙的風口。二是區(qū)塊鏈派，以以太坊（開源的公共區(qū)塊鏈平臺）為代表，其核心要點是“去中心化”治理，以“數字身份”“加密經濟”“稀缺比特”“跨鏈傳輸”等作為元宇宙內核來設計產品，關注的重點是經濟基礎。

互聯(lián)網派與區(qū)塊鏈派都各有優(yōu)勢與不足。對于互聯(lián)網派而言，內容和應用非常豐富，但中心壟斷、數據隱私等問題一直被人們所詬病。例如，社交媒體現(xiàn)在基本都是被互聯(lián)網巨頭所壟斷的，以俄烏戰(zhàn)爭為例，俄羅斯明顯處于輿論戰(zhàn)的下風，因為像Facebook、Twitter 等社交媒體完全切斷了俄羅斯的發(fā)聲渠道，所以也就出現(xiàn)了俄羅斯和西方國家在中國微博上爭論的有趣場景；對于區(qū)塊鏈派而言，可靠性與安全性是其最大的優(yōu)勢，但存在的問題主要是內容匱乏、應用場景少，像“比特幣挖礦”等并未得到廣泛認可，基于區(qū)塊鏈的交易系統(tǒng)尚未形成規(guī)模效應?？梢姡瑑膳傻膬?yōu)勢與劣勢互補性強，兩者深度融合是元宇宙發(fā)展的必由之路。

2.區(qū)塊鏈技術

業(yè)內大多數專家認為，區(qū)塊鏈技術是元宇宙的補天石，能夠實現(xiàn)“去中心化”治理，能夠提供安全可靠的經濟運行系統(tǒng)，能夠解決元宇宙中身份互信等問題。區(qū)塊鏈技術從本質上來說，就是去中心化的分布式賬本。

目前，網絡購物大都是基于第三方（如支付寶）的中心化交易，而在區(qū)塊鏈中的交易是所有節(jié)點（即用戶）共同參與的（即分布式）。舉一個簡化的例子，假設區(qū)塊鏈中共有5 個節(jié)點，A 向B 支付了1 元錢，之后會有如下操作：A 會向所有用戶廣播“我是A，我向B支付了1 元”，B 會向所有用戶廣播“我是B，A 向我支付了1 元”，其他節(jié)點C、D、E 就會記下“某年某月某日，A 向B 支付了1 元”[3]。網絡中所有節(jié)點都會保留相同的賬本，對賬本進行修改需要有一半以上的節(jié)點同意，能有效避免中心化交易所帶來的第三方不可信、不可靠問題。然而，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中有2100 萬枚比特幣，稀缺性是導致其被炒作的一個重要原因，存在著極大的金融隱患，加強對以比特幣為代表的虛擬貨幣的監(jiān)管已成為國際共識。

3.密碼學應用

密碼學是區(qū)塊鏈技術的基礎，用于證明用戶的身份，保證記賬信息不被篡改，實現(xiàn)數字財富等個人私密信息安全傳輸。區(qū)塊鏈技術中涉及的密碼學算法，主要是哈希加密算法和非對稱加密算法。

哈希加密算法常見的有MD5 和SHA，能夠將任意長度的數據壓縮成指定長度的數據，記賬信息有任何改動，計算出來的哈希值都會發(fā)生變化；非對稱加密算法常見的有RSA 和ECC，有公鑰（可以看作公開的鑰匙）和私鑰（可以看作私密的鑰匙）兩組密鑰，公鑰所有人都可以使用，用于對私密信息進行加密、驗證數字簽名是否真實，私鑰僅限個人保管使用，用于對加密信息進行解密、對數字信息進行數字簽名。

密碼學算法在區(qū)塊鏈的NFT（Non-Fungible Token，非同質化代幣）中得到了充分的應用?！按鷰拧笨煽闯墒菙底只袡鄳{證，“非同質化”意味著每張憑證都不一樣，不能分割也不能交換。圖像、視頻、音樂等數字作品變成NFT 后，可利用哈希加密算法防止數字作品被篡改，利用創(chuàng)作者的個人私鑰實現(xiàn)對數字作品的簽名，使得數字作品具備稀缺性。例如，Twitter 首席執(zhí)行官用個人私鑰對其發(fā)布的首條推文進行簽名后，該推文以290 萬美元的價格售出?？梢?，元宇宙中數字資產的確權、數字作品的價值傳遞等環(huán)節(jié)都離不開密碼學算法的支持。

