元宇宙關(guān)鍵技術(shù)及與數(shù)字孿生的異同

◆鄭誠慧

（飛燕航空遙感技術(shù)有限公司 江蘇 211300）

1 引言

最近元宇宙的概念熱度很高，很多互聯(lián)網(wǎng)大廠紛紛參與到討論中，諸如Facebook 已經(jīng)將公司更名 Meta，那元宇宙到底是什么呢？Metaverse 是由Meta 和Universe 組成的一個(gè)新詞匯，指的是超越宇宙，超越現(xiàn)實(shí)宇宙的另一個(gè)宇宙；是將現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合，用戶可以在虛擬空間中進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界中所包含的各種活動(dòng)，例如：文化、社交、學(xué)習(xí)、工作、旅游等等。

元宇宙最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代，一本名叫《雪崩》的科幻小說中，書中有一個(gè)設(shè)定，是現(xiàn)實(shí)分類與虛擬人共同生活在一個(gè)虛擬空間中[1]。2003 年《Second Life》游戲的橫空出世，改變了人們對(duì)虛擬游戲的認(rèn)知，他將虛擬游戲與虛擬世界編輯、虛擬經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在游戲中進(jìn)行社交、購物、建造、經(jīng)商，引起了當(dāng)時(shí)各方追捧，既有IBM、CNN 這些企業(yè)層級(jí)，也有瑞典、西班牙這些國家層級(jí)。2018 年一部名為《頭號(hào)玩家》電影，通過電影直觀表達(dá)了元宇宙時(shí)代，讓資本和大廠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了“元宇宙”的價(jià)值，認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化的未來，元宇宙因此爆火，成為了一個(gè)新的增長極。

中國通信工業(yè)協(xié)會(huì)區(qū)塊鏈專委會(huì)輪值主席于佳寧指出“元宇宙是未來互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)的重要方向。本質(zhì)上來說，元宇宙可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字與現(xiàn)實(shí)的“五大融合”，即數(shù)字世界與物理世界的融合、數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的融合、數(shù)字生活與社會(huì)生活的融合、數(shù)字身份與現(xiàn)實(shí)身份的融合、數(shù)字資產(chǎn)與實(shí)物資產(chǎn)的融合”。

2021 年是元宇宙的元年，由于過去的兩年在疫情的影響下，加速了對(duì)虛擬世界的需求，各種在線課堂、在線辦公平臺(tái)快速發(fā)展，數(shù)字世界、數(shù)字生活、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字身份、數(shù)字資產(chǎn)快速融入人們生活，以往短期的線上生活已經(jīng)成為了常態(tài)，人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中大范圍地向虛擬世界遷移，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的平行棲息，這為元宇宙的發(fā)展帶來了契機(jī)，可以說2021 年元宇宙的大發(fā)展有著天時(shí)、地理、人和的這種前提條件。其中還有一點(diǎn)更重要的是：數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為元宇宙也奠定了很好技術(shù)基礎(chǔ)條件。

2 元宇宙關(guān)鍵技術(shù)及其作用

元宇宙既不是電子游戲，也不僅僅是虛擬世界，它是一種虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是一種虛實(shí)相融的社會(huì)形態(tài)[2]，是由多種新技術(shù)整合而形成的。通過數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生存環(huán)境的拓展，將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界相融合構(gòu)建綜合環(huán)境；通過交互式技術(shù)，提供沉浸式體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了感官的拓展，將現(xiàn)實(shí)視、聽、觸感官和虛擬視、聽、觸感官相融合構(gòu)建綜合感官；通過區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)維度的拓展，將現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)與虛擬經(jīng)濟(jì)相融合構(gòu)建綜合經(jīng)濟(jì)；通過身份的統(tǒng)一認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了用戶這個(gè)虛實(shí)相融的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)、工作、交友、購物、旅游……

元宇宙關(guān)鍵技術(shù)主要包括：數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)及其作用

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)共享數(shù)據(jù)庫，使用區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)或信息，具有“即時(shí)性”“共享性”“完全透明性”“不可篡改性”等特征，通過統(tǒng)一的身份認(rèn)證，為搭建虛實(shí)結(jié)合的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。實(shí)現(xiàn)了元宇宙中的價(jià)值交換，也保障了元宇宙用戶的交易是平等透明的。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有更高的信任度，更出色的安全性，更高的效率，成員用戶可以借助區(qū)塊鏈確信自己收到的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確及時(shí)的，保障了元宇宙底層數(shù)據(jù)的保密性和可溯源，確保了元宇宙用戶可以參與和監(jiān)督交易合法性。

