“元宇宙”的支撐技術(shù)解析

來源：萬物智能視界

很多人覺得元宇宙就是一種科學(xué)技術(shù)，是科學(xué)技術(shù)的集合體。那么元宇宙具體是哪些技術(shù)的集合呢？

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景之下，不同的技術(shù)類型有著不同的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)，更多地呈現(xiàn)出互為不同、互不通約、難以進(jìn)行技術(shù)交流的狀態(tài)，而元宇宙的提出便致力于對(duì)這一眾科學(xué)技術(shù)進(jìn)行通約與整合，統(tǒng)攝于一。如果我們把具體的某一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)當(dāng)做一個(gè)點(diǎn)或一條線、一個(gè)面，那么元宇宙就是由這些點(diǎn)、線、面構(gòu)成的一個(gè)立方體。

從技術(shù)整合方面來說，元宇宙是伴隨著具體的技術(shù)發(fā)展從量變到質(zhì)變的過程，融合了一眾的科學(xué)技術(shù)，它基于頭戴式全身沉浸的計(jì)算機(jī)（VR/AR）設(shè)備、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合。

全身沉浸的體驗(yàn)：XR技術(shù)

XR技術(shù)又稱擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)，包含了AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，致力于將虛擬的內(nèi)容和真實(shí)場(chǎng)景相融合。區(qū)別于文學(xué)、影視、網(wǎng)絡(luò)游戲等的二維界面體驗(yàn)，元宇宙采用頭戴式的3D顯示界面（VR眼鏡或AR眼鏡等），更加立體與真實(shí)。XR技術(shù)對(duì)用戶參與感極度重視，通過頭戴式設(shè)備及其處理裝飾生成數(shù)字虛擬空間，營造全身沉浸的感官體驗(yàn)，使人感覺到虛擬空間和真實(shí)空間沒有太大差別。

元宇宙的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備如觸摸手套、沉浸耳機(jī)、嗅覺模擬器等可以模擬出各種感官環(huán)境，人們可以充分利用其感官去聽、看、聞、觸，營造出一種極度逼真的虛擬世界，這會(huì)讓身處元宇宙中的人產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的沉浸其中的感覺。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）則是一種在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中投射虛擬物象的技術(shù)，用戶利用AR頭盔顯示器，可以看到電腦圖形與真實(shí)物體多重疊加在一起的世界。

目前，VR技術(shù)還集中在視覺、聽覺處理上，體感手套可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的肢體動(dòng)作識(shí)別，但是對(duì)于嗅覺、觸覺等體驗(yàn)還沒有得到廣泛的應(yīng)用。AR技術(shù)則已使用在輔助導(dǎo)航和3D游戲中。2019年國外曾有一款較為風(fēng)靡的AR尋寶軟件，其思路就是將虛擬寶物隨機(jī)疊加到現(xiàn)實(shí)空間中，用戶通過手機(jī)攝像頭可以發(fā)現(xiàn)肉眼所看不到的AR物件。

高效便捷的操作：人機(jī)交互技術(shù)（HCI）

元宇宙的虛實(shí)交互邏輯在于，通過計(jì)算機(jī)對(duì)人的行為和意識(shí)進(jìn)行感應(yīng)，通過感應(yīng)的結(jié)果作用于數(shù)字孿生物上，最后輸出人的意識(shí)或指令到外端的人工智能設(shè)備上，這是元宇宙打通物理世界和虛擬世界的重要技術(shù)基礎(chǔ)，即人機(jī)交互的問題。

元宇宙首先需要解決的問題是開發(fā)出適用的用戶意識(shí)輸入設(shè)備，機(jī)器若能便捷高效地理解用戶意識(shí)，就能更快地在虛擬或現(xiàn)實(shí)世界中作出反映。目前現(xiàn)有的輸入設(shè)備是鼠標(biāo)、鍵盤、感應(yīng)手套等，它們的缺點(diǎn)是不能解放用戶的雙手并準(zhǔn)確地反映他們的身體運(yùn)動(dòng)。更高端的輸入技術(shù)有計(jì)算機(jī)人工智能感應(yīng)和腦機(jī)接口。

目前計(jì)算機(jī)人工智能感應(yīng)僅停留在給出指令讓人做動(dòng)作來判斷（如許多人臉識(shí)別系統(tǒng)要求人們做出左右轉(zhuǎn)和張閉口的動(dòng)作以進(jìn)行核驗(yàn)）和對(duì)人的聲音、表情的情緒識(shí)別，還尚未達(dá)到通過人的動(dòng)作表情判斷人行為意圖的程度。

而腦機(jī)接口技術(shù)目前還處在起步階段。2019年7月，美國Neuralink公司成功利用一臺(tái)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人向人腦中植入微米級(jí)的''信號(hào)線”，然后通過USB-C接口讀取大腦信號(hào)，這種技術(shù)顯然對(duì)人體有所損傷。同年，美國加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次通過非植入手段從大腦活動(dòng)中提取人類說出某個(gè)詞匯的深層含義，并將提取的內(nèi)容迅速轉(zhuǎn)換成文本。

數(shù)字映射的宇宙：數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twins）

數(shù)字孿生技術(shù)是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性的技術(shù)，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性。耶魯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家David Gelemter曾在1991年描述了“鏡像世界''的樣子：“將一些巨大的結(jié)構(gòu)性的運(yùn)動(dòng)的真實(shí)生活，像鏡像圖景一樣嵌入到電腦中，通過它你能看到和理解這個(gè)世界的全貌。"

