元宇宙的关键技术和未来展望 #

2020年以前，元宇宙（Metaverse）的谷歌搜索指数从未大于过 7，但20年之后，关键词“Metaverse”，就一直处于非常热门的状态，市场关注度极高，特别是随着2021年3月Roblox上市以及7月扎克伯格声明脸书五年内变成元宇宙公司，「Metaverse」的谷歌搜索指数突然达到了 100。

那什么是元宇宙呢？这两年已经有了大量关于元宇宙的文章及音视频，过去十年，本人正好有过多项元宇宙关键技术的实际工作经验，正好最近休假，给大家深度解读一下元宇宙的关键技术及未来会给人类社会生产、生活方式与组织形态带来的深远影响。

自我简介 #

本人依次就读于北京交通大学和解放军理工大学，本科学的是测控技术与仪器，第一份工作是在原北京军区38集团军某部的通信军官，退出现役后进入全球数字安全的领先企业gemalto，从事3G&4G Sim卡嵌入式操作系统开发，然后进入搜狐从事移动端的应用开发，20年加入美团的云计算部门，今年转岗到视觉智能，负责计算机图形渲染引擎和智能内容创作平台的技术开发。

什么是元宇宙 #

Metaverse（元宇宙），它起源于1992年出版的美国科幻小说《雪崩》。近两年，元宇宙被定义为下一代互联网，是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态。

维基百科元宇宙的概念是：通过虚拟增强的物理现实，呈现收敛性和物理持久性特征的，基于未来互联网，具有链接感知和共享特征的3D虚拟空间。

宇宙的本质的核心在于精神的享受体验，能体验现实中很难做的事情，它基于扩展现实(AR)技术提供沉浸式体验，基于数字孪生(Digital Twin)技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上进行密切融合。

元宇宙提出了一种可能，即当文明繁荣发展到一定阶段，未来世界是物理世界和虚拟世界的有机结合。每个人都可以在虚拟世界中拥有一个“Avatar(化身)”，可以进行一切的社交与生产生活，这为后来互联网的发展提供了几乎是指向性的蓝图，而《雪崩》中描绘的世界在逐渐的实现。

元宇宙仍是一个不断发展、演变的概念，不同参与者以自己的方式不断丰富着它的含义。

元宇宙的七层理论 #

Beamable CEO Jon Radoff 把现在所有的科技，按照信息处理的层次排列组合，在产业层面对元宇宙的概念进行了拆解，提出了元宇宙七层构成要素(The Seven Layers of the Meteverse)。

元宇宙的实现从底层技术到生态应用需要7个层面的发展实现落地，其中以基础设施、人机交互主要为硬件、软件等基础设施及设备实现布局，去中心化、空间计算为开发工具的布局，创作者经济、发现、及体验为应用产品及运营生态的布局：

元宇宙的六大关键技术 #

元宇宙必须建立在先进的技术之上，它的沉浸感、低延时特性不仅对VR/AR硬件技术和网路传输系统提出了很高的要求，还取决于高性能的云端渲染、边缘计算、端智能及流媒体处理技术。

通信技术(3GPP与5G++) #

4G的普及，支撑了移动互联网的蓬勃发展，但有50ms级的延时，不能满足元宇宙对流程体验的要求；而有了5G，延迟减少到10ms以下，使远程渲染成为了可能，它的高速率、低延时、低能耗和大规模设备连接，能够支持元宇宙所需要的大量应用创新。

目前，基于5G的杀手级应用还未出现，因此市场需求和渗透率还不高，元宇宙极有可能以其丰富的内容和强大的社交属性，打开5G的大众需求，提升5G的覆盖率，加快6G的到来并普及。

按照3GPP制定标准的过往历程来看，一般在奇数阶段1G和3G 会出现突破性的技术，在偶数阶段2G和4G趋于稳定和普及，然后作用于社会和经济的各层面，发生大的变革，比如2G让人们可以随时随地听见，而4G则让大家可随时随地看见。

由于本人在gemalto 工作时，比较熟悉3GPP，特别是和GP连续3人主席在北京一起工作了半年多，所以给大家普及一些通信领域的常识。

3GPP(3rd Generation Partnership Project)成立于1998年12月，多个电信标准组织伙伴共同签署了《第三代伙伴计划协议》，最初的工作范围是为3G（第三代移动通信系统）制定全球适用的技术规范和技术报告，后来的4G及5G++也会由3GPP这个组织制定。

