元宇宙技术：未来数字世界的新机遇与挑战

元宇宙技术：未来数字世界的新机遇与挑战

2024年09月09日⏰星期一🗓农历八月初七

本文由AI分析解读，AI提示词见文末

元宇宙作为新一代信息技术发展的集大成者，正引领着数字经济的新潮流。它是一个融合了虚拟现实、增强现实、人工智能等技术的持续性虚拟环境，具有虚实相生、感官认知、沉浸式、拓展性、多元化、永续性、去中心化、实时性等特点。

一、元宇宙技术概述

1. 发展历程

• 元宇宙概念随着技术演进不断完善，从最初被认为是VR/AR承载的虚实交互应用，发展到融合多种技术的复杂数字生态系统。

2. 产业发展现状

• 海外：成为全球ICT领域热点议题，各国企业纷纷布局，如Meta、苹果等重点布局新型智能终端与下一代音视频，英伟达、微软等重点布局新型工业仿真、企业办公云服务及配套3D图形算力基础设施，日本、韩国、欧盟等也有不同的发展策略。
• 国内：产业链初步形成，市场规模不断扩大，各级政府支持，科技领军企业积极参与。
• 国内外对比：国外发展较早，但受基础连接和算力网络发展不足的限制，从终端设备布局“以实向虚”发展元宇宙产业；我国则依托通信基础设施的雄厚实力，从新型网络基础设施出发“以算向虚”结合企业自身元宇宙生产能力发展。

3. 未来发展趋势

• 新信息形态：数字信息形态将由虚实分离向虚实融合演进，包括虚拟型元宇宙和增强型元宇宙，同时传统互联网业务的2D弱交互生态向3D强交互升级。
• 新数字器官：新型智能终端将向适人体验方向发展，虚拟现实头显有望成为元宇宙重要的终端入口，但目前存在一些技术挑战，如功能性能与舒适性的再平衡、日常使用与隐私保护的再平衡、终端交互效率与用户注意力分散的消长联动等。
• 新经济模式：基于数字内容通证化探索元宇宙场景中的互联互通体系，创作者经济有望推动平台经济的价值重构，削弱互联网平台的价值中介能力和编辑议价权。
• 新社会图景：元宇宙有望创造由数字“比特”与人类“原子”深度融合的新型社会景观，总体增加就业岗位与工作类型，加速人与数字信息的融合进程，同时网络效应和社会节奏将进一步提升。

4. 面临的机遇和挑战

• 机遇：是数字经济发展的下一波浪潮，可赋能实体经济，推动自身破局和提升数字经济实力，融合多项高新技术产业链，应用场景不断丰富，能融入到各个实体经济领域，为产业带来新形态、新商业模式和新增长空间。
• 挑战：关键底层技术发展不足，传统监管模式与运行逻辑存在冲突，产业生态系统不完善，场景创新能力有待提升，专项扶持政策力度不足。

二、元宇宙关键技术

1. 技术架构

• 元宇宙的五大支撑技术包括计算、感知、生成、协同和交互，这些技术共同支撑构成了元宇宙生态系统的核心功能。

2. 计算

• 元宇宙高效构建、仿真演化和自然交互均建立在计算能力的基础之上，通过智能化云计算服务和端侧感知将物理世界与数字世界无缝融合，其主要计算场景包括三维图形渲染、人工智能、科学计算、超高清流媒体等。

3. 感知

• 按照应用的不同阶段分为内容生成感知和交互感知两大类，业内研究的焦点主要集中在光场感知、音频感知、触觉感知等相关技术领域。
  • 光场感知：基于透镜阵列的光场采集主要依靠在成像传感器与主镜头之间加入一片微透镜阵列，光场相机在工业检测领域有广泛应用，但在工业以外的应用场景有一定局限性。
  • 音频感知：主要分为前端信号处理、语音识别、声纹识别、情感识别、语音合成等多个模块，前端信号处理对于提高音频感知的鲁棒性起到了非常重要的作用。
  • 触觉感知：触觉传感器是人工触觉的基础，视触觉传感具备视触觉模态信息同构的特性，对视触融合有独特优势，为触觉在元宇宙的开发和集成提供了传感基础，有助于元宇宙中触觉生态环境的构建。

