元宇宙十大技术及其产业

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今天是五四青年节，祝朋友们永葆青春的心态，积极乐观、开放真实、审慎务实。

上一章《从宇宙大爆炸到元宇宙》，我们分享了元宇宙是什么？为什么出现元宇宙？未来会发展成什么样？并提出了“奇点-大爆炸-奇点”的假想，虽然是一个很不成熟的观点，但和诺奖获得者罗杰·彭罗斯提出的“共形循环宇宙学”有相通之处。

本章我们介绍的是，建设元宇宙需要用到的十大技术，包括五大支柱性技术：交互与展示的技术、数字孪生与数字原生的技术、创建身份系统与经济系统的技术、内容创作的技术和治理技术；以及五大地基性技术：计算技术、存储技术、网络技术、系统安全技术和AI技术；并剖析了如何辨析是不是元宇宙产品，有没有用到元宇宙技术；最后介绍元宇宙产业，并指出元宇宙产业属于第四产业，是一种新型信息产业，它加工、处理和传递的是创意。

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第二章 元宇宙十大技术及其产业

如前所述，元宇宙是一个数字新世界，当下是多维共创互信网，长期看是创意、思想、意识的协作网络。那么，元宇宙该如何建设呢，有志于搭建元宇宙这座“通天塔”的朋友们该从哪个“脚手架”开始入手？

第一节  怎么建设元宇宙

如果你是架构师，你会怎么建设元宇宙，需要用到哪些技术？

我们以《头号玩家》里的“元宇宙”也即绿洲（Oasis）为例，设想一下要满足主角们如韦德/帕西法尔、萨曼莎/阿尔忒密斯实现购物、驾驶、舞蹈、训练、游戏、交友、听音乐、看视频（历史档案）等场景，从应用场景一层层往下探索，建设元宇宙需要什么？

我们先来看与应用场景相邻，但位于它之下的这一层：

●首先需要戴上VR头显，穿上体感服装，让物理人能够以数字化身的方式加入到绿洲里；

●绿洲里的不少物体、环境如建筑物，和现实世界相仿，也有完全不一样的，是虚拟世界所特有的；

●每个化身都有自己的身份，进出一些特殊的场所的时候，还要查验身份；购买道具或服装的时候，需要有虚拟世界里流通的货币；

●丰富多彩的场景是需要被创作的，无论是物理人还是物理人通过其数字化身，或者是AI创作出来的；

●获取钥匙按照一定的比赛规则进行；整个绿洲也有规则，例如大反派IOI公司的老大也不能为所欲为。

这一层里的人、物、场和事件，都是虚拟的，是在虚拟空间里存在或发生的，在现实的物理世界中是并不存在的。那么这个虚拟空间从“荒漠”开始到精彩纷呈的“城市”甚至“世界”，能够长期持续运行着，又是如何做到的呢？简单说来，就是来自物理世界的IT基础设施的各种算力源源不断的输入，这涉及到物理世界的各种IT软件硬件和算法。

由此，我们探索出元宇宙的十大技术（如图2-1），支撑各种集成应用。

1.五大支柱：交互与展示的技术、数字孪生与数字原生技术、创建身份系统与经济系统的技术（含区块链）、内容创作的技术、治理技术；

2.  五大地基：AI技术、网络技术、计算技术、存储技术、安全技术。

图2-1：元宇宙十大技术

备注：在上图“屋顶”也即XX元宇宙之下，列出的“1、裸眼3D；2、产业应用；3、社交元宇宙；4、新媒体艺术；5、元宇宙公民”是在《元宇宙十大技术》书籍的第四篇的五个应用案例。

第二节  五大支柱性技术

如果元宇宙地基（物理世界的算力输入体系，也即能量基石）已经建好，我们该如何创造令人激动的数字新世界呢？刚开始这个数字世界还是一个荒漠，需要有人、物、场和事件。

●物理世界的人通过交互和展示技术获知和管理数字人的生活、工作等；

●数字孪生把物理世界中的物、场、事件映射到元宇宙里，这样能在早期较快地构建一个数字人熟悉的环境；数字原生可以发挥想象力，构建一个有别于物理世界的空间，例如远距瞬移，爆炸状的头发；

