“元宇宙”的支撑技术解析

来源：万物智能视界

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很多人觉得元宇宙就是一种科学技术，是科学技术的集合体。那么元宇宙具体是哪些技术的集合呢？

在科学技术高速发展的背景之下，不同的技术类型有着不同的技术发展目标，更多地呈现出互为不同、互不通约、难以进行技术交流的状态，而元宇宙的提出便致力于对这一众科学技术进行通约与整合，统摄于一。如果我们把具体的某一项科学技术当做一个点或一条线、一个面，那么元宇宙就是由这些点、线、面构成的一个立方体。

从技术整合方面来说，元宇宙是伴随着具体的技术发展从量变到质变的过程，融合了一众的科学技术，它基于头戴式全身沉浸的计算机（VR/AR）设备、区块链、数字孪生、大数据、物联网、人工智能、5G等科学技术实现虚拟与现实的融合。

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全身沉浸的体验：XR技术

XR技术又称扩展现实技术，包含了AR（增强现实）、VR（虚拟现实）、MR（混合现实）技术，致力于将虚拟的内容和真实场景相融合。区别于文学、影视、网络游戏等的二维界面体验，元宇宙采用头戴式的3D显示界面（VR眼镜或AR眼镜等），更加立体与真实。XR技术对用户参与感极度重视，通过头戴式设备及其处理装饰生成数字虚拟空间，营造全身沉浸的感官体验，使人感觉到虚拟空间和真实空间没有太大差别。

元宇宙的虚拟现实（VR）设备如触摸手套、沉浸耳机、嗅觉模拟器等可以模拟出各种感官环境，人们可以充分利用其感官去听、看、闻、触，营造出一种极度逼真的虚拟世界，这会让身处元宇宙中的人产生一种强烈的沉浸其中的感觉。增强现实技术（AR）则是一种在现实场景中投射虚拟物象的技术，用户利用AR头盔显示器，可以看到电脑图形与真实物体多重叠加在一起的世界。

目前，VR技术还集中在视觉、听觉处理上，体感手套可以进行简单的肢体动作识别，但是对于嗅觉、触觉等体验还没有得到广泛的应用。AR技术则已使用在辅助导航和3D游戏中。2019年国外曾有一款较为风靡的AR寻宝软件，其思路就是将虚拟宝物随机叠加到现实空间中，用户通过手机摄像头可以发现肉眼所看不到的AR物件。

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高效便捷的操作：人机交互技术（HCI）

元宇宙的虚实交互逻辑在于，通过计算机对人的行为和意识进行感应，通过感应的结果作用于数字孪生物上，最后输出人的意识或指令到外端的人工智能设备上，这是元宇宙打通物理世界和虚拟世界的重要技术基础，即人机交互的问题。

元宇宙首先需要解决的问题是开发出适用的用户意识输入设备，机器若能便捷高效地理解用户意识，就能更快地在虚拟或现实世界中作出反映。目前现有的输入设备是鼠标、键盘、感应手套等，它们的缺点是不能解放用户的双手并准确地反映他们的身体运动。更高端的输入技术有计算机人工智能感应和脑机接口。

目前计算机人工智能感应仅停留在给出指令让人做动作来判断（如许多人脸识别系统要求人们做出左右转和张闭口的动作以进行核验）和对人的声音、表情的情绪识别，还尚未达到通过人的动作表情判断人行为意图的程度。

而脑机接口技术目前还处在起步阶段。2019年7月，美国Neuralink公司成功利用一台神经手术机器人向人脑中植入微米级的''信号线”，然后通过USB-C接口读取大脑信号，这种技术显然对人体有所损伤。同年，美国加州大学的研究团队首次通过非植入手段从大脑活动中提取人类说出某个词汇的深层含义，并将提取的内容迅速转换成文本。

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数字映射的宇宙：数字孪生技术（Digital Twins）

数字孪生技术是一种集成多物理、多尺度、多学科属性的技术，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性。耶鲁大学计算机科学家David Gelemter曾在1991年描述了“镜像世界''的样子：“将一些巨大的结构性的运动的真实生活，像镜像图景一样嵌入到电脑中，通过它你能看到和理解这个世界的全貌。"

