淺談元宇宙及其技術(shù)基礎(chǔ)

趙丹文

（新華通訊社通信技術(shù)局，北京 100803）

1.“元宇宙”興起

2021年被稱為元宇宙元年，在這一年10月28日，扎克伯格宣布將 Facebook更名為 Meta，表明將把企業(yè)發(fā)展重心轉(zhuǎn)向以元宇宙（Metaverse）生態(tài)為主的發(fā)展領(lǐng)域。以此為分界點，元宇宙概念正式引發(fā)全球廣泛關(guān)注，與元宇宙相關(guān)的虛擬貨幣、社交模式、沙盒游戲等探索形式紛紛涌現(xiàn)[1]，眾多國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)也先后宣布加入元宇宙領(lǐng)域。“元宇宙（Metaverse）”成為2021年最熱門科技話題之一，并入選“2021年度十大網(wǎng)絡(luò)用語”。[2]

隨著 5G 商用，區(qū)塊鏈技術(shù)、AI 芯片技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)不斷迭代升級，元宇宙已成為全球科技業(yè)的下一個風(fēng)口。國內(nèi)外科技企業(yè)紛紛布局，搶占下一代網(wǎng)絡(luò)先機(jī)。

元宇宙的興起，得益于兩個層面，一個是技術(shù)層面，隨著芯片、算法、虛擬現(xiàn)實等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品不斷推陳出新地面向消費(fèi)者；另一層面是社會層面，新冠疫情與人類的長期共存很大程度上改變了人們的生活和工作方式，網(wǎng)絡(luò)購物、在線教育、互聯(lián)網(wǎng)游戲、遠(yuǎn)程辦公、視頻會議成為人們的日常。

在經(jīng)歷了以移動互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的Web2.0階段后，互聯(lián)網(wǎng)世界的高速發(fā)展已逐漸趨于緩慢，元宇宙作為虛擬世界和現(xiàn)實世界進(jìn)行交互融合的載體，可以給人類社交、生產(chǎn)、娛樂、旅游、辦公、交易等場景帶來巨大的變革，徹底改變這個世界的運(yùn)行方式，在給未來人類的生活方式帶來無盡想象的同時還帶來了新的商業(yè)機(jī)遇。

2.何為元宇宙

“元宇宙”（“Metaverse”）由“Meta”和“Verse”組成，“Meta”的意思是超越，“Verse”的意思是宇宙，合起來即為“超越宇宙”。

元宇宙的概念眾說紛紜，無論從技術(shù)角度還是產(chǎn)業(yè)角度，多位學(xué)界和業(yè)界的專家學(xué)者給出了多種說法。其中清華大學(xué)沈陽教授這樣定義元宇宙：“元宇宙是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)提供沉浸式體驗，以及數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實世界的鏡像，通過區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬世界與現(xiàn)實世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和編輯。[3]

事實上，元宇宙并不是單獨的全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念，它更多地預(yù)示著一種嶄新的技術(shù)理念和趨勢，一個新技術(shù)集大成者，預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)時代的下一階段。具體來說，元宇宙可以被人們普遍地看作是一種融合了區(qū)塊鏈技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D技術(shù)、5G乃至6G等各項尖端技術(shù)組成的超大規(guī)模虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)世界。

3.元宇宙的應(yīng)用場景

元宇宙是一種虛擬世界，但又不等同于虛擬世界，因為它更多地強(qiáng)調(diào)面向虛實融合的沉浸式體驗，它與現(xiàn)實世界平行，同時又能影響現(xiàn)實世界，和現(xiàn)實世界產(chǎn)生交互。虛擬世界中的各種事物，包括數(shù)字化身、虛擬產(chǎn)品、虛擬場景等，都可以與現(xiàn)實世界中的真實事物相對應(yīng)，你中有我，我中有你。

想象一下，人們想要逛街購物，只需要穿戴上VR設(shè)備就可以步入購物中心，在元宇宙中“親身”體驗到商品的色彩、質(zhì)地、重量、材質(zhì)，喜歡的衣服可以“試穿”，喜歡的書籍可以“試讀”，選定的商品可以一鍵購買并在現(xiàn)實中同步快遞到家。