3GPP的会员包括3类：

• 7个组织伙伴（OP）：欧洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA、美国的ATIS、印度的TSDSI和中国的通信标准化协会CCSA；
• 13个市场代表伙伴（MRP）：TD-SCDMA产业联盟（TDIA）、TD-SCDMA论坛、CDMA发展组织（CDG）等；
• 550多个体会员：美国的AT&T，中国的三大运营商、Google、微软等。

作为目前全球最大最重要的国际通信标准组织，3GPP在5G技术标准的制定及5G商业化的推进过程中功不可没。

R15是5G标准的第1个版本，于2018年9月冻结，是目前全球运营商5G建网广泛采用的基础版本，定义了非独立组网（NSA）和独立组网（SA）2个阶段，支持增强移动宽带（eMBB）和部分超高可靠低时延通信（uRLLC）功能特性，满足市场最紧急的应用需求。

2022年3 月下旬，全球 5G 标准的第三个版本 ——3GPP R17 完成第三阶段的功能性冻结（即完成系统设计），不仅标志着 5G 技术演进第一阶段的圆满结束，而且证明了移动生态系统具有强大韧性，且致力于推动 5G 向前发展。

云计算 #

在元宇宙场景下，云计算自身所具备的分布式网络连接、ICT资源共享、快速、按需、弹性服务动态拓展等特性将得到进一步展现，基于其对资源利用的规模效应和更高的利用率，使得技术的单位成本最低、资源利用效率最高。

目前大型游戏采用客户端+服务器的模式，对客户端设备的性能和服务器的承载能力都有较高要求，尤其在3D图形的渲染上完全依赖终端运算。

要降低用户门槛、扩大市场，就需要将运算和显示分离，在云端GPU上完成渲染。因此，动态分配算力的云计算系统将是元宇宙的一项基础设施。

由云计算 (Cloud Computing) 衍生出来的边缘计算，有着略少的计算资源，常常位于用户所处位置的周边，适合完成对时延极短的应用，例如用刚才训练好的模型来识别眼前看到的人是谁。

分布式特征的边缘计算与去中心化特征的区块链具有天然的融合基础，将区块链的节点部署在边缘能力节点设备中，一方面通过边缘计算为区块链大量分散的网络服务提供计算资源和存储能力，另一方面区块链技术为边缘计算服务提供可信和安全的环境。

因此边缘计算+区块链融合技术已成为热点领域，其中，基于区块链的边缘数据安全、边缘身份认证等技术成为研究热点。

亚马逊全球副总裁执行董事张文翊表示：“我们认为元宇宙一定是云计算可以大量赋能的一个领域。元宇宙本身需要的就是计算、存储、机器学习等，这些都离不开云计算。

在过去十余年里，云计算从被质疑到成为新一代IT标准，引发了整个ICT领域的突破和革命。据Gartner预测，到2024年，云将占全球企业IT消费市场的14.2%。未来，大量的工作负载将被迁移到云端，许多创新将在那里发生。

图形渲染及虚实交互 #

在这几个支撑技术中，交互技术可以说是元宇宙的核心部分，是通往元宇宙的实现路径，甚至很多人认为基于高度沉浸式的扩展现实（XR）实现的虚拟游戏宇宙是元宇宙发展的终极形态。

VR虚拟现实技术——VR等显示技术为元宇宙用户带来更沉浸式的体验，VR目前使用完整的头显而不是眼镜，可让用户沉浸在360°虚拟世界中。

AR增强现实技术——AR头显以现实世界的实体为主体，借助数字技术帮助元宇宙用户更好地探索现实和虚拟世界。

而无论是VR、AR还是MR，背后的运行离不开元宇宙核心技术「实时渲染」，而传统的实时渲染依赖于本地的算力进行实时渲染，这个过程需要强大的GPU和其他硬件，难以实现终端的轻量化，不利于构建强大的元宇宙。

