元宇宙關鍵技術及與數字孿生的異同

◆鄭誠慧

（飛燕航空遙感技術有限公司 江蘇 211300）

1 引言

最近元宇宙的概念熱度很高，很多互聯網大廠紛紛參與到討論中，諸如Facebook 已經將公司更名 Meta，那元宇宙到底是什么呢？Metaverse 是由Meta 和Universe 組成的一個新詞匯，指的是超越宇宙，超越現實宇宙的另一個宇宙；是將現實與虛擬的融合，用戶可以在虛擬空間中進行現實世界中所包含的各種活動，例如：文化、社交、學習、工作、旅游等等。

元宇宙最早出現在20 世紀90 年代，一本名叫《雪崩》的科幻小說中，書中有一個設定，是現實分類與虛擬人共同生活在一個虛擬空間中[1]。2003 年《Second Life》游戲的橫空出世，改變了人們對虛擬游戲的認知，他將虛擬游戲與虛擬世界編輯、虛擬經濟相結合，實現了在游戲中進行社交、購物、建造、經商，引起了當時各方追捧，既有IBM、CNN 這些企業層級，也有瑞典、西班牙這些國家層級。2018 年一部名為《頭號玩家》電影，通過電影直觀表達了元宇宙時代，讓資本和大廠進一步認識到了“元宇宙”的價值，認為是互聯網進化的未來，元宇宙因此爆火，成為了一個新的增長極。

中國通信工業協會區塊鏈專委會輪值主席于佳寧指出“元宇宙是未來互聯網升級的重要方向。本質上來說，元宇宙可以實現數字與現實的“五大融合”，即數字世界與物理世界的融合、數字經濟與實體經濟的融合、數字生活與社會生活的融合、數字身份與現實身份的融合、數字資產與實物資產的融合”。

2021 年是元宇宙的元年，由于過去的兩年在疫情的影響下，加速了對虛擬世界的需求，各種在線課堂、在線辦公平臺快速發展，數字世界、數字生活、數字經濟、數字身份、數字資產快速融入人們生活，以往短期的線上生活已經成為了常態，人們在現實生活中大范圍地向虛擬世界遷移，實現了現實與虛擬世界的平行棲息，這為元宇宙的發展帶來了契機，可以說2021 年元宇宙的大發展有著天時、地理、人和的這種前提條件。其中還有一點更重要的是：數字孿生技術、區塊鏈技術、交互技術、5G 網絡技術、云計算技術、人工智能技術、物聯網技術等科學技術的發展為元宇宙也奠定了很好技術基礎條件。

2 元宇宙關鍵技術及其作用

元宇宙既不是電子游戲，也不僅僅是虛擬世界，它是一種虛實相融的互聯網應用，是一種虛實相融的社會形態[2]，是由多種新技術整合而形成的。通過數字孿生技術、物聯網技術，實現了生存環境的拓展，將現實世界和虛擬世界相融合構建綜合環境；通過交互式技術，提供沉浸式體驗，實現了感官的拓展，將現實視、聽、觸感官和虛擬視、聽、觸感官相融合構建綜合感官；通過區塊鏈技術搭建經濟系統，實現了經濟維度的拓展，將現實經濟與虛擬經濟相融合構建綜合經濟；通過身份的統一認證，實現了用戶這個虛實相融的環境中進行學習、工作、交友、購物、旅游……

元宇宙關鍵技術主要包括：數字孿生技術、區塊鏈技術、交互技術、5G 網絡技術、云計算技術、人工智能技術、物聯網技術。

2.1 區塊鏈技術及其作用

區塊鏈是一個共享數據庫，使用區塊鏈存儲的數據或信息，具有“即時性”“共享性”“完全透明性”“不可篡改性”等特征，通過統一的身份認證，為搭建虛實結合的經濟系統提供了技術支撐。實現了元宇宙中的價值交換，也保障了元宇宙用戶的交易是平等透明的。

區塊鏈技術具有更高的信任度，更出色的安全性，更高的效率，成員用戶可以借助區塊鏈確信自己收到的數據是準確及時的，保障了元宇宙底層數據的保密性和可溯源，確保了元宇宙用戶可以參與和監督交易合法性。

區塊鏈在元宇宙上實現的是虛擬價值與真實價值的統一[3]。哪些在我們認知中毫無意義的數字貨幣，現在具有了真實的行業價值。通過區塊鏈，元宇宙將真實與虛擬世界之間聯系起來，使得兩者之間經濟的自由流動真正實現[4]。