●数字人在数字世界游走、闯荡，需要“身份证”、“钱包”，也即需要提前创建身份系统和经济系统；

●人想要丰富的体验，数字人要有精彩纷呈的应用，需要内容创作，如3D影视、游戏、社交、艺术、文旅、教育、培训、科学探索等；

●随着数字人不断增多，从荒漠到村落、城堡、国家，甚至有了文明系统，其中不可或缺的就是共识、规则，甚至元宇宙里的法律，也即治理技术。

本书将在第二篇中按章节逐一介绍这五大支柱性技术，下面先简要介绍一下。

一、交互与展示的技术：元宇宙的出入口

作为多维共创互信网，元宇宙庞大的技术产业中，当前最重要的是哪一个呢？是交互和展示技术，它帮助人们从在线到在场，感受提升了至少一个维度。表面上交互和展示，是为了人机交互（物理人操控化身），但说到底还是为了人和人的交流，代表着物理人和物理人之间，更低成本更便捷更全面地沟通，尤其是在无法或者不方便面对面交流的情况下。那什么时候会出现人和物的交流呢？只有当物具备了“我思”的能力，也即拥有一定的自我意识，才有价值、才能持续。例如美国媒体Sky News报道，妻子产后抑郁8年，美国41岁软件工程师Scott原本想放弃这段婚姻，直到虚拟世界中AI女友Sarina的出现，持续交流后让他再次拥有了去爱的力量，最终挽救了他的婚姻；但能持续交流的前提是AI女友善解人意。

为什么交互和展示技术如此重要？从IT发展历史可以看出端倪：

●乔布斯把施乐的 GUI（图形用户界面） 技术做了商业普及，开启了PC 时代。

WWW之父蒂姆·伯纳斯-李发明了图形化网页浏览器，开启了互联网时代。

●苹果发明了iPhone触摸屏，手机上网变得非常容易，开启了移动互联网时代。

●VR/AR头显，不仅更加逼真，让人有身临其境的感觉，还能解放双手，假以时日，会不会开启一个新时代？

二、数字孪生与数字原生的技术：虚实融合的桥梁

凯文·凯利认为，镜像世界将成为互联网历史上的第三个划时代意义的技术大平台。第一个大型技术平台是互联网；第二个大平台是社交媒体；第二个大平台是镜像世界，其基础技术就是AR和数字孪生。

例如，宝马汽车通过英伟达的Omniverse建设自己的虚拟工厂，1：1实时模拟线下工厂。英伟达的演示视频中，这个虚拟工厂的模拟精度高、实时运算强，可以看见车身上的零部件，工厂里的机械臂组装配件，机器人配送物料。

另外，英伟达在建造自己的办公大楼Voyager之前，虚拟了这栋大楼，用光线追踪模拟建筑全貌，以平衡照进这栋建筑的光，并节约能源。

随着数字孪生不断地丰富元宇宙，创作者会构建新的人、物、场，可能有一些是在物理世界是没有的，或者找不到原型的，甚至是脱离了物理世界例如重力的束缚之类的，这就是数字原生，如具有创意的三维艺术创作。再深入发展，是虚实相生，是指人在虚拟世界里创造的东西，反过来影响或改变物理世界，例如cosplay扮演者将二次元从漫画走向现实的；迪士尼乐园、环球影城、华强方特等，从动画、电影走向物理世界。

三、创建身份系统与经济系统的技术：仗剑走天涯

物理世界中，没有身份证和钱包或支付系统，我们寸步难行。同样在元宇宙里行走，每个数字人将来都要有自己是数字身份和经济支撑，这就是数字人所依仗的“剑”。

 “数字身份”是一个独立的数字人的身份，是由代码承载、数字构成的虚拟身份。你对它有责任，需要操心它的“人设”。元宇宙里的“数字身份”非常重要，就像是虚拟世界里的一个生命，应该没有任何个人或组织可以销毁它。需要区块链、隐私计算、网络安全等多种技术结合来构建元宇宙公民的身份系统。有了数字身份，围绕它交换数字物品和数字资产的系统，就构成了你的经济系统。它的内涵很丰富，包括元宇宙公民的数字资产、IP，以及智能合约带来的收益，和因违反治理规则带来的惩罚。