利用数字孪生技术可以将现实中的物的各项数据实时地记录下来，再“拷贝”到元宇宙中通过3D建模技术显示出来。由于数字孪生的数据是实时反映的，因此元宇宙中虚拟物的形象参数也能忠实地反映其现实的状况。

目前，数字孪生技术己广泛应用于航天监测、高铁运营调度、工业实验、智慧家居终端和健康监测手环等领域。在国内，由于成本与传感器数量的限制，行业应用数据孪生技术收集的参数类型有一定的局限性，显示的形式也只停留在计算机3D建模下的关键参数提取。在国外，宝马(BMW)集团通过英伟达的Omniverse平台在计算机中创建数字化工厂，利用数据参数的反馈对生产配置进行优化。美国联邦森林服务局则利用英伟达0mniverse平台，通过数字孪生技术预测火灾动向，制定防灾减灾方案。

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自由编辑的赋能：3D技术与人工智能（AI）技术

元宇宙的人与物可以是现实中对应人与物的数字孪生体，也可以是人们经过摄取、选择、重组的创造物。也可以这么理解，元宇宙构建的“平行宇宙”是多元的，它基于现实世界的映射，却不需要所有元素都与现实世界相同。

在元宇宙中，人们的主观能动性与创造性将被极大释放。人们可以自由地编辑创造，设置不同的环境参数、模拟不同的生活场景、制造不同的虚拟事物，验证不同的理论猜想……这种对用户自由编辑的赋能，其事物外形构建建立在形成一套元宇宙自有的简易3D建模与逼真渲染技术之上，而其事物内在变化或属性特征则建立在人工智能的深度学习之上。

例如，在元宇宙中通过3D技术和渲染构建一个与火星环境的各项参数(如重力场、磁场、大气密度、温度、湿度等)等同的环境，其参数通过人工智能的深度学习能模仿更逼真的外在环境与材料变化的动态过程，从而达到试验与调整新型火星车的结构模型、材料强度、动力装置等目的，使火星车的设计更加优化。

同时，在元宇宙社交中，数字分身的创造亦不必完全等同自身。数字的“我”既可以是物理的“我''的完全克隆版，也可以是''我”内心构想出来的角色。个人的多重身份可以在元宇宙中保持无缝、沉浸式的交流，从而体验不一样的场景、开启不一样的人生。

目前，3D建模技术和视图渲染技术已经相当成熟，有诸如3Dmax、C4D、Maya、Rhino、AutoCAD等软件，被广泛用于影视特效制作、房地产建筑立体建模、工业效果展示等方面。元宇宙在这方面首要解决的是如何将现有的视图和渲染技术简化融合到元宇宙系统中，从而让用户更便捷地编辑创造。

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安全可靠的交易：区块链技术

在元宇宙的创造、社交、购物或游戏中，不可避免地将产生交易行为，而区块链技术的唯一性和保密性特征确保了数字资产的安全。元宇宙用户编辑创造生成的内容属于用户的个人数字资产，同时这种创造也极大地丰富和扩展了元宇宙的内容，而区块链技术则为这些数字资产提供了安全保障，可极大促进元宇宙创作的去中心化进程，使元宇宙经济模式更开放化、更扁平化、平等化。区块链具有分布式、强加密、不可篡改、唯一指向等技术优点，使得数据资产的安全得到了技术逻辑上的保障。

NFT是区块链上的一个数据单元，它可以在元宇宙中定义数字资产的所有权。区别于当前计算机数据的可复制性，NFT提供了一种有效的方法来证明数字资产是唯一性的和不可替代性的，人们可以使用区块链技术加密货币来交易他们的数字资产或开展经济活动。目前，区块链的发展受到各国政府和企业的重视。比特币是区块链技术的第一个应用，许多政府也在利用区块链技术加紧构建自己的主权数字货币，如我国正在构建的数字人民币。

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