利用數(shù)字孿生技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)中的物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地記錄下來，再“拷貝”到元宇宙中通過3D建模技術(shù)顯示出來。由于數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)反映的，因此元宇宙中虛擬物的形象參數(shù)也能忠實(shí)地反映其現(xiàn)實(shí)的狀況。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)己廣泛應(yīng)用于航天監(jiān)測(cè)、高鐵運(yùn)營調(diào)度、工業(yè)實(shí)驗(yàn)、智慧家居終端和健康監(jiān)測(cè)手環(huán)等領(lǐng)域。在國內(nèi)，由于成本與傳感器數(shù)量的限制，行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)孿生技術(shù)收集的參數(shù)類型有一定的局限性，顯示的形式也只停留在計(jì)算機(jī)3D建模下的關(guān)鍵參數(shù)提取。在國外，寶馬(BMW)集團(tuán)通過英偉達(dá)的Omniverse平臺(tái)在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建數(shù)字化工廠，利用數(shù)據(jù)參數(shù)的反饋對(duì)生產(chǎn)配置進(jìn)行優(yōu)化。美國聯(lián)邦森林服務(wù)局則利用英偉達(dá)0mniverse平臺(tái)，通過數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)測(cè)火災(zāi)動(dòng)向，制定防災(zāi)減災(zāi)方案。

自由編輯的賦能：3D技術(shù)與人工智能（AI）技術(shù)

元宇宙的人與物可以是現(xiàn)實(shí)中對(duì)應(yīng)人與物的數(shù)字孿生體，也可以是人們經(jīng)過攝取、選擇、重組的創(chuàng)造物。也可以這么理解，元宇宙構(gòu)建的“平行宇宙”是多元的，它基于現(xiàn)實(shí)世界的映射，卻不需要所有元素都與現(xiàn)實(shí)世界相同。

在元宇宙中，人們的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性將被極大釋放。人們可以自由地編輯創(chuàng)造，設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)、模擬不同的生活場(chǎng)景、制造不同的虛擬事物，驗(yàn)證不同的理論猜想……這種對(duì)用戶自由編輯的賦能，其事物外形構(gòu)建建立在形成一套元宇宙自有的簡(jiǎn)易3D建模與逼真渲染技術(shù)之上，而其事物內(nèi)在變化或?qū)傩蕴卣鲃t建立在人工智能的深度學(xué)習(xí)之上。

例如，在元宇宙中通過3D技術(shù)和渲染構(gòu)建一個(gè)與火星環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)(如重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、大氣密度、溫度、濕度等)等同的環(huán)境，其參數(shù)通過人工智能的深度學(xué)習(xí)能模仿更逼真的外在環(huán)境與材料變化的動(dòng)態(tài)過程，從而達(dá)到試驗(yàn)與調(diào)整新型火星車的結(jié)構(gòu)模型、材料強(qiáng)度、動(dòng)力裝置等目的，使火星車的設(shè)計(jì)更加優(yōu)化。

同時(shí)，在元宇宙社交中，數(shù)字分身的創(chuàng)造亦不必完全等同自身。數(shù)字的“我”既可以是物理的“我''的完全克隆版，也可以是''我”內(nèi)心構(gòu)想出來的角色。個(gè)人的多重身份可以在元宇宙中保持無縫、沉浸式的交流，從而體驗(yàn)不一樣的場(chǎng)景、開啟不一樣的人生。

目前，3D建模技術(shù)和視圖渲染技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，有諸如3Dmax、C4D、Maya、Rhino、AutoCAD等軟件，被廣泛用于影視特效制作、房地產(chǎn)建筑立體建模、工業(yè)效果展示等方面。元宇宙在這方面首要解決的是如何將現(xiàn)有的視圖和渲染技術(shù)簡(jiǎn)化融合到元宇宙系統(tǒng)中，從而讓用戶更便捷地編輯創(chuàng)造。

安全可靠的交易：區(qū)塊鏈技術(shù)

在元宇宙的創(chuàng)造、社交、購物或游戲中，不可避免地將產(chǎn)生交易行為，而區(qū)塊鏈技術(shù)的唯一性和保密性特征確保了數(shù)字資產(chǎn)的安全。元宇宙用戶編輯創(chuàng)造生成的內(nèi)容屬于用戶的個(gè)人數(shù)字資產(chǎn)，同時(shí)這種創(chuàng)造也極大地豐富和擴(kuò)展了元宇宙的內(nèi)容，而區(qū)塊鏈技術(shù)則為這些數(shù)字資產(chǎn)提供了安全保障，可極大促進(jìn)元宇宙創(chuàng)作的去中心化進(jìn)程，使元宇宙經(jīng)濟(jì)模式更開放化、更扁平化、平等化。區(qū)塊鏈具有分布式、強(qiáng)加密、不可篡改、唯一指向等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全得到了技術(shù)邏輯上的保障。

NFT是區(qū)塊鏈上的一個(gè)數(shù)據(jù)單元，它可以在元宇宙中定義數(shù)字資產(chǎn)的所有權(quán)。區(qū)別于當(dāng)前計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的可復(fù)制性，NFT提供了一種有效的方法來證明數(shù)字資產(chǎn)是唯一性的和不可替代性的，人們可以使用區(qū)塊鏈技術(shù)加密貨幣來交易他們的數(shù)字資產(chǎn)或開展經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。目前，區(qū)塊鏈的發(fā)展受到各國政府和企業(yè)的重視。比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)的第一個(gè)應(yīng)用，許多政府也在利用區(qū)塊鏈技術(shù)加緊構(gòu)建自己的主權(quán)數(shù)字貨幣，如我國正在構(gòu)建的數(shù)字人民幣。