四、元宇宙產業(yè)的發(fā)展態(tài)勢

當前，國內外科技巨頭正在加速布局元宇宙相關產業(yè)，一些國家紛紛制定元宇宙戰(zhàn)略，我國多地政府也在加緊布局元宇宙賽道，密集出臺相關政策和文件，元宇宙產業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出超乎想象的爆發(fā)態(tài)勢。

從科技巨頭來看，Roblox 游戲公司打造了一套相對完整的“游戲平臺+沉浸社交+獨立經濟系統(tǒng)”游戲世界，于2021 年3 月在美國上市，被譽為元宇宙第一股；同年10 月，F(xiàn)acebook 公司更名為Meta，并宣布在虛擬現(xiàn)實、內容創(chuàng)作社區(qū)、數字貨幣及商業(yè)等領域加大投入；NVIDIA 公司通過布局三芯戰(zhàn)略，構建元宇宙底層硬件技術，并發(fā)布Omniverse 平臺，提供虛擬世界模擬和協(xié)作的基礎服務；Mircosoft 公司正力圖打造企業(yè)化元宇宙，讓用戶能以3D 卡通形象參加會議，構建沉浸式虛擬工作空間。在國內，騰訊公司2019 年成為Roblox 中國代理并發(fā)布“羅布樂思”游戲，2020 年推出智慧城市底層平臺CityBase，2021 年上線國內首個NFT 藝術品交易App“幻核”；字節(jié)跳動公司2020年以90 億元收購小鳥看看，正式入局VR 賽道；阿里巴巴專門成立了研發(fā)VR 設備的硬件公司，其新加坡控股有限公司申請注冊“阿里元宇宙”“淘寶元宇宙”等多項商標；百度公司積極布局成立AR 實驗室、VR實驗室、VR 交互平臺等。

從國家和地區(qū)來看，韓國計劃2022 年投入2000萬美元開發(fā)元宇宙平臺，并在2025 年前投入22 億美元支持元宇宙相關技術開發(fā)；日本發(fā)布《關于虛擬空間行業(yè)未來可能性與課題的調查報告》，系統(tǒng)分析進軍元宇宙產業(yè)面臨的問題。在國內，2021 年1 月，江蘇省無錫市濱湖區(qū)發(fā)布《太湖灣科創(chuàng)帶引領區(qū)元宇宙生態(tài)產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，將依托無錫影都開發(fā)旅游、展覽、直播、購物以及劇本殺等多種應用場景，打造元宇宙核心產業(yè)區(qū)、創(chuàng)新孵化園、先進智造地；同年12 月，上海市經信委發(fā)布《上海市電子信息產業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出加強元宇宙底層核心技術基礎能力的前瞻研發(fā)，推進深化感知交互的新型終端研制和系統(tǒng)化的虛擬內容建設；2022 年1 月，北京通州區(qū)發(fā)布《關于加快北京城市副中心元宇宙創(chuàng)新引領發(fā)展的八條措施》，突出元宇宙與文化旅游融合發(fā)展，規(guī)劃“1 個創(chuàng)新中心+N 個特色主題園區(qū)”的產業(yè)空間布局。此外，湖南省正在探索搭建芒果元宇宙平臺，浙江省將元宇宙列為未來產業(yè)技術重點方向，合肥、武漢等地把發(fā)展元宇宙寫入了政府工作報告。

五、推進合肥市元宇宙產業(yè)發(fā)展的對策建議

從政府到企業(yè)雖然都在大力布局元宇宙，但元宇宙目前仍處于早期探索階段，技術、標準、場景、監(jiān)管等支撐要素都還不完備。在技術層面，人工智能、區(qū)塊鏈、算力等底層技術遠不能滿足元宇宙落地應用的實際需求；在標準層面，行業(yè)標準及協(xié)議尚未建立，互聯(lián)互通為時尚早；在場景層面，現(xiàn)有內容的數量、質量和豐富度都與元宇宙的最終目標相差甚遠；在監(jiān)管層面，如何規(guī)范虛擬空間的發(fā)展有待進一步探索。

