元宇宙核心技术

　　元宇宙整体技术发展不仅需要底层硬件的支持，同样也需要上层应用和算法的突破，随着应用技术的迭代和算法的优化，现阶段元宇宙已初步具备游戏、娱乐、教育、生产、社交、创作和交易等现实功能，也已具备身份、朋友等社会属性，同时由于引入了区块链的概念和技术，使得元宇宙具备构建去中心化经济体系的能力，距离初步构建平行于现实的虚拟数字世界更近一步。

　　1.区块链

　　在万物数字化的元宇宙中，现实世界中基于“实体”和“信用”的认证体系已经

　　不能和数字世界相匹配，因此在元宇宙的价格体系和交易体系主要是建立在区块链的概念之上。区块链的本质是分布式账本，通过哈希算法及时间戳技术储存数字信息，然后通过分布式存储和广播共识机制确保交易认证的正确性和不可篡改性，因此区块链技术具有高效(无需第三方)、稳定(全自动化)和透明(全链广播共识机制)等优势，可以有效地解决元宇宙中价值归属、流通、变现和虚拟身份等认证问题。

　　元宇宙中数字身份、游戏道具或专有饰品等具有唯一性和不可复制性的数字资产在元宇宙世界中的交易和流通则更为复杂，因此基于区块链技术的非同质化代币(NFT，Non-fungible Token)概念被广泛应用于此。NFT技术是区块链技术的一个分支，通过将记载着交易信息的凭证电子化，使其可以在区块链上储存，并通过区块链的共识机制广播至全链路确保其实时性和不可篡改性。

　　同时NFT还兼具不可分割、不可复制和唯一性等特征，使其在特殊数字资产的确权和交易上有着广阔的发展空间，2020年NFT市值达到3.38亿美元，同比增长139%，并且截至2021年3月NFT作品单笔成交额最高达6934万美元(Beeple Everyday, March 11th,2021)。随着元宇宙概念的兴起和人们对于个性化意识的日益提升，NFT概念及其技术的发展将会受到持续关注。

　　2018年至2020年全球涉及NFT概念的交易总市值，单位：百万美元

　　目前区块链领域的痛点来自于两方面，一方面，随着区块链的发展，链上交易数量呈几何级增长，对于基于分布式账本和全局共识机制的区块链来讲，节点存储的区块链数据体积会越来越大，数据储存成为潜在问题，并且随着区块以及节点的体积不断增长，其数据确认时间越来越长，严重影响交易效率;另一方面，跨链数据交互问题，随着区块链概念的爆火，各种公链、私链如雨后春笋般出现，而目前并没有公认的跨链技术标准，各种技术方案层出不穷，导致跨链交易难、效率低、费用高。这两方面原因都将严重影响其在元宇宙体系建设中的应用，是未来区块链领域亟待解决的难题，但也为未来技术迭代、发展指明了方向。

　　2.人工智能

　　人工智能作为元宇宙的技术支撑近年来发展迅速，以美国为首的发达国家利用互联网和科技巨头大力布局人工智能产业，已形成较为完善的AI技术生态。中国起步稍晚，但得益于人口基数大，数据积累上有天然优势。数据量规模对于算法训练、人工智能具有十分重要的意义，我国已明确将数据作为新时代重要的生产要素。随着国产化进度的不断提升，我国在人工智能领域也具有巨大发展机遇。

　　人工智能可以为元宇宙大量的应用场景提供技术支撑，其在元宇宙中扮演的角色可谓举足轻重，其应用主要集中在智能语音、NLP自然语言处理、机器学习和计算机视觉四个方面，为元宇宙中用户与用户、用户与系统、不同系统之间的沟通与交流提供了技术理论和应用框架。具体应用包括通过NLP自然语言处理人机之间的交流与沟通，在增强实时沟通效率的同时弱化系统NPC的机器属性;通过智能语音算法，完成不同语言玩家之间的无障碍交流;通过海量数据进行机器学习，训练人工智能进行内容创作，从而达到从UGC和PGC到AIGC的转变。

　　目前人工智能还停留在弱AI阶段，即人工智能只能在人为设定条件下进行互动和创作，未达到自主学习和成长的阶段，因此现阶段人工智能在元宇宙场景中的技术发展主要集中在从弱AI到强AI的转化，通过优化机器学习模型算法，从监督或半监督机器学习模型如决策树、SVM向无监督机器学习模型如深度学习、强化学习发展，加强人工智能自主创作能力以便为用户提供不重复、定制化、可自由探索的游玩体验。

　　3.云技术

　　现阶段基于云技术的应用形态呈现出多样化的趋势，从云储存到云计算再到云应用，云服务器位置根据需求也各有不同，向云、雾、边、端等各种不同方向发展。目前云技术在元宇宙中的发展主要集中在三方面：算力，储存和渲染。