2.2 交互技術及其作用

交互技術在不斷地持續升級，不斷的升級感知交互，為元宇宙提供沉浸式體驗，為用戶構建了虛實結合的綜合感官。從最初的VR 虛擬現實技術，到AR 增強現實技術，再到MR 混合現實技術，虛擬空間和現實空間的結合不斷升級[5]，從最初的置身于虛擬世界，到在現實世界中疊加虛擬信息，再到虛擬與真實世界的融合與自由切換，讓虛擬與現實的互動逐步增強，為用戶提供了更好的交互體驗[6]。

伴隨著用戶需求地不端提升，全息影像技術實現了通過裸眼進行現實與虛擬的交互，而腦際交互技術與傳感技術在交互方式的便捷性、真實性、體感上，又進行了一次次飛躍性的技術變革。

交互技術的不斷發展與進步，不端深化交互感知，為元宇宙提供了虛擬現實體驗階梯。

2.3 5G 網絡技術及其作用

伴隨著5G 技術的發展與逐步成熟，一個5G 的時代已經到來[7]。5G 作為新一代通信技術，已經成為了現代信息社會最重要的信息基礎設施，技術的革命性是跨時代的。5G 讓社會由“人與人”相連接進入了全面“物與物”、“物與人”相連接，帶動傳統產業轉型升級。

元宇宙的數字化平臺，需要移動計算網絡提供無縫、無間斷、實時按需的高質量業務，移動計算網絡，端管云深度協同。

5G 網絡為元宇宙提供了高速率、低延時、大連接的服務，5G 的高速率、低延時構建著虛實兩個世界的橋梁[8]。

由5G 帶來的各行業變革[9]，也為元宇宙提供了虛實一體的環境，為用戶提供了更實時、流暢的體驗。

2.4 云計算技術及其作用

云計算這項技術，使得可以提供在數秒之內，達成處理數以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網絡服務[10]。最簡單的云計算技術在網絡服務中已經隨處可見，例如搜索引擎等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息[11]。

云計算技術敏捷性在于可以在短時間內完成內部署服務；可以預判需要預置的資源，后可以根據業務需求的變化隨時擴展或縮減這些資源；還可以將業務擴展到新的地理區域，將應用程序部署在離最終用戶更近的位置可以減少延遲并改善他們的體驗[12]。

因此，云計算技術為元宇宙提供功能更強大云端服務、更輕量化的終端設備、更便捷的響應機制、更低的費用支出。

2.5 人工智能技術及其作用

近年來由于大數據、互聯網、云計算、新算法等核心技術的興起與發展，為人工智能技術的推進提供了催化劑和養分。

人工智能通過使用統計模型推算數據概率，大數據為這個模型提供了海量數據來源，使得模型不斷優化，通過云計算提供強大的計算能力，靈活的資源配置，便捷的響應機制。新算法的發展，提高了機器學習的能力，推動著關聯技術的發展。

人工智能技術為元宇宙的應用場景提供技術支撐，是元宇宙的重要的基礎設施。隨著深度學習的發展，預處理、特征提取與算法處理漸漸融合，形成現實到虛擬的技術，是元宇宙虛實結合的關鍵。通過機器學習，可以將元宇宙中系統及要素逐步接近于人類的學習水平，并且實現超越，提高元宇宙的要素智慧能力和系統效率。語音識別技術及自然語言處理實現了人與計算機之間可以通過自然語言進行有效的通信，確保了元宇宙中虛實客體之間、人與系統之間信息準確的理解與傳達，有效解決了不同地域的語言系統，不同環境語言發音等交流難題，便捷了元宇宙世界中各種交流。

2.6 物聯網技術及其作用

物聯網可細分為標識、感知、處理、信息傳輸四個方面，其中包含關鍵技術由射頻識別技術、傳感器技術、網絡技術、通信技術。

射頻識別技術主要是用于物聯網中信息采集的來源，擁有遠距離、快速讀取、穿透力強、效率高、存儲量大等特點，是元宇宙中現實數據采集的重要前提條件。

傳感器技術負責物聯網信息的采集，物聯網應用的基礎[13]。傳感器是元宇宙的感覺器官，是元宇宙感知萬物的信息來源。

傳感器的網絡技術是將實地監測、感知、采集信息，通過嵌入式系統處理，經過無線網絡傳送到服務端，是元宇宙感知萬物重要的網絡構成。

通信技術是物聯網數據的傳送通道，通過近距離通信和光遇網絡通信技術[14]，實現通信感知高效融合，通感一體，為元宇宙提供全真全感互聯的信息傳輸技術支撐。

3 數字孿生技術

數字孿生是充分利用各種模型、傳感器大數據，構建一個仿真空間的過程，以完成對現實世界在虛擬空間中的整體反映過程，在虛擬世界中反映現實實體全生命周期過程[15]。更確切來說，數字孿生是兩個系統，一個系統是現實的物理世界，一個系統是虛擬的計算機世界。并且借助智能技術，可以讓這個存在于虛擬世界中的系統也能夠以一個更直接的方法被人們所了解和觸碰到。