4. 生成

• 数字化三维空间是元宇宙的基本形式之一，元宇宙生成技术也包括三维重建和智能生成两大类。
  • 三维重建：从技术上可以分为传统SFM&MVS构建和近年来被广泛研究的可微渲染引导的三维重建两大类，传统SFM&MVS重建技术经过多年的发展已经比较成熟，在三维构建软硬件系统中有着广泛的应用，但在图像匹配等方面存在问题；可微渲染引导的三维重建是一种近几年迅速发展的新兴的重建方法，它通过结合计算机图形学中的渲染技术和深度学习中的自动微分技术，来改进三维重建的效果和效率，其代表性方法包括神经渲染辐射场（NeRF）重建和3D高斯辐射场（3DGS）重建。
  • 数字人分身重构：元宇宙内容对数字分身的需求通常有可驱动可交互的模型和可自由视点交互的空间视频两种，传统的人物3D重构采用几何面片模型表征，代价高昂，而3DGS方法在数字分身重构上得到了迅速应用，但仍面临动作精度、鲁棒性不足等问题。
  • AI内容生成：3D内容生成技术泛指从文本、图像等多模态输入中自动生成三维内容，生成对抗网络（GAN）和扩散模型（diffusion models）是最常用的生成式人工智能模型，在3D内容生成上展现出了显著的潜力。

5. 协同

• 元宇宙协同涉及元宇宙环境中不同用户、系统和平台之间的合作与互动，其核心要素是保证跨平台互操作性，实现不同系统或平台间的数据共享，以及形成有组织的社区和相应的社区自治，确保跨平台互操作性不会成为潜在的安全漏洞，保障用户操作的可靠性。
  • 区块链技术原理：区块链技术是一种分布式数据库或账本技术，以去中心化的方式存储数据，具有提供去中心化的信任框架、促进跨平台资产和数据的流动性、加强用户协同和社区治理、增加交易和互动的安全性、创建持久的可验证的历史记录、实现经济模型的创新等优势，但也存在可扩展性问题、能源消耗、用户友好度和数据隐私等不足。
  • 区块链关键技术：包括智能合约、二层网络（Layer 2 Solutions）、跨链桥（Cross-Chain Bridges）、预言机（Oracles）、非同质化代币（NFTs）、去中心化自治组织（DAOs）等，这些技术增强了区块链的功能和性能，大大拓展了其在元宇宙中的应用场景。
  • 元宇宙协同安全：由于各个元宇宙在架构、管理和用户群体上的差异性，传统的中心化身份管理难以适用于去中心化的元宇宙，通信安全需要确保数据在跨元宇宙传输过程中的完整性和机密性，数据安全需要保护在采集、共享、存储和交易过程中的隐私和完整性，计算安全则必须保障协同计算过程中的数据不被泄露和滥用，监管审计在保障数据安全和合规性上也扮演着重要角色。

6. 交互

• 在元宇宙的世界中，交互技术是连接虚拟和现实的重要桥梁，显示技术决定了用户的视觉体验和沉浸感，多模态交互通过结合多种感官输入提升了用户的参与度，而多模态情感计算则通过分析用户的情感信号增强了情感互动体验。
  • 信息显示：视觉交互是人类接受外界信息的重要渠道之一，目前的显示技术包括2D显示技术和3D显示技术，3D显示技术是元宇宙交互领域的关键技术，主要分为助视3D显示技术和裸眼3D显示技术。
  • 多模态交互：让用户能够更加自然和直观地与元宇宙中的目标进行互动，包括手势交互、肢体交互、眼动交互和触觉反馈等。
  • 多模态情感计算：主要研究如何让计算机具备感知、理解和表达情感的能力，建立更人性化、更具亲和力的人机交互环境，一般来说，在目标域包含足够标注数据的MER框架由三个部分组成：表示学习、特征融合和分类器优化。

三、元宇宙技术平台

1. 典型共性技术平台

• 超高清视音频技术：是元宇宙的底层基础技术之一，为满足视觉、听觉以及触觉方面的体验要求，在沉浸式视听体验、实时大规模用户多维互动、高效内容生产等方面都有新的需求。
• 云渲染技术：通过云计算提供高清、低延时的视觉输出，克服了本地设备的性能和资源限制，为构建三维数字世界提供了强大支持，其核心技术包括隐式模型与CAD模型的混合渲染、端云异步渲染、低延时MTP、双目交替渲染技术等。

2. 典型元宇宙硬件平台

• 虚拟现实（VR）设备：通过提供虚拟环境，使用户有一种沉浸在虚拟世界中的感官体验，是元宇宙系统的重要入口与交互设备。
• 增强现实（AR）设备：利用传感器、摄像头将真实的环境和虚拟的物体对象实时地叠加到同一个画面或者空间中，使用户看到一个重叠的世界，有可能取代智能手机，成为下一代智能计算与显示平台。
• 机器人设备：在元宇宙中，机器人可以在虚拟数字化场景中学习和模拟运行，实现虚拟世界与现实世界的联动，是人身体感官的延伸。

