［劉曉軍］

1 引言

云宇宙其英文名稱“Metaverse”一詞由前綴“meta”（意為超越）和詞根“verse”（由”宇宙”反演而來）組成。從字面意思來看，元宇宙是多維、來源并超越現(xiàn)實(shí)宇宙的，這樣就給其無限的可能性，使之具備囊括各種最新技術(shù)的聚合體。

按照清華大學(xué)發(fā)布的相關(guān)白皮書，其給出了元宇宙如下的定義：“元宇宙是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會生態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬時間與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交體系、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)和世界編輯。”[1]

因?yàn)樵朴钪媸切滦偷募夹g(shù)群聚體，從不同技術(shù)角度、業(yè)務(wù)維度，具有不同的解讀，所以當(dāng)前其內(nèi)涵闡述也略有區(qū)別，但其虛實(shí)相融、沉浸式體驗(yàn)、開放式生態(tài)體系等業(yè)務(wù)特征業(yè)界是可以達(dá)成共識的，同時針對其囊括擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、數(shù)子孿生、區(qū)塊鏈、人工智能、大數(shù)據(jù)和通信技術(shù)等各種前沿技術(shù)也具有相同的觀點(diǎn)。

云宇宙博大精深，具有各種技術(shù)發(fā)展的可能性，同時也造成了其技術(shù)內(nèi)涵把控的難度，本文作者基于多年以來對擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）技術(shù)的追蹤和研究，嘗試從技術(shù)角度全面分析元宇宙的總體架構(gòu)，并針對其存在的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行剖析，同時分析可能的技術(shù)出路，最后對其未來發(fā)展進(jìn)行展望，分析技術(shù)走向和未來趨勢。

2 云宇宙技術(shù)特征

為了進(jìn)一步分析元宇宙的技術(shù)內(nèi)涵，需要首先針對其誕生意義、與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)差異、用戶體驗(yàn)飛躍等技術(shù)特征進(jìn)行初步分析，從而對其具備總體概念。

云宇宙的誕生具備同時滿足技術(shù)、資本和用戶體驗(yàn)三大要素的特征。首先技術(shù)方面，各種AI、5G/6G、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計算等技術(shù)逐步演進(jìn)與成熟，造成各種技術(shù)之間的相互交融和聯(lián)合創(chuàng)新成為可能，需要一個統(tǒng)攝性的場景提供共榮共生的舞臺；資本角度，隨著固有互聯(lián)網(wǎng)模式的市場飽和，需要尋找場景式社交、虛擬物品、智能制造、情景交易等新型的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)市場；用戶體驗(yàn)角度，需要具備開放屬性、高度沉浸社交、擬人式操控方式和創(chuàng)造性游玩的創(chuàng)新的智能操控、虛實(shí)交互和情感交互的場景。上述三大要素，直接促進(jìn)了元宇宙概念的涌現(xiàn)，而且首先在資本方面隨著Facebook、微軟等巨頭公司發(fā)力而率先爆發(fā)。

云宇宙之所以產(chǎn)生如此廣泛的關(guān)注，還在于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)需要在打破現(xiàn)有巨頭平臺的壟斷屬性，走出現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)傳播方式、交互方式和參與體驗(yàn)等方面的局限性。現(xiàn)就云宇宙與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別進(jìn)行系統(tǒng)分析。首先在內(nèi)容載體上，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)依附于各大平臺，并由其派生各種互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；元宇宙是提供一個公共舞臺和開放性規(guī)則，是虛實(shí)共生的機(jī)制，單一公司和平臺只不過是其中眾多服務(wù)的分支，永遠(yuǎn)無法占據(jù)主導(dǎo)。傳播方式角度，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)是利益驅(qū)動的規(guī)?；卣?；元宇宙是基于虛實(shí)融合生產(chǎn)生活需求的延伸，從人性化、便利化和個性化角度進(jìn)行傳播?；臃绞浇嵌龋?dāng)前互聯(lián)網(wǎng)是一種鍵鼠、觸屏等具象的操控方式，元宇宙是一種融合各種動作、語言和情感的智能操控方式。參與體驗(yàn)角度，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)是一種純粹被動或者應(yīng)用設(shè)定規(guī)則的參與方式；元宇宙是一種開放性的，以人為本，多人在公平、公正規(guī)則下共同構(gòu)建的，使其成為來源現(xiàn)實(shí)，又超越現(xiàn)實(shí)的虛擬生活方式。