數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統[16]。數字孿生很多關鍵技術與元宇宙相近，例如區塊鏈技術、交互技術、5G 網絡技術、云計算技術、人工智能技術，這些技術都在數字孿生中得到應用和發展，但數字孿生更重要的技術組成是3D 仿真技術、空間地理信息技術、數據可視化、物聯網接入。

3D 仿真技術，利用三維數據獲取高分辨率3D 數據，通過建模技術、立體合成技術，多引擎快速構建，三維模型并融合到模擬現實中的虛擬環境。

空間地理信息技術，通過二三維實現海量數據疊加、大場景數據加載，數字高程模型、數字正射影像、傾斜影像、點云數據、BIM 數據等多源數據融合，實現真三維場景的構建。將二維GIS的數據管理、存儲、空間查詢等優勢與三維GIS立體可視化表達[17]、三維分析的特點相結合實現微觀宏觀、空間地面地下、虛擬與現實的一體化。

數據可視化，以三維GIS、BIM 等核心技術為支撐，實現現實世界事務對象的三維建模，實現數字孿生線上三維數據可視化；同時快速搭建，多元數據集成，數據實時響應，集成多數據源接入、自動化數據萃取，分布數據存儲，實現為數字孿生多元數據可視化。

物聯網接入，將現實世界的事務對象的狀態等信息，通過各種設備、傳感器等進行實時監測采集，獲取其運行狀態信息，結合云端技術，現實數字孿生對物聯網遠程控制及設備聯動等能力。

4 數字孿生技術與元宇宙的異同

從概念、技術和應用的角度出發，數字孿生和元宇宙貌似有很多相同點，但又不太一樣，主要表現在以下幾點：

1）元宇宙的持久性更長

相對于數字孿生，元宇宙的概念更廣，如果說數字孿生是與其真實的事物本體共存，那么元宇宙將與人類文明共存，必須能永遠存在。

2）元宇宙完全去中心化

數字孿生可以是企業孿生、園區孿生、城市孿生，它最終會有一個中心，它的制定權、解釋權可以屬于某個企業或者城市。但未來的元宇宙，不再屬于也不能屬于某個企業或者國家，必須通過一個開源共享協議來共同維護，而這協議和規則的制定權、解釋權不屬于任何一方，元宇宙的存續不受任何企業或國家的外力影響。

3）元宇宙與現實世界協同進化

數字孿生是與物理實體之間實時連接、動態交互的關系，是物理實體對孿生體的實時映射。而元宇宙是從虛擬與現實世界的真實個體，到兩個世界的群體，再到兩個世界的人類命運共同體，都需要相互連接、相互影響、協同進化。

如果說元宇宙構建分為三個階段的話，那么數字孿生就是第一階段，也就是說數字孿生是元宇宙構建的基礎，是元宇宙真正的核心。

5 結論

號稱“互聯網未來”的元宇宙，是數字與虛擬的融合，贏得互聯網科技巨頭的青睞。

元宇宙的未來可以從以下幾個角度解讀：

首先，未來互聯網升維，從現有在線互動升級到擁有真實參與感的沉浸式虛擬體驗，成為真正意義上的數字分身[18]。

其次，元宇宙將由無數個小世界組成，元宇宙是一個大的基礎設施，但元宇宙中無數個世界，每個人都可以參與設計，并帶來改變。

最后，元宇宙通過有一個共通的介質使得這些不同的小世界之間互聯互通，而區塊鏈將成為重要介質[19]。這種互聯互通使得人類夢想中的“穿越”成為可能，在元宇宙中實現不同的小世界之間的“穿越”。

隨著元宇宙的熱度持續升溫，未來元宇宙是主宰網絡世界還是淪為泡沫，現在下結論還為時尚早，仍需進一步實踐檢驗。但是如果只是純粹的炒作元宇宙的概念，有可能會形成泡沫經濟和產業，從而會延緩甚至停滯元宇宙發展建設的進程。

目前來看，元宇宙還在非常早期的階段，發展的機遇正在逐步開啟，但受到硬件和底層技術的現狀制約，暫時無法支撐起真正的“元宇宙”。要構建完整的元宇宙生態，數字孿生、區塊鏈、交互技術、5G 網絡、云計算、人工智能、物聯網等一系列前沿信息技術的深度融合需要加快推進。只有在新型基礎設施建設、多技術集成創新與融合應用、數字經濟與實體經濟深度融合等方面增速發展，才有望能夠加快元宇宙的建設步伐，使得云宇宙能夠平穩及快速的發展。