區(qū)塊鏈在元宇宙上實(shí)現(xiàn)的是虛擬價(jià)值與真實(shí)價(jià)值的統(tǒng)一[3]。哪些在我們認(rèn)知中毫無意義的數(shù)字貨幣，現(xiàn)在具有了真實(shí)的行業(yè)價(jià)值。通過區(qū)塊鏈，元宇宙將真實(shí)與虛擬世界之間聯(lián)系起來，使得兩者之間經(jīng)濟(jì)的自由流動(dòng)真正實(shí)現(xiàn)[4]。

2.2 交互技術(shù)及其作用

交互技術(shù)在不斷地持續(xù)升級(jí)，不斷的升級(jí)感知交互，為元宇宙提供沉浸式體驗(yàn)，為用戶構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的綜合感官。從最初的VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，到AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，再到MR 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的結(jié)合不斷升級(jí)[5]，從最初的置身于虛擬世界，到在現(xiàn)實(shí)世界中疊加虛擬信息，再到虛擬與真實(shí)世界的融合與自由切換，讓虛擬與現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)逐步增強(qiáng)，為用戶提供了更好的交互體驗(yàn)[6]。

伴隨著用戶需求地不端提升，全息影像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通過裸眼進(jìn)行現(xiàn)實(shí)與虛擬的交互，而腦際交互技術(shù)與傳感技術(shù)在交互方式的便捷性、真實(shí)性、體感上，又進(jìn)行了一次次飛躍性的技術(shù)變革。

交互技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，不端深化交互感知，為元宇宙提供了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)階梯。

2.3 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其作用

伴隨著5G 技術(shù)的發(fā)展與逐步成熟，一個(gè)5G 的時(shí)代已經(jīng)到來[7]。5G 作為新一代通信技術(shù)，已經(jīng)成為了現(xiàn)代信息社會(huì)最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)的革命性是跨時(shí)代的。5G 讓社會(huì)由“人與人”相連接進(jìn)入了全面“物與物”、“物與人”相連接，帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

元宇宙的數(shù)字化平臺(tái)，需要移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供無縫、無間斷、實(shí)時(shí)按需的高質(zhì)量業(yè)務(wù)，移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，端管云深度協(xié)同。

5G 網(wǎng)絡(luò)為元宇宙提供了高速率、低延時(shí)、大連接的服務(wù)，5G 的高速率、低延時(shí)構(gòu)建著虛實(shí)兩個(gè)世界的橋梁[8]。

由5G 帶來的各行業(yè)變革[9]，也為元宇宙提供了虛實(shí)一體的環(huán)境，為用戶提供了更實(shí)時(shí)、流暢的體驗(yàn)。

2.4 云計(jì)算技術(shù)及其作用

云計(jì)算這項(xiàng)技術(shù)，使得可以提供在數(shù)秒之內(nèi)，達(dá)成處理數(shù)以千萬計(jì)甚至億計(jì)的信息，達(dá)到和“超級(jí)計(jì)算機(jī)”同樣強(qiáng)大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[10]。最簡單的云計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，例如搜索引擎等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息[11]。

云計(jì)算技術(shù)敏捷性在于可以在短時(shí)間內(nèi)完成內(nèi)部署服務(wù)；可以預(yù)判需要預(yù)置的資源，后可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求的變化隨時(shí)擴(kuò)展或縮減這些資源；還可以將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到新的地理區(qū)域，將應(yīng)用程序部署在離最終用戶更近的位置可以減少延遲并改善他們的體驗(yàn)[12]。

因此，云計(jì)算技術(shù)為元宇宙提供功能更強(qiáng)大云端服務(wù)、更輕量化的終端設(shè)備、更便捷的響應(yīng)機(jī)制、更低的費(fèi)用支出。

2.5 人工智能技術(shù)及其作用

近年來由于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、新算法等核心技術(shù)的興起與發(fā)展，為人工智能技術(shù)的推進(jìn)提供了催化劑和養(yǎng)分。