云宇宙的出現(xiàn)，其根本的動力還是人類對現(xiàn)實(shí)世界改造的沖動性，但是基于時空環(huán)境和人類生理實(shí)體局限性，阻礙了人類思想的飛躍，首先誕生了文學(xué)、戲曲等多種文藝形式，后來隨著影像技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了電影、動畫等表現(xiàn)形式，之后擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)帶來沉浸式如臨其境的體驗(yàn)[2]，而元宇宙將是交融虛實(shí)又超越現(xiàn)實(shí)的具有沉浸感、參與感、補(bǔ)償感和超越感的身臨其境。

云宇宙作為全新的虛實(shí)融生的舞臺，從技術(shù)角度而言，需要具有現(xiàn)實(shí)的立足點(diǎn)，整個發(fā)展過程很可能是首先做現(xiàn)實(shí)世界虛擬模擬的數(shù)字孿生，之后借助數(shù)字孿生底座進(jìn)行虛擬世界的原創(chuàng)性原生，之后通過虛擬世界原生影響現(xiàn)實(shí)世界并達(dá)到虛擬與現(xiàn)實(shí)的融生的最終境界。

3 元宇宙技術(shù)架構(gòu)

云宇宙作為各種創(chuàng)新技術(shù)群聚體，其發(fā)展具有很多不確定性，我們嘗試對其整體技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行分析和研究。按照算力、網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，生態(tài)體系為核心，通過虛實(shí)界面交互，通過多種數(shù)據(jù)處理結(jié)果，得以運(yùn)行各種多維應(yīng)用的原則，獲得總體技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 元宇宙技術(shù)架構(gòu)圖

3.1 算力基礎(chǔ)

構(gòu)建整體元宇宙的底層算力基礎(chǔ)，提供龐大的邏輯運(yùn)算、圖形渲染以及AI 處理等。

（1）多核芯片技術(shù)：相對應(yīng)各種虛擬化和容器等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足不同用戶或應(yīng)用個性化具備獨(dú)立性運(yùn)算的需求。

（2）分布式計算技術(shù)：不僅是當(dāng)前大數(shù)據(jù)的分布式處理，還包括基于多服務(wù)器協(xié)同的分布式渲染、分布式AI 處理等，依托服務(wù)器規(guī)模撐起元宇宙浩瀚的計算量。

（3）量子計算技術(shù)：充分利用量子糾纏多態(tài)屬性，能夠呈現(xiàn)指數(shù)型計算能力提升的特征[3]，實(shí)現(xiàn)低投入的算力支撐。

（4）云網(wǎng)算力融合技術(shù)：基于網(wǎng)元智能、邊緣部署和網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)能力融合機(jī)制，降低網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)。

（5）腦聯(lián)網(wǎng)計算技術(shù)：借助人類自身的大腦聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低能耗的完成元宇宙的龐大的計算任務(wù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

為了滿足虛擬與現(xiàn)實(shí)融合/實(shí)時交互，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，人機(jī)互聯(lián)和人人互聯(lián)等。

（1）5G/6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升和演進(jìn)，為元宇宙提供無所不在、高速互聯(lián)的高性能網(wǎng)絡(luò)條件。

（2）云間/云內(nèi)互聯(lián)技術(shù)：各個計算資源池之間需要具備實(shí)時的海量數(shù)據(jù)交互能力，同時計算資源池內(nèi)部也需要跨越電口的數(shù)據(jù)通道，需要相關(guān)互聯(lián)技術(shù)的提升。

（3）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：基于萬物互聯(lián)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)針對實(shí)際場景數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取和采集。

（4）量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：基于量子安全和量子計算構(gòu)建的新型網(wǎng)絡(luò)，能夠有效支持龐大的云宇宙。

（5）腦聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：實(shí)現(xiàn)人類大腦的互聯(lián)互通，為人腦聯(lián)網(wǎng)計算和數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。

3.3 生態(tài)體系

作為元宇宙公平、開放和平等的通用標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的核心部分，主要提供整體元宇宙良性生態(tài)成長體系。

