基于元宇宙技术的存算平台方案

可监管的元宇宙存算平台

远望智库特约研究员 作者  翟拥华 

一、引言

元宇宙（如图1）是人类运用数字技术构建的，由现实世界映射或超越现实世界，可与现实世界交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间，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，它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，以及数字孪生技术生成现实世界的镜像，通过区块链技术搭建经济体系和基础，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和确权。元宇宙将打破我们所习惯的现实世界物理规则，以全新方式激发产业技术创新；此外，元宇宙将与不同产业深度融合，以新模式、新业态带动相关产业跃迁升级。

图1 元宇宙基础架构

二、背景技术

（一）区块链

区块链技术是元宇宙构建最为底层的逻辑技术，是一种使用密码技术将共识确认的区块，按照顺序追加形成的分布式账本，通过强关联性的链状数据结构达到了防篡改、可追溯的目的。区块链技术可实现去中心化节点大规模协作，在数据存储、分析计算、智能执行、网络安全等方面都具有独特的优势。所以在此之上构建元宇宙最为重要的运行逻辑和经济体态。

（二）分布式计算

分布式计算是指把一个需要很大的计算能力才能解决的问题分解成许多小的算式，分配给许多计算节点进行处理，最后把这些计算结果汇总起来得到最终的结果。通过分布式计算，在多台计算节点上平衡计算负载，形成由多方节点共同计算组成元宇宙整体，节约整体计算时间，提高计算性能和效率。

（三）三维建模

三维建模及多人协同是最为直观的元宇宙的展示模式，显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型抽象表示。所以元宇宙世界的展示，依托于三维模型的建立。

（四）扩展现实(XR)

扩展现实(Extended Reality, XR)是指通过计算机将真实与虚拟相结合，打造一个可人机交互的虚拟环境，是虚拟现实(Virtual Reality, VR)、增强现实(Augmented Reality, AR)和混合现实(Mixed Reality, MR)等各种新沉浸式技术的统称。其中，VR是利用头戴设备模拟真实世界的三维虚拟互动场景；AR是通过手机、平板、眼镜等电子设备将各种信息和影像叠加到现实世界中；MR则是在虚拟世界、现实世界和用户之间，利用数字技术实现实时交互的复杂环境。XR的存在即可展示元宇宙的沉浸式。

（五）裸眼3D

裸眼3D显示技术运用眼球的视觉差异原理：给左、右眼传送不同的画面，当左、右眼的画面在大脑合并时，就能产生立体的视觉效果。目前，裸眼3D技术主要分为光屏障式技术、柱状透镜技术、指向光源技术和多层显示技术。光屏障式技术实现方法是在背光模组与LCD面板间安置“视差障壁”形成条纹状光栅，对观看者的左右眼进行选择性阻挡，进而形成立体图像；柱状透镜技术则是在液晶显示屏前加了一层柱状透镜，使像素被分解后投射到不同的方向，形成立体图像；指向光源技术在3D显示设备的基础上搭配了两组LED并配合高速的CPU，将分别对应左、右眼的影像依次快速显示，形成立体影像；多层显示技术用一前一后两个不同的屏幕模拟深度，系统显示前景与背景图像，形成三维图像。

（六）全息影像

全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，即成像过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个像，即原始像和共轭像。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。

三、元宇宙的意义

与现实世界平行、反作用于现实世界、多种高新技术综合，是未来元宇宙的三大特征，而这些特征也正是元宇宙技术发展对现实技术的意义。

（一）与现实世界平行

元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程，需要对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界内容等进行大量改造。

（二）反作用于现实世界

随着数字化转型的深入，现实世界的各种要素都可以搬到虚拟世界中，同时虚拟世界创设的内容，又可以通过不同的载体投射到现实世界里，进而对现实世界产生影响。

（三）多种高新技术综合

元宇宙的发展是在共享的基础设施、标准及协议的支撑下，由众多工具、平台不断融合、进化而最终成形。它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生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、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑。