我们把非常重的图形计算放到云端，云端服务器可以配置较高端的GPU设备，通过云端服务器进行计算，进行实时编码，编码后将其“流化”，通过网络，把计算结果实时推送至终端（例如手机、PC、平板和XR设备）。

我们在终端做出的任何交互动作（比如手指滑动屏幕、PC上点击了一下鼠标等）的信号也是通过网络实时地传输到云端服务器，云端服务器接收到信号再通过云端计算后将计算结果回传到终端。这个过程在网络好的情况下可以在 100毫秒 以内完成，空间的束缚将被彻底打破。

「重云端轻终端」的云渲染将更多的图形算力、存储等需求放到云端，终端对于图形算力、存储硬件配置要求大幅降低，为终端交互硬件轻量化、便携化提供了基础SaaS级支持，同时也是对终端硬件制造成本的 优化，推动元宇宙消费级硬件的快速渗透，进一步加速元宇宙的普及。

虚拟世界的打造离不开科技的革新，三维渲染引擎是元宇宙的载体，能够衍生出一系列内容生产工具，为娱乐和场景化服务。从当初借助VR/AR来进行虚拟空间的探索，到现在不断地发展进步，使用XR技术来增强人们的体验感，就是通过三维渲染引擎实现的，三维渲染引擎也正是构建元宇宙内容的技术底座。

人工智能 #

元宇宙的一个重要特性是沉浸式体验，人们所进入的场景要具有与人进行交流的功能，人工智能AI是研究开发用于模拟延伸和扩展人的智能的一门技术科学。

人工智能研究包括机器人、语音识别、图像识别，是自然语音处理和专家系统等方面人工智能的研究，是对人的意识、思维的信息过程的进行模拟，研发出各种各样的机器人、音响设备等，能够与人进行交流互动，能像人那样思考并超过人的智能。

由于AI技术的更进一步发展，虚拟人作为真人劳动的补充，已经基本胜任一些简单的重复性工作了。在技术和理念的加持下，虚拟人开始突破已有的应用场景。

人工智能将会贯穿元宇宙整条生态链，从内容生产、分发到应用全过程，加速内容生产、增强内容呈现，以及提升内容分发和终端应用效率等等。

“人工智能”不挣钱，就如同“肉包子打狗有去无回”一样，已经成为行业众所周知的定律，在猪肉价格大跌以前，甚至有人说搞人工智能还不如养猪值钱，前景很好但“钱”景不好。

看看国内的“AI四小龙”，商汤、旷视、依图、云从便是答案。多年以来，这四家公司一直牢牢占据着国内计算机视觉应用市场前四份额，分别在零售、安防、制造、政务、医疗等行业实现了技术落地，但赚钱这件事情依旧看起来跟他们没有半毛关系。

在人工智能技术大框架下，计算机视觉技术已经算是最为成熟的技术之一，却依旧面临亏损巨大、研发“烧钱”、毛利率降低的“无解题”，还都宣称暂不考虑盈利，其他人工智能细分技术领域又将会有多难？

众所周知，技术是无法直接盈利的，它需要最终落地与场景或产品之上，百度智能音箱便是百度自然语言处理和智能语音技术落地的载体，百度智能音箱好用吗？

相比元宇宙需要人工智能技术作为底层技术支撑，还不如说人工智能技术可能更需要透过元宇宙概念继续将技术故事放大，吸引资本目光。

通过人工智能算法对物理和行为进行生物识别、对个体进行情绪识别与分析和队个人数据加以整合，元宇宙将能够为每个人创建定制和增强的现实。

在大流行的推动下，虚拟世界行业正在快速增长。将人工智能更广泛地应用于增强现实和虚拟现实以构建更智能的沉浸式世界只是时间问题。

由于人工智能可以以极高的速度解析大量数据，人们可以利用这一特点，用增强和虚拟现实(AR/VR)结合人工智能和区块链来创建可扩展且准确的虚拟世界。如果没有人工智能，那创造出引人入胜、真实且可扩展的虚拟世界体验将会变得非常复杂且昂贵。

数字孪生 #

早在2002年，“数字孪生（Digital Twin）”这一概念被美国Michael Grieves教授提出：数字孪生是物理系统的虚拟映射，可根据其所代表的现实世界对象的结构、状态和行为定期更新。

