闞貝加KAN Bei-jia

（廣東工業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院，廣州 510006；

School of Electronics，Electrical Engineering and Computer Science，Queens University of Belfast，Belfast，BT7 1NN Northern Ireland）

0 引言

元宇宙的發(fā)展歷程并不久遠(yuǎn)，但能在短時間內(nèi)吸引社會大眾，尤其是國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)巨頭的廣泛關(guān)注。近兩年新冠疫情的隔離政策減弱了人們在物理世界的聯(lián)系，但加強(qiáng)了在虛擬世界的交互需求，導(dǎo)致全社會上網(wǎng)時長大幅增長，“宅經(jīng)濟(jì)”快速發(fā)展。自媒體平臺、直播帶貨等新型娛樂及購物方式興起并日漸火爆，但作為觀眾無法真正地參與其中，人們?nèi)找嬖鲩L的交互需求仍無法得到滿足。隨著元宇宙概念的普及，人們看到了其社交、沉浸式等特性，因此對元宇宙帶來的全新體驗更加期待。

1 元宇宙的概念界定

“元宇宙”（Metaverse）是后現(xiàn)實的“宇宙”，是一個永久和持久的多用戶環(huán)境，融合了物理現(xiàn)實和數(shù)字虛擬性，并且是基于能夠與虛擬環(huán)境、數(shù)字物體和人進(jìn)行多感官互動技術(shù)的融合，如虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）[1]。準(zhǔn)確地說，元宇宙不是一個新的概念，它更像是一個經(jīng)典概念的重生，是在數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)接口、人工智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等技術(shù)發(fā)展下的概念具化。元宇宙旨在開發(fā)一個沉浸式的虛擬世界，打破現(xiàn)實生活中的各種局限，用戶可以在其中進(jìn)行娛樂、社交、文化活動等，從而創(chuàng)造一種新的文明和共識。元宇宙的概念，可以從時空性、真實性、獨立性、連接性四個方面來交叉解釋。從時空性來看，元宇宙是一個空間維度上虛擬而時間維度上真實的數(shù)字世界；從真實性來看，元宇宙中既有現(xiàn)實世界的數(shù)字孿生體，也有虛擬世界的創(chuàng)造物；從獨立性來看，元宇宙是一個與外部真實世界既緊密相連，又高度獨立的平行空間；從連接性來看，元宇宙是一個把網(wǎng)絡(luò)、硬件終端和用戶囊括進(jìn)來的一個永續(xù)的、廣覆蓋的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

2 元宇宙發(fā)展歷程及熱潮成因

2021 年下半年，“元宇宙”一詞頻繁登上各大媒體的頭條，美國知名游戲平臺羅布樂思（Roblox）在紐交所上市，隨即，臉書（Facebook）首席執(zhí)行官馬克·扎克伯格將公司改名為“元”（Meta），并宣布公司將致力于在未來五年左右的時間里轉(zhuǎn)型為一家元宇宙公司。微軟（Microsoft）、蘋果（Apple）、埃匹克（Epic）游戲等資本巨頭也緊隨其后，相繼正式入局“元宇宙”的建設(shè)競賽。國內(nèi)方面，騰訊公司在持有埃匹克游戲股份的同時還投資了沙盒游戲平臺羅布樂思，而VR 領(lǐng)域的小鳥看看（Pico）則被字節(jié)跳動公司以90 億人民幣的價格收購。元宇宙能成為當(dāng)下的科技熱點，一方面是因為時代的高速發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷升級，互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)也必然會引來新的改變，而元宇宙這一新興概念的出現(xiàn)則是時代應(yīng)運而生的產(chǎn)物。另一方面是前沿科技的加持，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)例如網(wǎng)絡(luò)傳輸（5G、6G）、交互接口（擴(kuò)展現(xiàn)實、腦機(jī)接口）、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等技術(shù)的突破為元宇宙發(fā)展提供了更多的可能。國外方面，被稱為“元宇宙第一股”的美國游戲平臺羅布樂思也為元宇宙的建設(shè)注入了許多新鮮血液，與傳統(tǒng)游戲平臺發(fā)行開發(fā)商的作品不同，羅布樂思并不自制游戲，而只是研發(fā)并為用戶提供簡單易上手的游戲開發(fā)引擎“羅布樂思工作室”以及可以展示創(chuàng)作內(nèi)容的社區(qū)，使得個人開發(fā)變得更加容易。玩家可以在羅布樂思中參與其他人創(chuàng)建的游戲，或使用“羅布樂思編輯器（Roblox Studio）”創(chuàng)建可以進(jìn)行交易的游戲和虛擬物品，比如衣服、身體部位和裝備[2]，滿足了廣大玩家群體的社交需求，從而吸引了數(shù)千萬的青少年用戶群體，為元宇宙熱潮奠定了龐大的用戶基數(shù)基礎(chǔ)。