人工智能通過使用統(tǒng)計(jì)模型推算數(shù)據(jù)概率，大數(shù)據(jù)為這個(gè)模型提供了海量數(shù)據(jù)來源，使得模型不斷優(yōu)化，通過云計(jì)算提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，靈活的資源配置，便捷的響應(yīng)機(jī)制。新算法的發(fā)展，提高了機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，推動(dòng)著關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。

人工智能技術(shù)為元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景提供技術(shù)支撐，是元宇宙的重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，預(yù)處理、特征提取與算法處理漸漸融合，形成現(xiàn)實(shí)到虛擬的技術(shù)，是元宇宙虛實(shí)結(jié)合的關(guān)鍵。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，可以將元宇宙中系統(tǒng)及要素逐步接近于人類的學(xué)習(xí)水平，并且實(shí)現(xiàn)超越，提高元宇宙的要素智慧能力和系統(tǒng)效率。語音識(shí)別技術(shù)及自然語言處理實(shí)現(xiàn)了人與計(jì)算機(jī)之間可以通過自然語言進(jìn)行有效的通信，確保了元宇宙中虛實(shí)客體之間、人與系統(tǒng)之間信息準(zhǔn)確的理解與傳達(dá)，有效解決了不同地域的語言系統(tǒng)，不同環(huán)境語言發(fā)音等交流難題，便捷了元宇宙世界中各種交流。

2.6 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其作用

物聯(lián)網(wǎng)可細(xì)分為標(biāo)識(shí)、感知、處理、信息傳輸四個(gè)方面，其中包含關(guān)鍵技術(shù)由射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)。

射頻識(shí)別技術(shù)主要是用于物聯(lián)網(wǎng)中信息采集的來源，擁有遠(yuǎn)距離、快速讀取、穿透力強(qiáng)、效率高、存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，是元宇宙中現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)采集的重要前提條件。

傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)[13]。傳感器是元宇宙的感覺器官，是元宇宙感知萬物的信息來源。

傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將實(shí)地監(jiān)測(cè)、感知、采集信息，通過嵌入式系統(tǒng)處理，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)端，是元宇宙感知萬物重要的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳送通道，通過近距離通信和光遇網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[14]，實(shí)現(xiàn)通信感知高效融合，通感一體，為元宇宙提供全真全感互聯(lián)的信息傳輸技術(shù)支撐。

3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是充分利用各種模型、傳感器大數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)仿真空間的過程，以完成對(duì)現(xiàn)實(shí)世界在虛擬空間中的整體反映過程，在虛擬世界中反映現(xiàn)實(shí)實(shí)體全生命周期過程[15]。更確切來說，數(shù)字孿生是兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)的物理世界，一個(gè)系統(tǒng)是虛擬的計(jì)算機(jī)世界。并且借助智能技術(shù)，可以讓這個(gè)存在于虛擬世界中的系統(tǒng)也能夠以一個(gè)更直接的方法被人們所了解和觸碰到。

數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)[16]。數(shù)字孿生很多關(guān)鍵技術(shù)與元宇宙相近，例如區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)，這些技術(shù)都在數(shù)字孿生中得到應(yīng)用和發(fā)展，但數(shù)字孿生更重要的技術(shù)組成是3D 仿真技術(shù)、空間地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化、物聯(lián)網(wǎng)接入。

3D 仿真技術(shù)，利用三維數(shù)據(jù)獲取高分辨率3D 數(shù)據(jù)，通過建模技術(shù)、立體合成技術(shù)，多引擎快速構(gòu)建，三維模型并融合到模擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬環(huán)境。

空間地理信息技術(shù)，通過二三維實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)疊加、大場(chǎng)景數(shù)據(jù)加載，數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、傾斜影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、BIM 數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)真三維場(chǎng)景的構(gòu)建。將二維GIS的數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)、空間查詢等優(yōu)勢(shì)與三維GIS立體可視化表達(dá)[17]、三維分析的特點(diǎn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)微觀宏觀、空間地面地下、虛擬與現(xiàn)實(shí)的一體化。

數(shù)據(jù)可視化，以三維GIS、BIM 等核心技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界事務(wù)對(duì)象的三維建模，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生線上三維數(shù)據(jù)可視化；同時(shí)快速搭建，多元數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)，集成多數(shù)據(jù)源接入、自動(dòng)化數(shù)據(jù)萃取，分布數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)為數(shù)字孿生多元數(shù)據(jù)可視化。