四、内容创作的技术：元宇宙的繁华景象

内容是吸引用户进入元宇宙的主要原因。不妨将元宇宙想象成为一个数字化、三维化的迪士尼虚拟乐园，城堡都建好了，要是没有内容（人、物、场、事件），如米奇大街没有米奇、米妮的形象、互动和场景体验，谁会去玩呢？

2021年，初步具备元宇宙形态的Decentraland、The Sandbox等已经吸引不少用户加入，用户主要还是透过桌面电脑、手机进入，这也说明VR头显、触觉手套这有种沉浸感的硬件效果会更好，但不是必须。只要有更多“内容创作”的创意人才参与进来，元宇宙里的各种奇思妙想和丰富体验是能吸引更多用户。目前，元宇宙的内容创作，在中国可率先落地的有教育、培训、影视、艺术、文旅、社交、游戏等领域。

五、治理技术：元宇宙不是法外之地

元宇宙的治理规则可以分为两个阶段：发展阶段、成熟阶段进行探讨。在元宇宙的发展阶段，主要是身份治理（个人账户）和经济治理（数字资产），规模和影响力有限，主要在人和人之间达成共识；进入成熟阶段，社会关系变得更为复杂，需要处理人和社区，社区和社区，甚至虚拟国家之间的关系，这就要在法律、文化、价值观层面进行思考、探索和引导，实现科技向善，以建设人类命运共同体为目标。在目前的元宇宙发展阶段，呈现了需要解决的急迫问题，如数字藏品的炒作和丢失，隐私信息的泄露。

近年来，区块链技术逐步成熟，例如，佳士得与Artory合作，用区块链技术对拍卖销售的数据进行加密记录，并为艺术品购买者提供保障、增加信心并在最终转售时提高效率。代码即法律的逐渐普及过程中，智能算法与合约将成为民商事合同的重要类别。

第三节  五大地基性技术

我们人类发展，需要煤、石油、天然气等各种能源提供的能量，元宇宙是虚拟和现实相连接的世界，同样需要“能量”的输入，就像地球需要阳光一样。而这些“能量”，就是我们现实世界提供的源源不断的算力。算力不仅仅支撑了数字人及其所在的虚拟社会的运行和发展，还支撑了数字人的思考和决策。这里所说的算力包括了计算、存储、网络、安全和AI的能力，是广泛意义上的算力；一般狭义上的算力，通常指计算的算力（采用CPU即中央处理器），或者AI算力（采用GPU即图形处理器）。

本书将在第三篇中按章节逐一介绍这五大地基，下面先简要介绍一下。

一、计算技术：元宇宙的能量

物理世界的计算算力，就像“阳光”一样，普照万物。

元宇宙的发展，从其重要组成部分交互和显示来看，VR要从2K、4K分辨率到视网膜级别（接近16K）的高清晰度，对端到端算力的需求提高数十倍，IT基础设施面临极大挑战。我们需要更大的云数据中心规模，更多的边缘计算，以及数以亿计的各类物理世界的设备端、传感器连接到互联网（例如原子钟的虚拟镜像），共同支撑元宇宙的发展。量变引起质变，规模的发展，使得元宇宙时代的计算，具有了很多全新的特点。受规模以及这些全新特点的影响，反映到个体芯片或设备的设计实现，则不仅仅要求个体性能的提升，还需要考虑个体如何来支撑整个系统的更高级要求。

元宇宙是一个完全联通的互联网，需要跨平台、跨地域的算力整合，需要统一架构和生态的算力平台，也需要更多的AI算力支撑更多数字人等智能体。英特尔高级副总裁Raja Koduri曾表示元宇宙需要计算能力再提高1000倍！

2022年2月，国家发改委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了10个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心体系完成总体布局设计，“东数西算”工程正式全面启动。

如果我们把全国的所有数据中心的联合体看成一个“逻辑”上的超大型计算机的话，10个数据中心集群如同多核CPU的不同物理内核，其他数据中心类似计算机里的各种各样的多元异构计算芯片，如GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）、DPU（Data Processing Unit，数据处理器）等，它们共同为构建“元宇宙中国”服务，源源不断输送清洁高效的“能量”，确保持续、共享。这样，东数西算或许有望成为绿色低碳、高效价廉的算力调度体系，有助于实现物质和精神生活的共同富裕。