（1）區(qū)塊鏈溯源機(jī)制：基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建元宇宙的安全認(rèn)證體系，包括鑒權(quán)、虛實(shí)財產(chǎn)交互、數(shù)據(jù)交互等，確保體系的安全可靠[4]。

（2）開放式協(xié)議：需要形成類似于互聯(lián)網(wǎng)機(jī)制的開放式、純第三方并得到大眾認(rèn)可的元宇宙構(gòu)建協(xié)議體系，從而構(gòu)建云宇宙的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)底層。

（3）開源基礎(chǔ)架構(gòu)：區(qū)別現(xiàn)有的基于單平臺或單應(yīng)用的架構(gòu)，需要提供面向所有廠商、大眾的，并且具有開放式編輯和完善的統(tǒng)一基礎(chǔ)架構(gòu)，確保元宇宙不會受制于個別巨頭或團(tuán)體勢力。

（4）去中心運(yùn)作機(jī)制：需要打破中心化的叢林法則，建立人人平等，公平參與的去中心化以人為本的運(yùn)作機(jī)制。

（5）共享式服務(wù)機(jī)制：元宇宙整個生態(tài)體系都是公益的，避免出現(xiàn)私利化的封閉花園，其服務(wù)模式也必須是共享模式的。

3.4 虛實(shí)界面

主要處理元宇宙相關(guān)的虛擬與現(xiàn)實(shí)交互接口以及服務(wù)呈現(xiàn)等功能。

（1）擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)：包括VR 全虛擬、AR 虛實(shí)融合、MR 虛實(shí)交融和全息投影等多種呈現(xiàn)方式。

（2）智能機(jī)器人：以智能機(jī)器人作為虛實(shí)融合的承載體或者服務(wù)支撐者，面向用戶提供元宇宙服務(wù)。

（3）智能操控技術(shù)：融合各種肢體、聲音、表情和情感等交互方式，同時輔以虛擬與現(xiàn)實(shí)交互互通，實(shí)現(xiàn)人性化交互。

（4）人腦接口：通過植入式或攜帶式接口，實(shí)現(xiàn)人腦思維/成像與電腦互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)人類思維電腦指令輸入、電腦數(shù)據(jù)人腦同步以及人腦刺激成像等[5]。

（5）虛實(shí)交互：虛實(shí)交融的主要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬場景的實(shí)際世界映射和改造，同時通過實(shí)際世界的改造而達(dá)到虛擬世界的重塑。

3.5 數(shù)據(jù)處理

主要承擔(dān)元宇宙海量現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理和AI 協(xié)同等功能。

（1）實(shí)時數(shù)據(jù)采集：在整個元宇宙的體系中，能夠做到同時面向?qū)嶋H世界和虛擬空間的相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，需要與現(xiàn)實(shí)世界各種實(shí)體建筑、實(shí)體交通工具、實(shí)體人和實(shí)體道路等各種采集器對接，并且同時具備在虛擬空間中各種生產(chǎn)、生活數(shù)據(jù)實(shí)時獲取。

（2）大數(shù)據(jù)處理：以實(shí)時采集的數(shù)據(jù)和以往固有數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)建模處理，其中針對海量的實(shí)時數(shù)據(jù)需要采用高效的時序數(shù)據(jù)處理機(jī)制。

（3）AI 智能處理：基于元宇宙大數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并輔助各種AI 算法，面向不同業(yè)務(wù)需求與場景提供人工智能預(yù)測與分析。

（4）融合原生數(shù)據(jù)處理：在實(shí)際世界和虛擬空間兩條路線數(shù)據(jù)外，還存在虛實(shí)交融以及基于元宇宙原生的各種應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)，其具有虛實(shí)疊加又高于現(xiàn)實(shí)的屬性，有必要作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理路線。

（5）人腦協(xié)同處理：借助人腦接口，實(shí)現(xiàn)電腦數(shù)據(jù)和人腦意識的聯(lián)通，同時需要進(jìn)行電腦與人腦之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)譯、數(shù)據(jù)分析、存儲和AI 處理等。