3. 典型元宇宙内容构建平台

• 联想晨星工业元宇宙平台：是基于计算机视觉、空间计算、人工智能、AIGC等核心技术多核心能力聚合的国内领先工业元宇宙开放平台，具有高拟真三维重建、零代码元宇宙业务构建、虚实联动、全三维体验等核心功能特征。
• 咪咕元宇宙创新产品平台：基于咪咕元宇宙内容生产基座和运行基座两大核心能力引擎，形成了包含数智人平台、数字空间平台、云XR平台三大核心平台，在文博文旅、体育、文娱、展会等多个元宇宙领域进行了积极探索和实践。
• 英伟达Omniverse平台：用于虚拟协作与实时物理模拟，通过支持多种行业标准和格式，为设计和工程工作流提供了一个通用的基础，使来自不同专业和背景的用户能够轻松合作。
• Meta Horizon World平台：是一个虚拟现实社交平台，用户可以通过自定义的虚拟形象进行互动、创作和探索，主要应用于教育培训、虚拟社交、游戏开发、虚拟会议和艺术创作等应用场景。

4. 典型开源技术与工具

• 交互技术开源工具：MediaPipe是由Google开发的一套开源的多模态机器学习框架，旨在简化和加速实时机器学习的应用开发。
• 区块链开源工具：包括以太坊、Metamask、Arbitrum、Chainlink等。
• 三维重建开源工具：SFM&MVS三维重建COLMAP是传统SFM&MVS重建的最经典的开源工具，NeRFStudio是NeRF等基于可微渲染的三维重建算法建模的一套代表性开源工具。
• AIGC开源软件：ThreeStudio和ThreeStudio - Extensions是开源3D内容生成统一框架。
• 数字人开源工具：SMPL - X是由加州大学伯克利分校的研究团队开发的，可以基于单视图进行人体模型重构与姿态估计。
• 协同安全开源工具：包括uPort、Ceramic Network、Torus、NuCypher、OpenZeppelin Contracts、Mythril、Aztec、OpenSSL、Tor Project、Snort、Suricata、星际文件系统（IPFS）、OpenRefine、Libsnark、HElib、PrimiHub、DataHub、Pillow等。

四、元宇宙典型应用

1. 文旅元宇宙

• 以沉浸式文旅场景为底座、以文化内涵文旅内容为核心、以交互硬件为工具、以文旅体验为结果，最终实现人文内涵素养的提升、文旅目的地文化传播。未来将推动现实世界与虚拟世界的融合，在应用方面，利用元宇宙技术提升旅游的智能化水平，如元宇宙+景区、元宇宙+博物馆、元宇宙+街区、元宇宙+演艺等多种应用模式，同时，文化IP建设也是将是内容创作的重要方向。

2. 教育元宇宙

• 包括VR虚拟教学和模拟训练、AR实训和智能考核等，目前在教育领域已经展现出巨大的潜力，但仍然存在较多的局限性，包括技术成熟度不高、应用开发门槛高、ARVR终端硬件普及率低、缺少优质的课程内容和教学设计、缺乏统一的标准和规范等问题。

3. 工业元宇宙

• 带来了全场景和数实融合应用，汇聚了丰富的数字资产，极大地提升了工业价值创造，将重构数字工业发展新生态。未来将向工业运行机理、仿真预测、自主决策等纵深方向持续发展并发挥更大的价值。

4. 办公元宇宙

• 指借助虚拟现实、人工智能、语音识别、空间定位等新兴元宇宙技术突破时间和物理空间的限制，为用户带来最接近面对面工作的体验，达到提升办公、生产、沟通、协作效率的目的。未来将向AI智能体、虚拟办公协同等纵深方向持续发展并发挥更大的价值。

5. 娱乐元宇宙

• 通过游戏平台构建虚拟世界，为用户提供了有别于传统娱乐方式的沉浸式的体验，自由的虚拟环境激发了用户内容创新的主动性，强大的社交互动使得用户的体验更加丰富多样。但目前仍受限于图形质量、服务器容量和实时互动的技术限制，影响用户体验的连贯性和沉浸感，同时数据安全和个人隐私也成为重大问题和隐患。

6. 体育元宇宙

• 重塑了线上观赛体验，升级了线下观赛体验，颠覆了传统健身运动的方式，打造了体育元宇宙数智达人，助力赛事演艺现场。未来将推动体育产业迈入一个新时代，越来越多的互联网科技公司已经挤进了这个全新的赛道。