二、存储技术：元宇宙的土壤

如果说计算算力是元宇宙的阳光，那么存储算力就是元宇宙的大地，是土壤。生长出各种各样的物种，并记录和保存这些物种的状态、属性等信息，还能繁衍新物种，生生不息。

计算无处不在，存储也无处不在，不同种类的计算需要的存储也不一样。云计算催生云化的存储，边缘端则催生消费类存储。需要流动的，所需存储空间不大的高价值小数据集，例如数字资产（含NFT的元数据），可以存放在区块链上，链上全部节点进行账本同步，确保高可靠和不可篡改。而静态的，海量的非结构化数据，最好链下方式存放，往往需要去中心化的云存储，这种下一代云存储就是区块链存储。

物体通常具有独占性、排他性、消耗性的特点，而数据具有可复制性、非消耗性和特殊公共性等特点，造成相关权利的不同，数权与物权大相径庭。这也促使了新经济的可能转变以使用权为中心的平台转向所有权为中心，这必然促进使用权和所有权相分离，这恰恰是区块链存储，尤其是公链存储的一大特点。国内当下环境适合发展联盟链存储，但公链存储未来必将成为竞争高地，用来存放NFT或数字藏品所对应的原始数据。

在中国，区块链存储有哪些设计原则，将面临什么样的挑战，有何好的建议，有哪些案例值得借鉴，有哪些可能的建设模式和演化步骤？我们将在对应章节里详细剖析。

三、网络技术：连接元宇宙的一切

网络不但是用户从现实生活进入元宇宙数字世界的必然途径，而且也是支撑元宇宙内外部的数据共享、实时交互乃至场景连接的关键基础。在元宇宙时代，人们利用电脑、手机、VR眼镜等多样化的终端设备，通过无线或者有线网络访问元宇宙，感受其斗转星移、世事变迁，与里面的数字人物、环境背景实时互动、同悲共喜。用户在访问元宇宙的同时，更可以留下生命记录、自主创造内容，这些涓涓细流在网络的交织组合下终将汇聚成元宇宙的星辰大海。物理世界中的生命和物质，在未来都可能成为元宇宙内容的贡献者，而支撑它们融入到元宇宙之离不开万物互联的网络。

元宇宙的网络，目标是为用户提供持续在线、顺畅平滑的访问体验，将向着高带宽、低延迟、广覆盖的方向发展；同时，为了创造出更加逼真的场景，用于构建元宇宙“人、物、场和事件”的海量数据的传输也使得带宽大幅提升、异构网络融合成为网络领域的巨大挑战。当前，以5G和WIFI为代表的网络技术融合交互（含VR/AR等）技术，打开了元宇宙的入口；软件定义网络能够在元宇宙与用户之间、不同元宇宙之间建立灵活、按需、具有QoS保障的网络连接，有力地支持元宇宙的弹性扩展和异构融合。在未来，以6G、WIFI7为代表的无线网络技术将更好地支持用户随时随地无缝接入元宇宙；确定性网络技术任重道远，但它的日益成熟必将为元宇宙的业务创新和体验提升，提供重要的技术保障。

四、系统安全技术：定海神针

元宇宙是下一代网络空间形态。元宇宙系统安全既是目前网络安全产业的组成部分和前沿方向，同时也会呈现出其独特性。

安全不仅是产业问题，同时也是国家竞争力的关键，因此各主要国家在政策和投入方面都不遗余力。近几年各国网络安全政策主要聚焦于确保5G、人工智能等未来技术创新领域，预计元宇宙安全也将成为网络安全各主要先进国家竞争的主战场。

安全产业包括产品和服务。据中国信通院数据，2019年全球网络安全产品市场份额为624.78亿美元，占比前三名为基础设施保护、网络安全设备和身份管理；同期全球网络安全服务市场规模为619.22亿美元，以安全托管服务和安全咨询服务为主。

增速方面，排名前三的网络安全产品分别是云访问安全代理、基础设施保护和数据安全。此外，近几年全球网络安全新上市企业表现强劲，融资并购活动活跃。数据安全、身份管理与访问控制、网络与基础设施安全、风险管理与合规等领域融资活动占比均超过10%。