数字孪生，是通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，由此形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的格局，这是用数字化方式为物理对象创建虚拟模型，由此来模拟其在现实环境中的行为。

数字孪生技术最先应用于工业制造的领域中。目前，全球领先的制造企业正在将对于数字孪生的理解，与自身业务融合形成工业4.0时代下的解决方案。

德国软件公司SAP基于Leonardo平台在数字世界打造了一个完整的数字化双胞胎，在产品试验阶段采集设备的运行状况，进行分析后得出产品的实际性能，再与需求设计的目标比较，形成产品研发的闭环体系。

数字孪生的概念不仅活跃在工业4.0的制造业，也越来越频繁地出现在智慧城市领域。在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。

2021年5月，微软CEO萨提亚·纳德拉(Satya Nadella)在描述Azure产品线的未来愿景中提出了“企业元宇宙”这一概念。企业元宇宙是以全面数字化为基础形成的，借助沉浸式沟通与AI赋能，这一应用有可能推动人类文明迈向一个新阶段。

可以说离元宇宙最近的技术就是数字孪生，或者说数字孪生是最接近于理解元宇宙的技术。如果今天没有元宇宙这个名词，或许我们会在当下定义未来为数字孪生时代。从数字孪生技术的本身来看，所解决的就是物理实体世界的数字化，这种数字化可以理解为真实物理实体世界的镜像。

在当前，我们与其花费过多的时间去探讨这个虚无的元宇宙概念，不如静下心来先好好的发展我们的数字孪生技术。数字孪生技术的发展，至少在当前对于我的军事科研能力的提升与管理，对于航空航天技术的提升，对于城市管理能力的提升，对于互联网医疗的实施都具有决定性的影响。

也就是说，在今天，就算是没有造成元宇宙这个名词概念，借助于数字孪生城市，数字孪生地球的构建，在多重前沿技术的发展、突破与叠加下，也自然会朝着未来的现实物理实体世界与虚拟数字孪生世界叠加的方向发展。

因此，在当前，我们或许不是关注这个过去宏大的故事叙述性的元宇宙概念，而是要关注正在推动着未来现实与虚拟现实叠加态社会构建的数字孪生技术。而当前我们所谈论的元宇宙，从本质上而言，只是数字孪生地球的一种衍生。

区块链 #

区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构， 并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账(Decentralized shared ledger)，能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据。

区块链本质是要解决人与人、机构与机构、人与机构的信任问题，在2008年的金融危机之前，很少有人会怀疑大型机构的信用崩塌，直到雷曼兄弟宣布破产，之后由一位名叫中本聪的神秘人士创建了比特币，之后虽有一些极客和投资者参与，但始终被称为“庞氏骗局”，而在2015年以太坊到来之后，真正打开了区块链商业应用的大门。

基于去中心化网络的虚拟货币，使得元宇宙中的价值归属、流通、变现和虚拟身份的认证成为可能。具有稳定、高效、规则透明、确定的优点。

不可否认的是，区块链与元宇宙之间是存在着相当密切的关系的。这样一种密切关系，并不仅仅只是局限于元宇宙领域当区块链玩家的众多，更多地局限于区块链在元宇宙当中所处的关键地位。

未来的元宇宙或者说虚拟世界它的底层架构一定是基于区块链的，为什么呢？

因为元宇宙是一个平行的世界，并且那个平行世界的重要性极有可能超越现实世界，它将足够大足够美妙，美妙到我们除了吃喝拉撒在现实世界，其他的一切活动包括我们赖以生存的工作都在宇宙当中进行。

因此那个世界必然要有强大的经济体，并且经济体一定是一种面向全球超越地理制度和金融上的限制，实现极大的流通性和极小的摩擦力的高效经济体。这种经济体在现实生活当中是不存在的。

而比特币和以太坊的诞生让我们看到了希望，并且这种希望正在加速变为现实，正在以迅雷不及一奥的态势向我们袭来。我们进行交易的Uniswap、进行借贷的Aave，参与的各种NFT，进行NFT交易的Opensea全部都是面向全球的市场，全部使用的都是通用的货币ETH，而他们具备的这些特点是现有的任何一个互联网应用都不具备的。

