淺談元宇宙及其技術基礎

趙丹文

（新華通訊社通信技術局，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，表明將把企業發展重心轉向以元宇宙（Metaverse）生態為主的發展領域。以此為分界點，元宇宙概念正式引發全球廣泛關注，與元宇宙相關的虛擬貨幣、社交模式、沙盒游戲等探索形式紛紛涌現[1]，眾多國內外互聯網科技企業也先后宣布加入元宇宙領域。“元宇宙（Metaverse）”成為2021年最熱門科技話題之一，并入選“2021年度十大網絡用語”。[2]

隨著 5G 商用，區塊鏈技術、AI 芯片技術、數字孿生技術、虛擬現實等技術不斷迭代升級，元宇宙已成為全球科技業的下一個風口。國內外科技企業紛紛布局，搶占下一代網絡先機。

元宇宙的興起，得益于兩個層面，一個是技術層面，隨著芯片、算法、虛擬現實等高新技術的不斷發展，使得互聯網產品不斷推陳出新地面向消費者；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，網絡購物、在線教育、互聯網游戲、遠程辦公、視頻會議成為人們的日常。

在經歷了以移動互聯網為標志的Web2.0階段后，互聯網世界的高速發展已逐漸趨于緩慢，元宇宙作為虛擬世界和現實世界進行交互融合的載體，可以給人類社交、生產、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機遇。

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，無論從技術角度還是產業角度，多位學界和業界的專家學者給出了多種說法。其中清華大學沈陽教授這樣定義元宇宙：“元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，以及數字孿生技術生成現實世界的鏡像，通過區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和編輯。[3]

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

3.元宇宙的應用場景

元宇宙是一種虛擬世界，但又不等同于虛擬世界，因為它更多地強調面向虛實融合的沉浸式體驗，它與現實世界平行，同時又能影響現實世界，和現實世界產生交互。虛擬世界中的各種事物，包括數字化身、虛擬產品、虛擬場景等，都可以與現實世界中的真實事物相對應，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、質地、重量、材質，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”，工作成果還能與現實世界實時同步。在線視頻會議變成了元宇宙中的“現場”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。

在眾多應用場景中，娛樂場景的重新定義，可以成為元宇宙應用重點關注的切入點、突破口。在游戲方面，隨著大型互聯網游戲在更加注重實時性、開放性和高體驗性這個方向發展，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中，不但使其身臨其境，甚至還能推動劇情發展，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數字周邊。

在社交領域，目前以移動終端和5G網絡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，可以利用虛擬現實技術，搭建出以假亂真的社交平臺。人們通過化身，能夠突破現實的時空屏障，約友人一起逛商場購物，進酒吧小酌，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。相比于當前的移動社交，元宇宙社交將進一步模糊虛實邊界，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程辦公場景。受到疫情影響，遠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。和現在的遠程辦公手段相比，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]除遠程辦公和虛擬會議外，全息技術還能被廣泛運用于數字孿生的多場景中，例如工廠、實驗室、手術室的遠程操作指導等。

除了上述這些，金融、醫療、制造、教育培訓等場景，也可廣泛應用于元宇宙中。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進行社交、休閑、交易、辦公、生產、工作，還能實時地和真實世界實體交互，獲得虛實結合、沉浸互動的體驗。元宇宙可以成為比現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、機器人的人機交互屬性，即所謂數字化身份;二是包括了時間和空間上的時空延展性，如虛擬場景等;三是通過區塊鏈技術發展而形成的經濟增長性，即生產屬性。[5]

人機交互性，首先要創建數字化身份。化身是用戶在元宇宙中創建的“賬號”，使用者通過穿戴虛擬化設備，進入虛擬化世界界面，為自己制作一個數字化身。這種“化身”通過虛擬化技術可以展現真人的體貌特征，讓人能一眼認出你。人們通過這個虛擬的數字化身，在元宇宙中和其他自然人的化身進行互動、社交。隨著元宇宙自身的不斷發展演化，以及化身在元宇宙中不斷地深入參與，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，生產并銷售虛擬商品，并在線下交付真實的商品。玩家可以與現實中的品牌合作，也可以打造屬于自己的品牌，甚至以NFT數字藏品的方式，獲得商業收益。

經濟增值性，即元宇宙可創造現實中的商業價值。例如，廣州首個大型AR實景應用“AR Show冰雪奇境”在悅匯城開業一周年之際正式上線，為到場消費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%，客流增幅遠超開業同期。[6]

5.元宇宙需要的基礎技術

從技術層面出發，可以看到元宇宙的創建融合了當前各種先進的互聯網技術，其核心基礎技術主要包括：網絡通信技術、虛擬現實技術、云計算技術、新一代人工智能技術和區塊鏈技術。