3 元宇宙中的關(guān)鍵計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

元宇宙中的關(guān)鍵計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如圖1 所示。

圖1 元宇宙中的關(guān)鍵計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3.1 新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)——5G、6G

網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的提高是決定元宇宙沉浸式質(zhì)量高低的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)人機(jī)的深度交互，元宇宙與VR 聯(lián)網(wǎng)需要消耗大量數(shù)據(jù)，因此針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)也非常重要，無論是遠(yuǎn)程執(zhí)行計算量繁重的任務(wù)，或訪問大型數(shù)據(jù)庫，還是為用戶群體提供高質(zhì)量的共享體驗，都離不開網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。5G 作為新一代信息化的基礎(chǔ)設(shè)施，一直在不斷優(yōu)化和改善，為實時數(shù)據(jù)傳輸提供了必要的動力，使未來元宇宙的沉浸式體驗不再遙不可及。庫馬爾和阿爾邁德于2021 年提出基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)的5G 新空口技術(shù)中“低延遲通信”和“增強(qiáng)移動帶寬”多路復(fù)用反應(yīng)策略，能為“低延遲通信”的流量提供高優(yōu)先級，同時保證了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景中其他“增強(qiáng)移動帶寬”流量的可靠性[3]。馬利克等人提出一種干擾感知無線資源分配方法，該算法比傳統(tǒng)的循環(huán)調(diào)度算法在鏈路可靠性和延遲降低方面有明顯的改善[4]。布凱里等人在2018 年提出的混合重傳策略，既能滿足“低延遲通信”的需求，同時也使消耗的資源最小化[5]。

此外，將邊緣計算技術(shù)與5G、6G 移動通信技術(shù)結(jié)合能夠進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，保證了虛擬空間中的高質(zhì)量沉浸式體驗。通過5G 或6G 獲得的帶寬增益將意味著VR 渲染可以在邊緣設(shè)備上完成，再傳輸?shù)接脩舻腣R頭顯上，這預(yù)示著未來VR 頭顯的尺寸可能會因此縮小，讓用戶佩戴起來更輕便舒適。6G 作為5G 未來的必然發(fā)展方向，它將打破虛實世界的界限，助力實現(xiàn)人機(jī)物高效智能互聯(lián)，為元宇宙的實現(xiàn)建立起更堅實穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，為未來虛實世界的融合共生提供強(qiáng)大的驅(qū)動力。

3.2 新一代網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)

3.2.1 擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)

擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)（Extended Reality，XR），包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）和混合現(xiàn)實技術(shù)（Mixed Reality，MR），是元宇宙建設(shè)中必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)。從本質(zhì)上講，發(fā)展元宇宙的初衷是為了給用戶提供沉浸式的虛擬體驗，沒有XR（VR，AR，MR）技術(shù)的支撐則無法將其實現(xiàn)。XR 技術(shù)的誕生，使人機(jī)交互從二維平面過渡到了三維立體，顯著提高了用戶的使用體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR 為元宇宙帶來了身臨其境的體驗，它利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬空間，用戶通過佩戴VR 設(shè)備，就能360°感受元宇宙的立體世界，讓用戶感覺自己置身于現(xiàn)實世界當(dāng)中。盡管元宇宙和VR 是經(jīng)?；Q使用的術(shù)語，但它們之間仍存在著一些差異，體現(xiàn)在用戶之間的交互性。元宇宙是完全基于VR互動體驗的，例如VR 共享會議，而VR 中的單人電子游戲并不屬于元宇宙的一部分。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)AR 將計算機(jī)生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到現(xiàn)實場景中，從而實現(xiàn)虛擬信息的實時交互?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)MR 是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，VR 是純虛擬數(shù)字畫面，AR是虛擬數(shù)字畫面加上裸眼現(xiàn)實，而MR 是數(shù)字化現(xiàn)實加上虛擬數(shù)字畫面，它結(jié)合了VR 與AR 的優(yōu)勢，能夠更好地將AR 技術(shù)體現(xiàn)出來。也許在不久的將來，元宇宙可以基于XR 擴(kuò)展出更多具有未來感的技術(shù)。

3.2.2 腦機(jī)接口技術(shù)

腦機(jī)接口技術(shù)是構(gòu)成元宇宙虛實空間融合的基石。虛實世界的交互，除了需要以擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)為硬件基礎(chǔ)，還離不開腦機(jī)接口技術(shù)。腦機(jī)接口技術(shù)通過將大腦信號解碼成計算機(jī)設(shè)備可識別的指令，將人類的神經(jīng)世界和外部物理世界連接起來[6]，建立通路，并根據(jù)用戶的意愿進(jìn)行操作，如走路、寫字等。其過程主要包括：腦電信號采集、腦信號處理、設(shè)備控制及信息反饋四個方面[7]。腦機(jī)接口技術(shù)目前已經(jīng)有了不少可行的方法，阿比里等人綜述了基于腦電圖的腦機(jī)接口方法[8]，張翔等人基于人工智能算法對腦機(jī)接口進(jìn)行了研究[9]。基于傳感器和計算機(jī)設(shè)備的連接方式，可分為侵入式和非侵入式接口，但侵入式接口難免會對生物體造成損傷，且考慮到元宇宙的沉浸式體驗，未來的研究將重點關(guān)注非侵入式接口，為元宇宙虛實空間的融合奠定基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)字孿生技術(shù)