四、元宇宙平台实施方案

基于元宇宙技术的发展，在区块链平台日益成熟的今天，开始尝试将其发展创新，为元宇宙的建立构建最基础的平台，我们将自主研发的区块链平台（如图2所示）进行监管处理，并佐以双链、分布式计算的技术，形成一种多人协同的存算一体元宇宙平台。

图2 存算一体可监管元宇宙平台

（一）基本流程

用户将需要展示或计算的文件及其相关信息上传至用户平台，经监管服务器检查后，区块链同步将各节点用户上传的三维模型信息加入数据库，与链上其他模型融合为一个整体，即形成一个元宇宙。其他用户从区块链获取模型信息。客户端解析模型文件，渲染出三维模型进行展示。用户通过虚拟现实设备浸入场景，实现上传数据的实时交互协同。如图3所示。

图3 一种多人协同的存算一体元宇宙平台流程图

（二）模型存储

该平台采用区块链与数据分片存储结合的方法进行模型的存储，用区块链管理文件元数据信息，保存文件的存储和验证信息。通过区块链的去中心化、可追溯特性，防止文件信息被篡改。同时，将文件分片存储在节点的本地硬盘上，区块链上只记录文件元数据信息，避免了数据呈指数级增长的问题。通过这种方式在保证存储文件安全性的基础上，最大程度上消除了数据量过大的弊端。既利用了区块链的防篡改、可追溯特性，又避免了每个节点都保存完整文件造成数据大量冗余的问题。此外，还设有监管服务器，当发现用户上传的文件不满足监管要求，如包含涉黄涉暴内容或其它非法内容时，可锁定对应的文件分片，取消用户的下载权限。

（三）分布式计算

三维模型渲染的计算量较大，因此可分解为多个计算任务，通过区块链分配给各节点进行计算。节点计算完成后，将计算结果发布到区块链上，并赚取代币奖励。计算完成后的模型将通过区块链的同步机制传递到每个节点。

（四）多人实时交互

由于区块链的同步机制延迟较高，实现多人实时交互时，用户端自动匹配链上某一节点提供服务。通过帧同步和状态同步的方式，保障各客户端的位置和状态等数据同步，实现多人实时交互。如图4所示。

五、创新点

（一）场景共生融合技术

该平台将用户采集上传的三维模型经过分布式计算转换为统一的格式，通过区块链进行分布式存储。之后利用区块链的共识机制和智能合约，将各用户上传的模型保存于区块链上，由用户互相搭建，最终形成存算一体化元宇宙。再通过区块链进行点对点传输，将模型分发到各用户节点，供用户进入场景进行体验。

（二）存算一体区块链

元宇宙对模型的存储和计算都具有较高要求，因此该平台采用了存算一体区块链进行解决。对于模型的存储，采用区块链存储模型的名称、哈希值等信息，达到防止篡改的作用，而将容量很大的模型文件通过分布式存储的方式保存，避免占用链上空间导致数据冗余。对于模型的计算，采用区块链发布接收任务的形式进行分布式计算，通过区块链的代币奖励提高用户参与计算的积极性。

六、元宇宙的应用场景

（一）军事领域

通过元宇宙打造高度逼真的陆海空天等多域且可按需切换的战场环境，让士兵在酷似实战的多维空间中感受和体验未来战争的激烈和残酷性，不断锻炼体力、精神、意志，实现作战能力与战术的提高。

利用元宇宙+作战推演原型系统检验新型武器装备的设计方案和技术性能等的合理性，加快研制周期，以形象化的效果呈现验证武器装备的战术性能及有效性，促进武器装备系统迭代加速化。

作战推演元宇宙更为逼真高效的对作战先进概念进行演示验证，对于未来军事行动中从全维度的沉浸式方式对条令、训练、指挥人员素养、组织、装备和士兵体验来评估技术综合集成的影响；指挥员和士兵可以超越现有条件，基于元宇宙的开放创造性将想象中的概念、战斗操作、队形等进行真实呈现，在动态虚拟空间中进行战术训练。

