“元宇宙”概念下的虛擬空間構建研究

孫弋戈，閆 楠，白樹亮

（河北大學中央蘭開夏傳媒與創意學院，河北 保定 071000）

2021年10 月，隨著美國社交網絡公司臉譜網（Facebook）更名為“Meta”，“元宇宙”（Metaverse）這一概念迅速成為了互聯網產業界的熱點話題。“元宇宙”一詞首次出現于美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森于1992年出版的小說《雪崩》中，它指在由人類創造出的一個高度模擬現實的三維虛擬世界，人類的大部分社會活動將在虛擬世界中進行。在之后的一些經典影視作品中，如由沃卓斯基兄弟執導的《黑客帝國》三部曲、細田守執導的動畫電影《夏日大作戰》以及由史蒂文·斯皮爾伯格執導的電影《頭號玩家》，都對“元宇宙”這一概念進行了藝術化的延伸。將“元宇宙”作為未來互聯網的發展方向時，需要對其概念及形態進行深入剖析，并對其技術需求進行評估。其中，動畫技術與虛擬現實技術的結合，構成了“元宇宙”的基本視覺內容和體驗形式。

1 打破虛幻與現實的壁壘——“元宇宙”的概念及特征

自人類文明發展以來，“現實的本質”是一個常被探討的問題。柏拉圖在其著作《理想國》中提出了著名的洞穴理論，認為人們所感知到的一切事物都并非是真實的，它們僅僅是人們在“洞穴”中所看到的模擬，而現實則是存在于“洞外”的世界。莊子則以“莊周夢蝶”，提出了夢境（虛幻）與現實的關系問題，即如何分辨虛幻與現實？虛幻與現實有何界限？之后隨著科學發展，人類對自身及自然的探索不斷深入，發現了人類對事物的感知是由感覺器官接收外界信號而產生的神經模擬。普特南在其著作《理性，真理與歷史》中提出了著名的“缸中之腦”悖論，即如果將人類大腦所有神經末梢連接到一臺能模擬一切事物的計算機上，通過計算機向大腦傳輸模擬信號，那么人類將難以分辨這世界是真實的，還是模擬的。

隨著互聯網的誕生，人類社會發生了前所未有的變革。互聯網是人類創造出的不同于物質世界的數字世界，是一個由數字信息所構成的虛擬空間。圖像、聲音、文字以及人類社會的各類信息都可以通過某種形式進行數字化模擬，并成為互聯網的組成部分。在此背景下，人類的生活場景逐漸與數字世界相融合，現實與虛擬的界限也逐漸模糊。當今互聯網已經成為人類個體及社會的延伸，手機及各類穿戴數碼設備則是人類與數字世界連接的工具，甚至可以視做人類感知數字世界的感官。然而當今互聯網的主要表現形態依舊限于二維的電子屏幕，與人類所處的三維空間各自獨立。“元宇宙”作為未來互聯網發展的一個方向，它基于各類數字技術、數碼設備的發展，意在打造一個高度擬真的三維空間形態的互聯網，從而將虛擬與現實完全融合。

“元宇宙”的概念在當前學界尚未有統一的描述，各領域學者都從不同角度進行了大量解讀，但因其并未被完整地創造出來，從而缺乏統一的研究客體，導致其概念也在被不斷雜糅。當前業界普遍認為，“元宇宙”并非是一套完全新穎的結構體系，而是基于以往概念的重構及延展，和對多項技術如虛擬現實、混合現實技術、區塊鏈、云計算、5G通訊、數字貨幣、數字孿生等進行融合的產物。根據對互聯網業界“元宇宙”布局愿景的解讀，可以基本歸納出“元宇宙”的幾點特征。

（1）高度擬真的三維數字空間。通過虛擬現實技術及三維模型渲染，構建出具有沉浸感的擬真世界。“元宇宙”運行設備需具備較高及連貫的幀率，以及高解析度的畫面，并對觀眾視角變化做出即時反饋，從而使觀眾獲得沉浸式體驗感。同時，三維場景的視覺化表現風格可以是多樣化的，但在多人共享時需具有統一的表現。

（2）多人共享的實時同步空間。“元宇宙”中的虛擬空間需做到可承載多人同時訪問。虛擬空間中的所有信息都將實時同步到每臺終端，對每個用戶行為做到實時反饋。當用戶（在權限范圍內）添加或更改公共信息，此變化將即時同步至整體空間及其他用戶終端。“元宇宙”具有時間上的連續性，它與現實時間同步，并持久存在。

（3）通過虛擬替身進行交互體驗。在“元宇宙”的虛擬空間中，每個用戶都將擁有虛擬替身作為個體的數字化延伸，虛擬替身可通過傳聲及行為指令進行人機交互和人人交互。交互行為也將實時同步至整個網絡空間。虛擬替身將與用戶形成綁定，使其作為“元宇宙”世界中的唯一身份。

（4）擁有與線下社會等效的經濟系統。通過運用區塊鏈技術及數字貨幣，在“元宇宙”世界中構建完善的經濟體系。虛擬經濟體系將至少包括數字生產、數字流通、數字消費三個部分。每個用戶能夠擁有長久的、可遷移的私有數字資產，并可通過數字貨幣對數字資產進行交易。同時，數字貨幣與現實貨幣具有等價性。數字資產的載體是數字信息，具有無限可復制的特性，因此系統需要構建出合理并統一的計劃生產方案，以避免經濟體系失效。

2 “元宇宙”中的三維空間構建

“元宇宙”在視覺空間上是以擬真的虛擬三維場景作為一切內容的載體，用戶操控的數字替身和人工智能或人為生成的數字人組成的“居民”，共同構成“元宇宙”世界。打造“元宇宙”虛擬空間可利用當今三維動畫及游戲制作技術，通過計算機圖形學及人工智能算法的基礎構架，模擬生成虛擬三維場景。“元宇宙”虛擬空間擺脫了現實物理空間的尺度約束，可在無限大的空間進行延展，從而使數字替身的活動范圍與自由度遠超現實世界。