在元宇宙環(huán)境下，數(shù)字孿生技術(shù)將是最具現(xiàn)實意義的核心技術(shù)。英偉達(dá)（Nvidia）實時仿真與協(xié)作平臺“全宇宙”（Omniverse）的引擎實現(xiàn)了對現(xiàn)實世界的完全建模，而數(shù)字孿生技術(shù)則將這個虛擬空間的現(xiàn)實意義發(fā)揮到了極致。在虛擬引擎、數(shù)據(jù)分析、人工智能、傳感器等綜合技術(shù)的加持下，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)實世界的鏡像復(fù)制到虛擬三維空間中，即在元宇宙內(nèi)建造包括人、物品、植物、建筑等要素在內(nèi)的擬真數(shù)字孿生體，并且這些數(shù)字孿生體在元宇宙中都是動態(tài)的，即擁有與現(xiàn)實對象相同的生命周期。數(shù)字孿生實際上也是廣義元宇宙建設(shè)進(jìn)程的一部分，它早在21 世紀(jì)初就逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，與電力、醫(yī)療、機(jī)械制造、航空航天、交通運輸、城市管理等領(lǐng)域息息相關(guān)，也與物聯(lián)網(wǎng)、XR（VR、AR、MR）、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息產(chǎn)業(yè)密切關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)階段，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段，其虛擬對象是現(xiàn)實對象的映射，需要遵循現(xiàn)實的物理法則，功能上主要是虛擬仿真應(yīng)用，力求實現(xiàn)“虛實融合，以虛控實”的核心目標(biāo)[10]。而在“元宇宙”環(huán)境下，數(shù)字孿生技術(shù)無疑將是最具現(xiàn)實意義的核心技術(shù)，幾乎世間萬物都能在元宇宙中進(jìn)行構(gòu)建，并擁有自己的演化邏輯，具有超越現(xiàn)實的物理法則的自由度。

3.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)有望成為元宇宙技術(shù)架構(gòu)中最為底層的技術(shù)，在元宇宙建設(shè)中主要發(fā)揮著去中心化、不可篡改、可追溯性、開放性、匿名性和民主性的特征優(yōu)勢。區(qū)塊鏈最早由中本聰在2008 年提出，作為全球首個基于去中心化密碼學(xué)的數(shù)字貨幣比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)[11]。區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合了密碼學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)，通過對每個區(qū)塊中的信息進(jìn)行加密，保證區(qū)塊中儲存的信息數(shù)據(jù)不可偽造和篡改，并且無需任何第三方機(jī)構(gòu)的審核，以一種去中心化和去信任的方式實現(xiàn)多方共同維護(hù)。根據(jù)其自身特性，大致可以分為身份標(biāo)識和去中心化支撐這兩個方面。區(qū)塊鏈技術(shù)作為元宇宙最基礎(chǔ)的信息安全保障，必須確保元宇宙中每個用戶身份的唯一性，以防止被復(fù)制或盜用。這雖然是現(xiàn)階段互聯(lián)網(wǎng)難以實現(xiàn)的功能，但因為有區(qū)塊鏈技術(shù)的支持，不可篡改和可追溯性使得區(qū)塊鏈天生具備了“防復(fù)制”的特點，促進(jìn)元宇宙安全平穩(wěn)地發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

元宇宙蘊含著廣闊的發(fā)展前景，其意義并不止于創(chuàng)造出一個與現(xiàn)實世界平行的虛擬世界以供人們娛樂，還能作為與現(xiàn)實世界交互、反饋的擬真數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)為人類社會的進(jìn)步服務(wù)，產(chǎn)生更多的新興產(chǎn)業(yè)和就業(yè)機(jī)會。當(dāng)這樣的互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建起來之后，網(wǎng)絡(luò)空間將從現(xiàn)在這種只能通過屏幕閱讀的、平面的、與主體相隔膜的他者空間，升級為沉浸式的、立體的、可感知的、與主體融為一體的具身性空間[12]。然而，在暢想元宇宙光明未來的同時，也須謹(jǐn)慎思考其中所包含的風(fēng)險，諸如在元宇宙中的隱私及財產(chǎn)安全、資本操縱、過度沉迷等方面，以免它在發(fā)展的某個階段反噬人類社會，帶來不可預(yù)估的傷害。