3.6 多維應(yīng)用

依托元宇宙的技術(shù)底層，上層會演繹出千姿百態(tài)、多種維度的虛實(shí)融生應(yīng)用場景。

（1）場景社交：不同于當(dāng)前信息或簡單影像社交，構(gòu)建基于情感交流、思維聯(lián)通等特征，具有微表情展示和性格展現(xiàn)的超越現(xiàn)實(shí)世界的新型社交方式。

（2）沉浸電商：打破現(xiàn)有被動信息獲取購買方式，具有在線真實(shí)挑選、比對和試用結(jié)合的新型逛街方式。

（3）超時空體驗(yàn)：打破現(xiàn)實(shí)世界和人體能力局限，以超越時空限制方式展現(xiàn)更多趣味性體驗(yàn)，當(dāng)然其也可能引發(fā)與現(xiàn)實(shí)世界過分脫節(jié)的風(fēng)險。

（4）開放式編輯：實(shí)現(xiàn)在元宇宙中，人人都是世界的締造者，人人都可以參與新型虛實(shí)融生世界的添加、修改等操作，人人都是世界的創(chuàng)造者和提供者。

（5）原生智能生產(chǎn)：借助元宇宙的整體龐大體系，智能生產(chǎn)超越了單一工廠、單一公司的范疇，而是整個產(chǎn)業(yè)鏈或全體產(chǎn)業(yè)鏈基于虛實(shí)融生的智能協(xié)同，從而避免產(chǎn)品過?；蚨倘钡痊F(xiàn)象，提升全人類的效率。

4 元宇宙存在的技術(shù)挑戰(zhàn)

元宇宙從服務(wù)全人類的角度看，應(yīng)該是構(gòu)建一個全新互聯(lián)網(wǎng)的通用、開放、偏平化、人人參與并決策，并由各種公開協(xié)議組成的標(biāo)準(zhǔn)體系。不過元宇宙其體系之龐大，與網(wǎng)絡(luò)誕生之初相對單純之訴求不可同日而語，這樣就帶來了很多的技術(shù)挑戰(zhàn)和未知數(shù)，本章嘗試分析其中部分的挑戰(zhàn)。

4.1 算力與碳中和

從全球角度看，隨著云計算和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)深耕到千行百業(yè)，同時帶來數(shù)據(jù)中心能耗的占比提升。根據(jù)Andrae 的調(diào)查報告，在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心成為全球能源使用規(guī)模最大的用戶，將從2015 年的0.9%上升到2025年的4.5%。相比之下，消費(fèi)設(shè)備、固定接入有線服務(wù)、無線網(wǎng)絡(luò)等行業(yè)領(lǐng)域在能源使用方面落后于數(shù)據(jù)中心[6]。同時據(jù)智研咨詢預(yù)測，國內(nèi)2025 年數(shù)據(jù)中心能耗將占整體能耗的4.1%[7]。

上述預(yù)測是在未考慮元宇宙因素的情況得出，如果要實(shí)現(xiàn)元宇宙虛實(shí)融生，而且要超越現(xiàn)實(shí)的最終境界，其所需算力將是幾何級增加，加上現(xiàn)有x86 架構(gòu)芯片底層物理構(gòu)造達(dá)到生產(chǎn)極限，通過制造工藝節(jié)能的步伐將越來越慢甚至停止，依托現(xiàn)有成熟的計算方式未來基于元宇宙的能耗將出現(xiàn)管涌式爆發(fā)，很可能會影響人類碳中和的進(jìn)程。

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，有必要采用量子計算和人腦聯(lián)網(wǎng)計算等新技術(shù)來規(guī)避。量子計算理論上相比x86 的電子二進(jìn)制架構(gòu)具有大幅算力的提升，具有潛質(zhì)在低能耗下提供龐大的算力，不過當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)還處于逐步完善中，而且是生態(tài)體系建設(shè)也尚需時日完善。人腦聯(lián)網(wǎng)計算，是指借助人腦作為計算基礎(chǔ)，其好處是能耗低，難點(diǎn)在于腦機(jī)接口的技術(shù)突破以及倫理上的保護(hù)措施等，其技術(shù)還在逐步研發(fā)中，也是難以短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