再想象一下，你可以隨意選擇在自己喜歡的環(huán)境工作，把你的辦公室變成“海邊”，變成“花園”，工作成果還能與現(xiàn)實世界實時同步。在線視頻會議變成了元宇宙中的“現(xiàn)場”會議，你可以和身處不同城市甚至國家的同事在同一個辦公室里面對面交流，語言、表情、肢體動作如實呈現(xiàn)。

在眾多應(yīng)用場景中，娛樂場景的重新定義，可以成為元宇宙應(yīng)用重點關(guān)注的切入點、突破口。在游戲方面，隨著大型互聯(lián)網(wǎng)游戲在更加注重實時性、開放性和高體驗性這個方向發(fā)展，其思路與元宇宙天生契合。元宇宙游戲可以為用戶提供一個高度沉浸式的可智能演化的游戲世界，新技術(shù)可為用戶帶來顯著的體驗提升。在影視方面，元宇宙可以打造觀眾具有參與感的觀影體驗，讓觀眾以角色的身份參與到影視作品當(dāng)中，不但使其身臨其境，甚至還能推動劇情發(fā)展，演化出開放式劇本。在演出、展覽方面，化身可以在元宇宙中享受沉浸式、多視角地觀看體驗，還能收藏或者交易NFC數(shù)字周邊。

在社交領(lǐng)域，目前以移動終端和5G網(wǎng)絡(luò)為載體的社交方式主要依靠文字、圖文和短視頻。而元宇宙的出現(xiàn)，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，搭建出以假亂真的社交平臺。人們通過化身，能夠突破現(xiàn)實的時空屏障，約友人一起逛商場購物，進(jìn)酒吧小酌，去KTV唱歌，還能一起旅游露營，你甚至可以定制天氣、溫度和季節(jié)。相比于當(dāng)前的移動社交，元宇宙社交將進(jìn)一步模糊虛實邊界，帶來“隨時、隨地”的可定制的沉浸式社交體驗。

元宇宙還能廣泛適用于遠(yuǎn)程辦公場景。受到疫情影響，遠(yuǎn)程辦公和視頻會議已變成家常便飯，而元宇宙的“虛擬會議”則可通過全息影像的方式打造身臨其境的參會感。和現(xiàn)在的遠(yuǎn)程辦公手段相比，在交互體驗上元宇宙中的辦公場所更加接近真實。通過數(shù)字化身，用戶能夠做到“面對面”交流，可以觀察到彼此的表情、動作和肢體語言。[4]除遠(yuǎn)程辦公和虛擬會議外，全息技術(shù)還能被廣泛運(yùn)用于數(shù)字孿生的多場景中，例如工廠、實驗室、手術(shù)室的遠(yuǎn)程操作指導(dǎo)等。

除了上述這些，金融、醫(yī)療、制造、教育培訓(xùn)等場景，也可廣泛應(yīng)用于元宇宙中。在元宇宙中，存在著無限可能，人類的活動可以不斷突破想象，人們能夠以新的形態(tài)進(jìn)行社交、休閑、交易、辦公、生產(chǎn)、工作，還能實時地和真實世界實體交互，獲得虛實結(jié)合、沉浸互動的體驗。元宇宙可以成為比現(xiàn)實世界更加豐富多彩的全新世界。

4.元宇宙的核心屬性

元宇宙的三個核心屬性，一是包括了虛擬人、自然人、機(jī)器人的人機(jī)交互屬性，即所謂數(shù)字化身份;二是包括了時間和空間上的時空延展性，如虛擬場景等;三是通過區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展而形成的經(jīng)濟(jì)增長性，即生產(chǎn)屬性。[5]

人機(jī)交互性，首先要創(chuàng)建數(shù)字化身份?；硎怯脩粼谠钪嬷袆?chuàng)建的“賬號”，使用者通過穿戴虛擬化設(shè)備，進(jìn)入虛擬化世界界面，為自己制作一個數(shù)字化身。這種“化身”通過虛擬化技術(shù)可以展現(xiàn)真人的體貌特征，讓人能一眼認(rèn)出你。人們通過這個虛擬的數(shù)字化身，在元宇宙中和其他自然人的化身進(jìn)行互動、社交。隨著元宇宙自身的不斷發(fā)展演化，以及化身在元宇宙中不斷地深入?yún)⑴c，這個化身及其所包含的用戶信息也在元宇宙的社會活動中不斷地被賦予新的價值和意義。