物聯(lián)網(wǎng)接入，將現(xiàn)實(shí)世界的事務(wù)對(duì)象的狀態(tài)等信息，通過各種設(shè)備、傳感器等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，獲取其運(yùn)行狀態(tài)信息，結(jié)合云端技術(shù)，現(xiàn)實(shí)數(shù)字孿生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制及設(shè)備聯(lián)動(dòng)等能力。

4 數(shù)字孿生技術(shù)與元宇宙的異同

從概念、技術(shù)和應(yīng)用的角度出發(fā)，數(shù)字孿生和元宇宙貌似有很多相同點(diǎn)，但又不太一樣，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）元宇宙的持久性更長

相對(duì)于數(shù)字孿生，元宇宙的概念更廣，如果說數(shù)字孿生是與其真實(shí)的事物本體共存，那么元宇宙將與人類文明共存，必須能永遠(yuǎn)存在。

2）元宇宙完全去中心化

數(shù)字孿生可以是企業(yè)孿生、園區(qū)孿生、城市孿生，它最終會(huì)有一個(gè)中心，它的制定權(quán)、解釋權(quán)可以屬于某個(gè)企業(yè)或者城市。但未來的元宇宙，不再屬于也不能屬于某個(gè)企業(yè)或者國家，必須通過一個(gè)開源共享協(xié)議來共同維護(hù)，而這協(xié)議和規(guī)則的制定權(quán)、解釋權(quán)不屬于任何一方，元宇宙的存續(xù)不受任何企業(yè)或國家的外力影響。

3）元宇宙與現(xiàn)實(shí)世界協(xié)同進(jìn)化

數(shù)字孿生是與物理實(shí)體之間實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互的關(guān)系，是物理實(shí)體對(duì)孿生體的實(shí)時(shí)映射。而元宇宙是從虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)個(gè)體，到兩個(gè)世界的群體，再到兩個(gè)世界的人類命運(yùn)共同體，都需要相互連接、相互影響、協(xié)同進(jìn)化。

如果說元宇宙構(gòu)建分為三個(gè)階段的話，那么數(shù)字孿生就是第一階段，也就是說數(shù)字孿生是元宇宙構(gòu)建的基礎(chǔ)，是元宇宙真正的核心。

5 結(jié)論

號(hào)稱“互聯(lián)網(wǎng)未來”的元宇宙，是數(shù)字與虛擬的融合，贏得互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭的青睞。

元宇宙的未來可以從以下幾個(gè)角度解讀：

首先，未來互聯(lián)網(wǎng)升維，從現(xiàn)有在線互動(dòng)升級(jí)到擁有真實(shí)參與感的沉浸式虛擬體驗(yàn)，成為真正意義上的數(shù)字分身[18]。

其次，元宇宙將由無數(shù)個(gè)小世界組成，元宇宙是一個(gè)大的基礎(chǔ)設(shè)施，但元宇宙中無數(shù)個(gè)世界，每個(gè)人都可以參與設(shè)計(jì)，并帶來改變。

最后，元宇宙通過有一個(gè)共通的介質(zhì)使得這些不同的小世界之間互聯(lián)互通，而區(qū)塊鏈將成為重要介質(zhì)[19]。這種互聯(lián)互通使得人類夢(mèng)想中的“穿越”成為可能，在元宇宙中實(shí)現(xiàn)不同的小世界之間的“穿越”。

隨著元宇宙的熱度持續(xù)升溫，未來元宇宙是主宰網(wǎng)絡(luò)世界還是淪為泡沫，現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早，仍需進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。但是如果只是純粹的炒作元宇宙的概念，有可能會(huì)形成泡沫經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)，從而會(huì)延緩甚至停滯元宇宙發(fā)展建設(shè)的進(jìn)程。

目前來看，元宇宙還在非常早期的階段，發(fā)展的機(jī)遇正在逐步開啟，但受到硬件和底層技術(shù)的現(xiàn)狀制約，暫時(shí)無法支撐起真正的“元宇宙”。要構(gòu)建完整的元宇宙生態(tài)，數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、交互技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等一系列前沿信息技術(shù)的深度融合需要加快推進(jìn)。只有在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、多技術(shù)集成創(chuàng)新與融合應(yīng)用、數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合等方面增速發(fā)展，才有望能夠加快元宇宙的建設(shè)步伐，使得云宇宙能夠平穩(wěn)及快速的發(fā)展。