回顾Meta走上元宇宙的道路，我们就可以非常明显地看到这一点。早前，Meta曾经也做过区块链技术的研究和探索，曾经Meta曾经也做发币或者ICO的尝试，事实证明，这些区块链的发展路子都是走不通的。看看Libra的窘境，我们就可以非常明显地感受到这一点。

直到Meta真正将区块链技术与元宇宙相结合，并且真正用元宇宙来替代传统的互联网方式，才算是走出了一条让内外都可以接受的正确的发展道路。

当区块链玩家开始投身元宇宙，我们需要看清元宇宙的实质，而非仅仅只是将元宇宙看成是一个概念。元宇宙不是一个概念，不是一个筐，任何东西都可以往里面装。元宇宙是一个真正意义上的商业应用，它为我们构建的是一个与以往的互联网完全不同的世界。

区块链玩家对于元宇宙的热衷，更多地折射出来的是，区块链在其他领域里应用和落地的艰难。说到底，区块链还是没有找到一个像元宇宙那样可以被各方都能够接受，并且都能够激起兴趣的应用。

然而，我们应当透过元宇宙更多地看到的是，一旦区块链的应用开始落地生根，开始发芽，真正带来的改变，真正带来的想象空间是相当强大的。

元宇宙仅仅只是一个区块链的应用而已，如果将万千区块链应用全部铺开，可想而知，区块链将会给我们的生产和生活带来多少的变化。

很多人对区块链的认知仍然停留在炒币、溯源的层面，却不知它早已进入各个国家的战略部署中，截止2021年9月，全球已有83 个国家（占全球 GDP 的 90% 以上）正在探索 CBDC。

区块链的重要性体现在以下三点：

• 1. 利用区块链确权属性解决元宇宙中用户的身份问题，让每一个人在元宇宙中的数字身份都是独一无二的。
• 2.区块链“去中心化价值流转”的特征可以为元宇宙提供与网络虚拟空间无缝契合的支付和清算系统。
• 3.区块链网络本身公开透明的特性可以大幅降低金融货币系统中可能存在的腐败和暗箱操作等非法行为。

区块链作为元宇宙的重要组成部分，目前仍有众多公链、联盟链入口提供给大家，且操作门槛较高，普惠大众仍需一定的时间，但鉴于它在元宇宙当中的重要作用，资本的加持会加快技术的迭代速度，解决了跨链问题就一定程度上解决了各个元宇宙平台间的互操作性，能够有效降低大众参与门槛。

元宇宙的展望 #

在腾讯和复旦大学联合发布的《2021-2022元宇宙报告》中，按照元宇宙现发展现状与未来趋势，将元宇宙的应用场景分为三层，分别为：

• 核心层：工作、娱乐与社交是最常见的场景，具有用户覆盖面广、技术实现度高、生活化底色足的特点满足用户基本的元宇宙生活需求；
  • 工作：在线协作走向常态化
  • 社交：虚拟互动成为新亮点
  • 娱乐：游戏先行，创新驱动是关键要素
• 技术层：大型企业与跨国公司角逐的关键领域，也是元宇宙的重要技术支撑，是元宇宙发展话语权分配的重要场景，包括资本投入、商业贸易、技术研发、规则体系制定；
  • 商业：新产品、新产业日趋多元化
  • 场景体验：参与感与真实感增强
  • 疾病治疗：拓展元宇宙未来的创新空间
• 环境层：基于元宇宙技术形成的综合使用场景，具有复合性、生态性特征，“元宇宙+”生态大量涌现，对用户注意力争夺常态化，是未来与人们最容易触达的场景。
  • 虚拟人物：抢占人类精神生活高地
  • 教育：教育理念、体系、模式面临重构
  • 旅游生态：积极拥抱时代创新思维的重要体现
  • 国际传播：元宇宙话语权争夺的重要场域

总结 #

当前元宇宙的技术方面仍处于早期阶段，虽有微软、苹果、谷歌、Meta、百度、阿里、腾讯、华为等大型互联网公司加持，但迅速地进行迭代升级并非易事。

回看人类历史上每一次技术跨越，生产力变革永远不会缺席。也许，更多的期待在于，作为一个几乎确定的趋势，元宇宙会给人类社会生产生活方式与组织形态带来何种不确定的影响。