（二）能源领域

在能源行业，通过元宇宙的数字孪生相关技术，可对历史数据进行挖掘，从大量的业务数据中获取有效的、潜在有价值的信息；通过三维建模和数字孪生发现潜在的能源资源，结合专家经验进行决策，为专家工作提供远程支持；通过三维可视技术，配合增强现实终端，使操作员基于友善的交互界面对完整的能源制造流程进行三维可视控制，同时确保远程专家可以和现场进行交流和互动，对现场情况进行指导、优化和辅助决策。数字孪生和虚拟空间技术特别适用于解决能源行业在上游能源获取阶段野外开采、海上勘探等面临的生产安全问题。

通过在数字空间建设电网、环境、人员和业务四要素，实现数据驱动的电力元宇宙，从而达到不断改善的应用目的。可以实时反映开关通断、设备负载、用户负荷、新能源出力等电网运行状态，实时反映电网的异常信息、故障信息，实现电网电压异常、电能质量异常、电费异常等各类异常的溯因分析，准确预测新能源出力、电力用户用电负荷、电气设备负载情况，优化设备检修频率、电力设施配置、联络开关投切、相间负荷调整等运营策略，进而为工作人员提供科学的决策支撑。

（三）工业生产

在产业生产领域，传统的工业制造过程中，设计、生产、销售等环节往往有着鲜明的流程界限，在互联网时代，供应链协同生产、区域协同生产、远程制造乃至跨国制造、云制造等逐渐起步并形成趋势。

而进入元宇宙时代，工业产品的信息又将发生巨大的变化：从信息化到数字化，信息将更加精确，信息的完整性、时效性、实时性也都将大幅度提升。基于工业互联网支撑体系形成的工业元宇宙，是工业元宇宙技术与工业经济深度融合的新型应用模式和工业生态。工业元宇宙通过打造与现实工业经济映射和交互的虚拟世界，构建起工业产品全生命周期的虚实共生、企业和消费者智能高效闭环下的全息智能制造、智能经济体系，从而推动工业互联网走向更有效落地、更虚实融合的阶段。从二维图纸到三维模型，从静态模型到运动模型，从抽象数据到仿真模型，依托互联网、物联网、移动网络等技术，实现从数据孪生，到信息物理系统，进而到实时性的远程仿真、操控、维护，协同生产将成为主流的生产模式，并将极大地提升生产水平乃至创新水平。

（四）建筑工程

建筑元宇宙将现实中的设计、构件生产、数字施工、建筑运维及建筑垃圾回收的等环节和场景在虚拟空间实现全面部署，通过打通虚拟空间和现实空间实现建筑全生命周期的改进和优化，形成全新的数字建造体系，达到降低成本、提高生产效率、高效协同的效果，促进建筑业高质量发展。元宇宙所反映的虚拟世界不止有现实世界的映射，还具有现实世界中尚未实现甚至无法实现的体验与交互。另外，元宇宙更加重视虚拟空间和现实空间的协同联动，从而实现虚拟操作指导现实工程施工。在元宇宙中，人们只需要修改电脑中的代码就可以推翻一座建筑物并重建，而无需考虑现实世界的巨大成本和周期。当元宇宙概念与工程联系到一起，分为实体建筑空间和虚拟建筑空间。而落到实处，目前更像是一种建筑设计参数的应用。它可以通过拓扑优化工具和计算，让复杂的结构工程非常地有序，在未来很有潜力。

七、总结

元宇宙不只是独立且平行的虚拟世界，它的意义和价值更在于与真实世界的交互，并在交互中赋能实体经济的发展，改善人们的生活体验，通过把物理世界的可虚拟部分映射到数字世界，在数字世界进行关联，分析，模拟，优化，并为产业的快速聚合和创新带来巨大的可能性。在军事指挥、能源领域、工业生产、工程建筑等各大领域都能起到模拟仿真，降本增效的作用。尽管元宇宙已经初步显示出其巨大的潜力，但是目前为止，元宇宙的发展依旧十分早期。该平台为元宇宙提供了基础设施建设，并为其进一步发展提供支持。未来，伴随元宇宙技术和产业成熟度的持续提高，其应用范围将逐步扩大，不断深入，在社会治理、公共服务等领域具有巨大的应用前景。

编辑：黄飞