“元宇宙”的基底空間主要是通過三維模型所構建，然而，其場景設計與傳統的影視三維動畫場景設計有所區別。首先，“元宇宙”三維場景中的大量圖形數據將由用戶端設備以及云端計算等方式進行實時渲染運算，而不是以影視三維動畫中采用的離線渲染的方式制成，因此需要對場景模型進行特殊優化處理。因“元宇宙”中虛擬空間的最佳視覺表現需要使畫面達到高幀率（如120fps以上）以及4k或8k以上分辨率，這對場景的三維模型優化以及圖形圖像算法提出了新的要求。當前通用做法是使用LOD（Level of Detail）技術對模型進行多級別分層，使場景模型的精度基于攝像機視角進行實時變化，根據攝像機與物體距離分配模型頂點數量精度，同時對用戶視點外的三維模型進行渲染剔除。這種做法雖能夠大幅降低場景圖形運算量，但依然不足以實現完全擬真的效果。因此，若要實現“元宇宙”中的三維擬真場景，依舊需要計算機圖形技術以及硬件性能的突破性革新。

其次，“元宇宙”三維場景中的攝像機視角將依據用戶的行為所決定，無法繼續沿用美學中的構圖概念。例如在傳統的三維動畫中，三維場景的構建主要基于概念設計以及鏡頭的景別和構圖，畫面所呈現的視覺內容不以觀眾主觀行為做出改變，因此在場景建設中，對于攝像機視角之外的場景模型可進行剔除，以減少建模工作量，提升場景渲染效率。而在“元宇宙”空間場景的設計中，設計師需要考慮用戶行為和觀看意圖，以及用戶在空間中所能自由移動的范圍權限。虛擬現實場景可允許觀眾視點在三維空間中進行任意移動及瀏覽，如觀眾可全景環視整個場景，極近距離觀察物體細節，或繞至物體后方觀察背面等，因此在場景構建時，需制作出觀眾視點內完整的場景內容，以及近景處每個物體的全部細節，然而這也將極大地增加場景的三維模型承載量及數據信息。由此可見，“元宇宙”虛擬場景體驗需要在保證高解析度及高幀率的同時，還要具備豐富的場景內容及各項物體細節，極高的計算量是打造“元宇宙”空間場景的一個難點所在。

基于以上“元宇宙”中三維場景的設計特點及所需技術可以得出，人們離實現類似《頭號玩家》中的“元宇宙”還有很長一段距離。需要在計算機圖形技術、信息傳輸技術、芯片技術等多個領域實現突破，才能夠打造出具有高度擬真的虛擬現實場景。

3 “元宇宙”虛擬空間的應用

（1）沉浸式數字藝術。當今數字媒體藝術主要是基于二維平面媒介放映，具有寬度和高度兩個物理維度。觀眾自身視點與數字空間具有明確界限，視覺內容等同于“畫中世界”，當觀眾視點移至畫框以外，將被迅速拉回現實世界。用戶視野中的遮擋物及周邊環境都會影響虛擬空間體驗中的沉浸感。

“元宇宙”的呈現形式是基于虛擬現實技術，創造出具有沉浸感的全景圖像。觀眾的視點不會被外界所干擾或遮擋，從而形成完全的沉浸感體驗。這項技術使得電影、動畫等數字媒體藝術將不再被視框所約束，完整的戲劇場景得以表達。在此方面，三維動畫技術將被廣泛運用。不同于全景拍攝視頻中的定點觀影，實時渲染的三維動畫場景可使觀眾自由在虛擬空間中進行移動，畫面會根據觀眾視點位置實施調整，并使光影及透視等視覺信息做到實時匹配。這或將衍生出新的數字藝術形式。如沉浸式戲劇《不眠之夜》中，觀眾如同“幽靈”一樣自由穿梭在戲劇場景中，突破空間的限制，體驗沉浸式觀影。這或將在“元宇宙”空間中成為普遍的藝術形式。

（2）數字替身與交互場景。在“元宇宙”概念下的虛擬世界中，社交功能是其核心要素之一。當今互聯網的社交模式主要以文字、聲音和視頻為主，所有影像信息都是基于二維平面表達。在此交流方式下，人們無法獲悉對方所處的環境以及全面的肢體信息，這對于生活在三維世界的人類來說，是非自然的。對此，“元宇宙”概念下的解決方案是使每位用戶擁有一個虛擬角色作為替身進行社交活動，即數字替身。用戶通過操縱數字替身，令其映射及傳遞本人肢體動作，從而在進行虛擬社交時，展現出更為完整的肢體語言表現力。數字替身通過擬真或卡通的人物形象進行設計創作，并以動畫形式進行表演。

在虛擬空間中，人們可以構建虛擬交互設施，以適配各類場景功能需求。例如在虛擬教學場景中，通過設計虛擬教具及交互功能，可令教學示范和學生練習更加精確還原現實情景，并完全消除教學中對設備、儀器、耗材的損耗，也讓很多具有較高教學條件及具有危險性的教學任務得以實施。

4 結語

“元宇宙”系統下的虛擬空間源于對現實空間的模擬，但卻能突破現實空間中存在的限制及壁壘。當“元宇宙”來臨時，人們或從當今所處的社會空間中不斷向虛擬空間遷移，或將面臨一個高度融合的虛實空間。當數字空間生活成為社會主形態時，社會秩序或將產生巨大變革。目前來看，創造出理想的“元宇宙”依然需要漫長的時間，多方面技術的攻破以及規則的制定。