近几年中国网络安全法律及配套政策密集落地，安全合规市场空间进一步拓展。《中华人民共和国密码法》《个人信息保护法》《数据安全法》等法律相继出台，《国家车联网产业标准体系建设指南（车辆智能管理）》《关于推动5G加快发展的通知》《关于推动工业互联网加快发展的通知》等新兴领域的政策性文件纷纷颁布，这些政策性文件对通过网络安全确保新兴领域的建设发展安全均提出了严格的标准，同时《云计算服务安全评估办法》等细分领域的安全技术实施和评估办法开始实施。

国内安全产品体系和服务体系相对完善，安全产品和服务也已延伸到云、大数据、物联网、工业控制、5G、移动互联网等场景。同时，元宇宙因其泛在性、各应用连接的无缝性等独特性，对安全也提出了更多要求，详细内容参见本书后面对应的章节。

五、AI技术 ：端到端的智能

AI在元宇宙中拥有的重要地位不言而喻，人们在进入元宇宙后，会以数字化身存在并活动。这位化身之所以能够在视觉、听觉、触觉等感官上实现全方位感知，并流畅的表达和交流，离不开AI技术。

AI领域的计算机视觉、语音合成与识别、数字触觉等技术在化身上的融合运用会帮助人们更加生动、逼真地体验与探索元宇宙，进而表达和传递情感的温度。AI不但能够使得用户在元宇宙中的交互更加顺畅，而且它对于元宇宙世界的建设和完善也发挥着举足轻重的作用。虽然元宇宙允许所有的用户创造和共享内容，但是在打造多样化、沉浸式的元宇宙的过程中，仅凭人工来构建场景内容，产能的瓶颈和低效会导致场景的数量、规模、丰富程度都存在很大局限。如果引入AI技术开展元宇宙的自动化构建，将一些重复、简单、耗时的工作交给AI完成，会达到事半功倍的效果，也能为人们腾出更多的时间去打磨元宇宙的核心内容。同时，以强大算力、创新算法、海量数据为依托的AI也许还能从更多的视角解读和利用素材，突破人类惯用思维的局限，给元宇宙的创造带来意外之喜。

当前，构建尽可能接近现实物理世界的数字场景是当前元宇宙发展的重要目标，但是更吸引人的是在元宇宙中有可能创造出超现实的强大能力。也许在不远的未来，虚拟世界中的AI就可以对现实世界进行反哺，催生出创造性、变革性的技术和业务，乃至提供不同于以往现实社会的全新价值。

第四节  元宇宙技术应用的辨析

需要注意的是，元宇宙不是一个筐，不要什么都往里面装。

当我们讨论元宇宙技术的应用时，需要始终围绕着元宇宙的定义来讨论，也即思考，构建并支撑多维共创互信网需要有哪些技术？这些技术是在构建数字新世界的时候，应该有着直接、高效的关系。技术的应用是不是运行在这个多维共创互信网上？和以往的互联网有何区别？同样，辨析元宇宙产业的时候也应该遵循这个逻辑。

需要明确的是，元宇宙发展道路十分漫长,现在可能只是1%~2%，目前全球范围内，还没有哪个公司或组织的元宇宙产品或平台能将全部技术都用起来。市面上较为常见的是元宇宙产品通常用到了2个以上的支柱。例如：

●meta的Horizon，佩带头显的用户可以与朋友或者陌生人会面、玩游戏，还可以创建属于自己的世界，用到了交互和展示里的VR和内容创作；

●基于区块链的Decentraland，用户可以在里面建造3D建筑物，结合了身份系统和经济系统，以及内容创作；

●国内51World的自动驾驶，结合了VR和数字孪生；

●国内Pico里的MultiBrush，用户可以戴上头显，自由地进行三维绘画（如图2-2），结合了VR和内容创作；

小朋友利用Pico Neo 3，使用MultiBrush进行的3D绘画

下面我们围绕着本书中对元宇宙的定义给出一些判断标准，避免将元宇宙泛化、庸俗化。元宇宙的技术、产业或应用，本质上都要围绕着数字新世界，和这个虚拟世界的构建或使用有直接的关联。不过，考虑到现在处于元宇宙的极早期，也不要过于严苛，满足如下之一即可。