　　在算力方面，元宇宙作为完全数字化虚拟时空，其中人、机、物及其之间的交互都需要依赖相当高的算力，同时作为完全拟真世界，全时域实时稳定运行对于服务器的可靠性也提出了相当高的要求，普通本地中心化IDC无法满足，而云计算作为架设在分布式机群上的计算平台，在满足元宇宙对于高算力和稳定性要求的基础上，还兼顾低延迟和不同地区定制化配置的需求。

　　在存储方面，元宇宙是基于区块链技术来搭建价值和交易体系的，而区块链的本质是通过分布式账本达到去中心化交易。因此基于云端的分布式计算集群更契合区块链的去中心化交易思维，同时也避免单个区块链节点数据过量储存的问题，同时分布式的数据储存可以通过相互备份形成类似“raid阵列”效果保护数据整体一致性，提高数据丢失容错率和数据恢复操作空间。

　　在渲染方面，元宇宙作为主打“随时、随地”轻量化概念的世界级应用，需要大量的算力进行图片渲染和物理碰撞模拟，对于终端的性能和承载能力有着极高的要求，有悖于元宇宙“anywhere，anytime”的轻量化设计初衷，也不利于市场推广，因此利用云渲染可动态分配算力的优势，分离运算端和显示端，在云端完成画面渲染然后利用最近CDN以低延迟推送画面到终端才是未来云计算在元宇宙的技术发展方向。

　　4.数字孪生

　　数字孪生(Digital Twin)的概念最早被美国航空航天局(NASA)应用于阿波罗项目中，通过制造两个完全一样的空间飞行器，利用留在地球的飞行器对在外太空执行任务的飞行器进行仿真试验和模拟，而留在地球的飞行器(Apollo Mission Simulator)也被称为 “模拟器”或“孪生体”，由此引出了数字孪生的概念雏形。

　　2003年，密西根州大学的迈克尔·格里夫斯教授教授首次提出了“物理产品的数字表达”概念，认为物理产品的数字表达应具备抽象表达的能力，并能够对物理产品进行真实条件或模拟条件下的测试。2014年，在其撰写的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”中，格里夫斯教授首次引入了数字孪生的概念并对其进行了详细的定义，根据其理论框架，一套完整的数字孪生体系应包括物理空间、虚拟空间、联结物理空间和虚拟空间的数据流、联结物理空间和虚拟空间的信息流等要素。其定义也被各界广泛接受，并广泛应用于产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域。

　　数字孪生作为仿真和模拟领域的前沿技术，与元宇宙构造现实社会的拓展和延伸的概念高度相符，成为元宇宙在虚拟世界中构建现实世界数字孪生体的基础应用，将极大程度提升元宇宙的构建效率与真实体感。

　　随着底层技术的发展和元宇宙概念的火爆，数字孪生的概念逐渐走入人们的视野，业界也在积极探索其应用。微软公司就曾在其模拟游戏《微软模拟飞行2020》中通过与奥地利初创公司Blackshark.ai合作，基于卫星数据和数字孪生技术生成地球3D数字孪生体，为玩家提供提供结合地理空间数据和三维模拟环境的飞行体验。而美国的Nvidia公司基于现实世界物理定律和逻辑，构建并发布Omniverse开放式创作平台，利用其强大的PhysX物理模拟引擎和RTX光线追踪技术为创作者提供了构建数字化现实世界的技术平台，降低了数字孪生的创作门槛。不仅如此，Nvidia还开发了Omniverse Avatar工具平台，集成了基于NLP算法的语音识别与交互、人工智能、视频渲染等前沿技术，为基于现实人物照型构建虚拟数字人提供了工作平台。

　　随着物联网技术和5G移动网络传输技术的发展，利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，数字孪生的仿真过程越来越实时和精确，在其技术发展过程中，孪生体的形态也逐步发生改变：从概念初期在现实世界制造1：1完全模拟体，到应用阶段利用现实世界中的小比例物理模型进行模拟，再到现阶段利用动补和3D建模技术在数字或虚拟空间中进行全态、全时段模拟。其模拟对象的范围也伴随其模拟能力的增强而不断扩大，从对单一现实中物体如汽车、飞机的运动轨迹及状态进行模拟，到对现实中复杂性系统工程的运行状态进行模拟如数字工厂、模拟区域天气系统，并且随着人工智能和感知交互技术的发展，其模拟目标呈现出从物体到有机生命体的演变趋势。同样，作为系统性、多学科交叉领域，数字孪生领域也有木桶效应，需传感器、芯片算力、3D视频渲染、全息显示、空间算法等多方面技术协同发展，方能共建元宇宙美好未来。