所謂時空延展性，即把現(xiàn)實中的場景搬到虛擬世界中，例如在虛擬游戲中開辦商店，生產(chǎn)并銷售虛擬商品，并在線下交付真實的商品。玩家可以與現(xiàn)實中的品牌合作，也可以打造屬于自己的品牌，甚至以NFT數(shù)字藏品的方式，獲得商業(yè)收益。

經(jīng)濟(jì)增值性，即元宇宙可創(chuàng)造現(xiàn)實中的商業(yè)價值。例如，廣州首個大型AR實景應(yīng)用“AR Show冰雪奇境”在悅匯城開業(yè)一周年之際正式上線，為到場消費(fèi)者提供了一個真實和虛幻互相交織的“元宇宙”式購物感受，并助力悅匯城全場銷售量同比增長196%，客流增幅遠(yuǎn)超開業(yè)同期。[6]

5.元宇宙需要的基礎(chǔ)技術(shù)

從技術(shù)層面出發(fā)，可以看到元宇宙的創(chuàng)建融合了當(dāng)前各種先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其核心基礎(chǔ)技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、云計算技術(shù)、新一代人工智能技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)。

元宇宙的建立離不開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)化社交是元宇宙存在的基礎(chǔ)，能夠滿足元宇宙海量數(shù)據(jù)交互的移動網(wǎng)絡(luò)，則依賴于通信技術(shù)的快速發(fā)展。VR 、AR設(shè)備使用者需要高分辨率和高刷新率來提升沉浸式體驗感，無處不在、無時不在的低延時交互需要高速傳輸天量的實時數(shù)據(jù)；數(shù)以億計的交互用戶量級需要高度可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸，這些都依賴于新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。隨著5G、6G的高速發(fā)展，新的通信技術(shù)可在元宇宙中的方方面面發(fā)揮作用，包括支持虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)提升用戶體驗，滿足設(shè)備使用者對高刷新率的需求，支持海量元宇宙的生成和渲染，支持腦機(jī)接口在元宇宙中的用戶交互等等。有了更優(yōu)秀的通信技術(shù)支持，虛擬現(xiàn)實就會擁有更為流暢的交互體驗，元宇宙距離真實就更近了一步。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，包含VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）、AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實）、MR（Mixed Reality，融合現(xiàn)實）、XR （Extended Reality，擴(kuò)展現(xiàn)實）等一系列技術(shù)在內(nèi)，可以建立連接現(xiàn)實世界與虛擬世界的通道，幫助用戶在兩個世界中隨意切換。VR，指通過生成一種模擬環(huán)境，強(qiáng)調(diào)用戶與虛擬世界的實時交互，帶來封閉式、沉浸式的虛擬世界體驗。VR技術(shù)提供視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的感官體驗，給玩家以身臨其境的感受。AR，是指利用計算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，產(chǎn)生真實世界中不存在的虛擬對象，實現(xiàn)真實環(huán)境和虛擬物體之間的重疊。AR技術(shù)將虛擬影像疊加在真實世界之上，可以基于現(xiàn)實世界創(chuàng)造出全新的圖景。MR，是融合了VR和AR技術(shù)，在現(xiàn)實場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，并在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間搭建起一個交互反饋的信息回路。MR技術(shù)可通過對現(xiàn)實掃描，把現(xiàn)實場景以3D 的形式虛擬化并復(fù)制在虛擬世界中。XR技術(shù)更像是AR及VR技術(shù)的集成體，它可以被認(rèn)為是包含虛擬和現(xiàn)實世界的集成系統(tǒng)。當(dāng)前，游戲玩家的操作受到鍵盤、鼠標(biāo)、手柄等硬件外設(shè)的限制，在沉浸式體驗感上還達(dá)不到元宇宙的要求。未來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在音頻、氣味、溫度、觸感等虛擬感官技術(shù)的支持下，更加逼真、便捷的人機(jī)交互方式可以大幅提升玩家的沉浸式體驗感，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將成為打造元宇宙的一根技術(shù)支柱。