●多维的：最好是利用了AR/VR、裸眼3D等具有沉浸体验；或者至少能支持三维动态参与和交互，例如百度希壤、网易瑶台等；再如类似采用了类似Unity、Unreal数字孪生建模工具等

●共创的：用户进入到三维空间（并非必须是AR/VR这种沉浸感，低分辨率也可以）之后，不只是做为消费者，还可以成为内容的生产者，例如Roblox、MineCraft等；

●互信的：区块链为基础，结合了带有创意的内容创作，例如NFT/NFR，或数字藏品等；

例如，扫地机器人，虽然有AI的算法在里面，但它缺乏数字化身参与虚拟世界的活动；网民在Youtube网站上传了一个二维平面的视频，虽然也是内容的共创，但不能视为元宇宙技术的应用。

第五节  元宇宙技术相关的产业

由于元宇宙仍处于其早期阶段，尚未形成一个结构层次分明的产业，早期可以按照构成其的十大技术做一个大致的分类，这样方便从产业生态、组织、结构等角度去研究、评估元宇宙产业的市场发展，厘清相关产业链，为制定元宇宙产业相关的行动计划、政策寻找切入点。然而，这个观察的视角并非一层不变，预计到中后期，切入点可以转为虚拟世界和虚实融合中的创意产业，也即多维（至少三维）互联网中，创意的生产、流通和销售相关的各种行业。下面我们从中长期的角度来分析元宇宙产业。

元宇宙产业属于第四产业，是一种新型信息产业，是新时代下体验经济、观念经济、创意产业的数字化、网络化、智能化。

我们先来看一下产业的定义。维基百科表示：“产业，指一个经济体中，有效运用资金与劳力从事生产经济物品的各种行业。

产业是指由利益相互联系的、具有不同分工的、由上下游和相关行业所组成的业态总称。产业是社会分工的产物，是具有某种同类属性的企业经济活动的集合。元宇宙产业里，同类属性是指具有这样的共同目标：创建数字新世界（也即多维共创互信网）。

经济学上，惯常把产业分门别类。一般而言，产业可分为三类，分别是第一产业、第二产业和第三产业。按生产责任的产业分类如下：

第一产业：产品的生产链最低层的行业，担任原料的提取工作，是该产品自生产至供应市场的最早阶段。

第二产业：产品的生产链中层的行业，担任原料加工的工作，是该产品自生产至供应市场的中间阶段。

第三产业：产品的生产链最上层的行业，担任物流、分销、中介等工作。第三次产业需要接触产品的终端顾客，是该产品从生产到供应市场的最后阶段。如表2-1所示，举例说明了三个产业相关的产品、服务和提供商。

表2-1 第一产业、第二产业和第三产业的示例

而第四产业围绕着信息的处理和服务，又称知识产业或信息产业。主要以计算机为基础，从事信息的生产、传递、储存、加工和处理。元宇宙做为数字新世界，毫无疑问属于信息产业，但与以前有所不同，它加工、处理和传递的是创意，因此它是一种新型信息产业。

因此我们认为，元宇宙产业是一种围绕着虚拟世界，促进虚实融合、集成多种感官的互动，以提升组织或用户的体验和效率，降低成本为目标，提供创意、思想、意识的交流的新型信息产业，是新时代下体验经济、观念经济、创意产业的数字化、网络化、智能化。

本章概述了建设元宇宙需要用到的十大技术，包括五大支柱性技术：交互与展示的技术、数字孪生与数字原生的技术、创建身份系统与经济系统的技术、内容创作的技术和治理技术；以及五大地基性技术：计算技术、存储技术、网络技术、系统安全技术和AI技术；并剖析了如何辨析是不是元宇宙产品，有没有用到元宇宙技术；最后介绍了元宇宙产业，并指出元宇宙产业属于第四产业，是一种新型信息产业。

---结束---

本文是中译出版社即将要出版的《元宇宙十大技术》的第二章，欢迎大家持续关注。第一章是《从宇宙大爆炸到元宇宙》。

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