7. 金融元宇宙

• 包括数字员工、虚拟营业厅、数字孪生、金融机构营销等应用，在场景上的叙事能力将发挥重要作用，但其普及应用还面临着很多挑战性的问题，包括技术的成熟度和稳定性、数据安全和隐私保护、监管合规以及用户体验和接受度等。

8. 供应链元宇宙

• 包括供应链智能生产、供应链智能物流、供应链智能服务等应用，为供应链的数字化转型提供了新思路和工具，未来将迎来更加智能化、个性化、高效化的变革，为构建国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局提供更加有力的支撑。

9. 农业元宇宙

• 是将数字孪生、人工智能、空间计算、物联网、VRAR、区块链等新兴技术应用于农业全链条的综合技术，通过虚拟培训和物联网远程监控，提高了农业生产和管理效率，但也面临技术成本高、复杂性高、数据安全等挑战。未来，随着人工智能、区块链、5G等新技术融合，农业元宇宙将提供更智能、安全的解决方案。

五、元宇宙安全治理：挑战与策略

1. 安全风险

• 数据安全与治理：元宇宙时代的数据安全挑战包括个人隐私极易被暴露、大规模人工智能模型训练存在泄露保密数据的风险、数据垄断等问题，因此强化隐私保护和数据加密技术发展、建立完善的数据安全和隐私保护制度尤为关键。
• 网络安全：元宇宙作为虚拟互动平台，面临多种网络攻击风险，包括钓鱼攻击、中间人攻击、分布式拒绝服务（DDoS）攻击、恶意软件以及身份盗窃等，特别是智能合约漏洞可能导致用户经济损失、个人隐私泄露和虚拟身份被盗等问题。
• 社会安全：元宇宙可能带来就业替代和社会结构的深刻变化，导致伦理道德、沉迷犯罪、虚拟混淆等问题，如以“元宇宙”名义的金融诈骗、青少年过度沉迷等。
• 国家安全：元宇宙可能成为国际意识形态竞争的角斗场，关系到国家的精神文化和意识形态安全，可能引发线上线下结合的“颜色革命”，加剧社会意识形态系统的潜在风险。

2. 现实挑战

• 数字平台的安全漏洞：技术架构存在安全隐患，如人工智能的神经网络算法缺乏可解释性，易受到对抗攻击，模型训练和交互过程存在数据泄露风险；元宇宙犯罪呈现新形态，如数字身份和数字资产盗取、虚拟性骚扰和暴力事件等。
• 数字资产的安全保障：在数字货币交易和区块链技术应用方面面临挑战，包括数字货币的匿名性和不可逆性带来的洗钱和诈骗风险，区块链智能合约中的漏洞可能导致资产被攻击，以及数字资产钱包密钥丢失或被盗后的恢复问题等。
• 国际合作与全球治理：跨境数据流动涉及数据安全保障、法律规范缺乏全球标准和框架以及监管和执法难等问题；元宇宙监管的国际规范制定面临主权、技术、法律、利益相关方、监管能力、道德伦理等多重挑战。

3. 策略与建议

• 技术层面的创新与应用：加强技术研发与安全测试，提升数据加密与访问控制，包括建立多因素认证机制、动态访问控制机制、分层存储和数据溯源机制等，并定期进行安全测试和审计。
• 法律层面的完善与实施：数据治理相关法律法规已对数据安全和共享做出规定，但仍需健全和完善；虚拟资产与知识产权保护面临法律界定不明确和缺乏专门法律法规的问题；社会风险治理需要出台相关法规，防范新型诈骗等风险，确保公平竞争、网络安全和消费者权益保护。

六、总结与展望

• 元宇宙的发展需要协同多方合作，共同推动产业发展，包括培育“专精特新”企业、进行产业链规划与布局、重视人才及团队的引进与培养、加强技术创新激励、加强监管和引导措施、加强元宇宙产业的扶持力度等。

同时，建立元宇宙应用规范和评测平台也至关重要，包括定义内容规范和知识产权保护措施、确保数据安全和隐私、保障可访问性、建立可靠的法律和监管框架等。通过制定合规评测标准

AI解读

AI提示词

• 本文使用如下提示词，由豆包@字节跳动提供解读

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• 忠实于核心内容: 请忠实于原文的核心内容，不允许随意杜撰或联想，禁止使用正式、重复和机械化的语气。

现在，请根据这份文件撰写一篇文章进行归纳总结。

报告原文

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