云計算，是一種分布式計算，依靠網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)處理程序分解為無數(shù)小程序，并利用分散在網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器處理和分析這些小程序數(shù)據(jù)。[7]云計算的分布式特性，使其能夠為元宇宙提供海量的低成本基礎(chǔ)資源，它對數(shù)據(jù)的高速吞吐量，讓元宇宙中來自世界各地的用戶能夠流暢地進(jìn)行交互。另外，云計算還能有效避免由于本地計算而出現(xiàn)的機(jī)器故障、宕機(jī)等現(xiàn)象，利用遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)元宇宙全天候穩(wěn)定運(yùn)行。目前在元宇宙中，云計算技術(shù)主要集中在算力、儲存和渲染這三個方面來發(fā)展。在算力方面，元宇宙的數(shù)據(jù)量爆發(fā)，高沉浸感、低延時的技術(shù)要求，導(dǎo)致算力需求激增，依賴于高性能云計算能力；在存儲方面，基于云的分布式計算集群更適合區(qū)塊鏈的去中心化特性，同時分布式地存儲可有效保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和一致性，提高數(shù)據(jù)丟失容錯率和數(shù)據(jù)恢復(fù)操作空間；在渲染方面，云渲染可動態(tài)分配算力，實現(xiàn)用戶終端和計算端相分離，在云端完成畫面渲染并以低延遲推送畫面到用戶終端，這是未來云計算在元宇宙的技術(shù)發(fā)展方向。[8]

人工智能，無論是對元宇宙來說還是對現(xiàn)實世界來說，都是未來的一個發(fā)展趨勢，更是元宇宙自主運(yùn)行的重要技術(shù)基礎(chǔ)。通過大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘和通過基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)器算法，對虛擬世界的構(gòu)造，虛擬場景的演化會變得更加智能。而隨著芯片算力的躍升，算法的不斷優(yōu)化，人工智能技術(shù)也會在虛擬世界中得到更加廣泛的應(yīng)用。在內(nèi)容制作方面，人工智能可以產(chǎn)生大量不重復(fù)的內(nèi)容，有利于實現(xiàn)超宇宙的自發(fā)有機(jī)成長，將成為海量內(nèi)容創(chuàng)作的主要解決方案。在內(nèi)容呈現(xiàn)方面，由人工智能驅(qū)動的數(shù)字化身將元宇宙的內(nèi)容以有組織的方式呈現(xiàn)給用戶。在內(nèi)容審查方面，對元宇宙中人工無法完成的大量內(nèi)容進(jìn)行審查，以確保元宇宙的安全性和合法性。[9]

元宇宙是數(shù)字虛擬世界，在這個世界里，現(xiàn)實世界中基于“實體”和“信用”的認(rèn)證體系無法適用。元宇宙需要一個完備的閉環(huán)經(jīng)濟(jì)體系和虛擬貨幣才能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)增值性，虛擬貨幣的背后，就是去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)為元宇宙提供了可信虛擬貨幣，并能保證資產(chǎn)和交易的安全，可以有效地解決元宇宙中資產(chǎn)歸屬、資產(chǎn)流通、資產(chǎn)變現(xiàn)和虛擬身份認(rèn)證等問題。元宇宙是一個開放的世界，通過區(qū)塊鏈技術(shù)，還可實現(xiàn)內(nèi)容發(fā)布、版權(quán)眾籌、IP交易等各類活動。在元宇宙的世界里，NFT（非同質(zhì)化代幣）技術(shù)可以對所有數(shù)字資產(chǎn)打上具有唯一性的標(biāo)簽，無法篡改。同時通過區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)還可以實現(xiàn)不同宇宙之間數(shù)字資產(chǎn)的交易流通。通過NFT技術(shù)還能把現(xiàn)實世界中的資產(chǎn)，登記在元宇宙中，同時現(xiàn)實世界中購買的NFT藏品，也可以在元宇宙中使用。[10]虛擬貨幣市場的繁榮，以及NFT藏品交易市場的火熱，推動了區(qū)塊鏈技術(shù)在創(chuàng)造價值這一更高層面的進(jìn)化，使未來元宇宙閉環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的構(gòu)建成為可能。

除以上各項基礎(chǔ)技術(shù)外，腦機(jī)接口技術(shù)、電子游戲技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等也是創(chuàng)造元宇宙的重要技術(shù)。元宇宙的創(chuàng)建，目前還存在太多風(fēng)險和不確定性，但是隨著眾多相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，人類終將迎來真正元宇宙的誕生。