從算力角度看，綜合投入和碳中和的矛盾關(guān)系，個人認(rèn)為當(dāng)前元宇宙還處于概念炒作過程中，其算力底座尚未完備，而且需要數(shù)年甚至數(shù)十年的演進(jìn)。

4.2 公益標(biāo)準(zhǔn)與投入

元宇宙如果要實(shí)現(xiàn)基于公平、公正的原則，服務(wù)全人類的模式，需要構(gòu)建以公益屬性的生態(tài)體系，需要投入大量人力和物力，構(gòu)建相關(guān)的開放協(xié)議棧以及開源并持續(xù)更新的開發(fā)底座。

相關(guān)聯(lián)的協(xié)議包括虛實(shí)交互、腦機(jī)交互、虛實(shí)數(shù)據(jù)傳輸、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、AI 交互等全系列的標(biāo)準(zhǔn)，與互聯(lián)網(wǎng)草創(chuàng)時期具有天壤之別，單一組織或機(jī)構(gòu)無法獨(dú)立承擔(dān)其構(gòu)建的工作，具有海量的任務(wù)同時也需要大量的資金投入。

理想中的云宇宙公益標(biāo)準(zhǔn)的屬性，趨利的資本很難有大的注資，導(dǎo)致其如何走向存在不確定性。當(dāng)然還有一種可能就是互聯(lián)網(wǎng)巨頭在各自所屬領(lǐng)域首先實(shí)現(xiàn)部分元宇宙功能，例如開放式游戲內(nèi)容、場景式社交等，但商業(yè)趨利的本質(zhì)會嚴(yán)重影響其公益的意愿性。

個人覺得該項(xiàng)工作應(yīng)該從國家層面通力合作承擔(dān)，先從底層基礎(chǔ)協(xié)議制定開始，在業(yè)務(wù)層面通過區(qū)域性的部分實(shí)現(xiàn)作為標(biāo)桿，引領(lǐng)整體產(chǎn)業(yè)小步快跑實(shí)現(xiàn)。

4.3 開放編輯與安全

開放式編輯，是指在云宇宙是屬于所有人，與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)巨頭各領(lǐng)域煙囪并立、跑馬圈地不同，是任何人都可以平等參與、共同規(guī)劃和建設(shè)的公共舞臺。從另外一個角度講，就是整個元宇宙不存在設(shè)定的固有邏輯，成長路線和規(guī)劃內(nèi)收益等內(nèi)容，這些剛好是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)公司利用手頭掌握的相應(yīng)資源從而獲利的手段。當(dāng)然也并非說元宇宙中的服務(wù)不能獲益，但更多是提供一個空間獲得租賃費(fèi)等合理的回報，而不是通過平臺壟斷獲得高額的不合理回報。

不過在現(xiàn)實(shí)中，不同的團(tuán)體和個人所擁有的資源、技能千差萬別，造成其參與開放編輯的能力也存在區(qū)別，而且針對開放式底層架構(gòu)的存在的弊端和漏洞非法挖掘獲利也會帶來極大的不公平性。

開放式的編輯，是公平性的底座，是需要以安全保障為前提進(jìn)行?？梢韵胂蟮牡?，云宇宙該方面的發(fā)展的過程是與其漏洞不斷對抗和不斷完善相輔相成的。不過元宇宙其來源現(xiàn)實(shí)并超越現(xiàn)實(shí)的屬性，會具有更多的復(fù)雜性，也給未來對應(yīng)安全技術(shù)帶來全新的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

本文簡要概括了云宇宙基礎(chǔ)概念、技術(shù)特征等相關(guān)內(nèi)容；隨后分析和研究了算力基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、生態(tài)體系、虛實(shí)界面、數(shù)據(jù)處理和多維應(yīng)用等六方面的總體技術(shù)架構(gòu)；隨后針對元宇宙存在的算力與碳中和、公益標(biāo)準(zhǔn)與投入、開放編輯與安全等技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，并嘗試給予初步解決方法。元宇宙當(dāng)前還處于概念炒作階段中，達(dá)到構(gòu)建公平、公正的開放式標(biāo)準(zhǔn)底層尚需時日，通過本文針對元宇宙其總體架構(gòu)和相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)的研究，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)科技人員全面研究和深度分析元宇宙的技術(shù)本質(zhì)、選取研究方向提供了參考和借鑒。