1.立足自身優(yōu)勢

目前，元宇宙概念相對最為集中的產業(yè)是虛擬現(xiàn)實和網絡游戲，互聯(lián)網產業(yè)較強的省市如北京、上海、江蘇、浙江等具備先發(fā)優(yōu)勢，但合肥等其他城市也值得期待。在人工智能領域，合肥擁有國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)集群，2021 年集聚企業(yè)達846 家，產業(yè)規(guī)模突破815 億元，擁有全國首個國家級AI 重要產業(yè)基地——中國聲谷。在算力方面，合肥先進計算中心“巢湖明月”深度融合“超級計算+智能計算+大數據”等先進計算技術，能夠提供大規(guī)模并行計算模擬仿真、海量數據智能處理與分析等服務。合肥應繼續(xù)在自身優(yōu)勢領域加強布局和建設，為實現(xiàn)元宇宙產業(yè)的跟跑和并跑打下堅實基礎。

2.強化基礎研究

元宇宙的發(fā)展需要一系列的基礎研究作為支撐，像區(qū)塊鏈技術中涉及大量的密碼學知識，而目前使用的密碼算法絕大部分都基于數學難題，如RSA 算法是基于數論中大數分解難題，ECC 算法是基于離散對數難題等。合肥應以安徽應用數學中心為基礎，加強與山東國家應用數學中心等單位在密碼數學等方向的交流合作，不斷拓展研究領域，全力推進數學與工程應用、產業(yè)化的對接融通。此外，合肥還應進一步強化物理基礎研究，充分發(fā)揮在量子物理領域的領跑優(yōu)勢，積極探索量子計算、量子通信與元宇宙的結合應用，為突破算力瓶頸、保障信息安全摸索出更多更新的技術路徑。

3.拓展應用場景

元宇宙的應用場景非常廣泛，其中虛擬交互應用與元宇宙關聯(lián)最為緊密，目前相關產品已不再局限于VR/AR 等物品，還出現(xiàn)了像湖南衛(wèi)視主持人小漾、虛擬歌手洛天依、虛擬偶像柳夜熙等為代表的虛擬人物。合肥在虛擬交互應用方面也開展了積極的探索。2021 年10 月，科大訊飛在業(yè)界率先發(fā)布虛擬人交互平臺1.0，可應用于媒體新聞生產、培訓課件生產、廣告視頻生產等場景，實現(xiàn)對客戶不同業(yè)務場景進行AI虛擬人賦能。在對現(xiàn)有場景進行深度挖掘的基礎上，合肥還應積極拓展學習教育、文化旅游、虛擬醫(yī)療、政務服務等應用場景。

4.加大政策支持

在國家層面，工信部將出臺《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃》，著力推動虛擬現(xiàn)實技術規(guī)模化發(fā)展。對于合肥而言，一方面要緊跟國家戰(zhàn)略部署，另一方面要發(fā)揮自身優(yōu)勢特長，強化基礎研究政策導向，加大數學、物理等基礎研究投入，同時進一步放大人工智能產業(yè)規(guī)模效應與集聚效應，強化雙招雙引，影響和帶動元宇宙其他相關產業(yè)逐步做大做強。在條件具備時，適時出臺元宇宙相關政策，引導龍頭企業(yè)積極開展關鍵技術研究與產品開發(fā)，建設特色產業(yè)基地等創(chuàng)新載體，加速推進元宇宙產業(yè)化進程。

5.注重監(jiān)管治理

元宇宙“去中心化”并非“去監(jiān)管化”，在建設和發(fā)展過程中，需要同步考慮其社會規(guī)則、經濟秩序、文化體系等方面的問題，需要探索建立系統(tǒng)規(guī)范的運行機制，需要構建基本的法律法規(guī)。在政府層面，應根據元宇宙發(fā)展需求，健全完善管理部門的職責，指導出臺相關的平臺標準、技術標準、數據標準，進一步強化對數字資產的權屬、交易、版權等方面保護。在企業(yè)層面，應加強行業(yè)自律，協(xié)助做好元宇宙中主體行為規(guī)范、數據交易與隱私信息保護、公共數據開放共享等相關工作，助力提升元宇宙治理能力。