元宇宙的建立離不開網絡，網絡化社交是元宇宙存在的基礎，能夠滿足元宇宙海量數據交互的移動網絡，則依賴于通信技術的快速發展。VR 、AR設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據；數以億計的交互用戶量級需要高度可靠的網絡傳輸，這些都依賴于新一代網絡通信技術。隨著5G、6G的高速發展，新的通信技術可在元宇宙中的方方面面發揮作用，包括支持虛擬現實和增強現實技術提升用戶體驗，滿足設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，支持腦機接口在元宇宙中的用戶交互等等。有了更優秀的通信技術支持，虛擬現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。

虛擬現實技術，包含VR（Virtual Reality，虛擬現實）、AR（Augmented Reality，增強現實）、MR（Mixed Reality，融合現實）、XR （Extended Reality，擴展現實）等一系列技術在內，可以建立連接現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境，強調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，是指利用計算機圖形技術和可視化技術，產生真實世界中不存在的虛擬對象，實現真實環境和虛擬物體之間的重疊。AR技術將虛擬影像疊加在真實世界之上，可以基于現實世界創造出全新的圖景。MR，是融合了VR和AR技術，在現實場景呈現虛擬場景信息，并在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭建起一個交互反饋的信息回路。MR技術可通過對現實掃描，把現實場景以3D 的形式虛擬化并復制在虛擬世界中。XR技術更像是AR及VR技術的集成體，它可以被認為是包含虛擬和現實世界的集成系統。當前，游戲玩家的操作受到鍵盤、鼠標、手柄等硬件外設的限制，在沉浸式體驗感上還達不到元宇宙的要求。未來，隨著虛擬現實技術的發展，在音頻、氣味、溫度、觸感等虛擬感官技術的支持下，更加逼真、便捷的人機交互方式可以大幅提升玩家的沉浸式體驗感，虛擬現實技術將成為打造元宇宙的一根技術支柱。

云計算，是一種分布式計算，依靠網絡“云”將巨大的數據處理程序分解為無數小程序，并利用分散在網絡中的服務器處理和分析這些小程序數據。[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資源，它對數據的高速吞吐量，讓元宇宙中來自世界各地的用戶能夠流暢地進行交互。另外，云計算還能有效避免由于本地計算而出現的機器故障、宕機等現象，利用遠端的數據處理能力，實現元宇宙全天候穩定運行。目前在元宇宙中，云計算技術主要集中在算力、儲存和渲染這三個方面來發展。在算力方面，元宇宙的數據量爆發，高沉浸感、低延時的技術要求，導致算力需求激增，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塊鏈的去中心化特性，同時分布式地存儲可有效保護數據完整性和一致性，提高數據丟失容錯率和數據恢復操作空間；在渲染方面，云渲染可動態分配算力，實現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發展方向。[8]

人工智能，無論是對元宇宙來說還是對現實世界來說，都是未來的一個發展趨勢，更是元宇宙自主運行的重要技術基礎。通過大數據分析和數據挖掘和通過基于深度學習的機器算法，對虛擬世界的構造，虛擬場景的演化會變得更加智能。而隨著芯片算力的躍升，算法的不斷優化，人工智能技術也會在虛擬世界中得到更加廣泛的應用。在內容制作方面，人工智能可以產生大量不重復的內容，有利于實現超宇宙的自發有機成長，將成為海量內容創作的主要解決方案。在內容呈現方面，由人工智能驅動的數字化身將元宇宙的內容以有組織的方式呈現給用戶。在內容審查方面，對元宇宙中人工無法完成的大量內容進行審查，以確保元宇宙的安全性和合法性。[9]

元宇宙是數字虛擬世界，在這個世界里，現實世界中基于“實體”和“信用”的認證體系無法適用。元宇宙需要一個完備的閉環經濟體系和虛擬貨幣才能體現其經濟增值性，虛擬貨幣的背后，就是去中心化的區塊鏈技術。區塊鏈技術為元宇宙提供了可信虛擬貨幣，并能保證資產和交易的安全，可以有效地解決元宇宙中資產歸屬、資產流通、資產變現和虛擬身份認證等問題。元宇宙是一個開放的世界，通過區塊鏈技術，還可實現內容發布、版權眾籌、IP交易等各類活動。在元宇宙的世界里，NFT（非同質化代幣）技術可以對所有數字資產打上具有唯一性的標簽，無法篡改。同時通過區塊鏈跨鏈技術還可以實現不同宇宙之間數字資產的交易流通。通過NFT技術還能把現實世界中的資產，登記在元宇宙中，同時現實世界中購買的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，推動了區塊鏈技術在創造價值這一更高層面的進化，使未來元宇宙閉環經濟體系的構建成為可能。

除以上各項基礎技術外，腦機接口技術、電子游戲技術、數字孿生技術、物聯網技術等也是創造元宇宙的重要技術。元宇宙的創建，目前還存在太多風險和不確定性，但是隨著眾多相關技術的高速發展，相信在不遠的將來，人類終將迎來真正元宇宙的誕生。