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科普新知 | 元宇宙(Metaverse) 的关键技术挑战和机会有哪些?

作者:信息中心
日期:2023/02/16

转自元宇宙的挑战和机会—知乎



"元宇宙是一个超大规模的可扩展和可交互的网络渲染3D虚拟环境,可以在其中体验与真实的无限用户进行同步和持续的交互,这个用户都拥有独立的呈现和数据的连续性,后者包括身份,历史,权力,对象,通讯和交易" — Matthew Ball


元宇宙并不是一个凭空出现的技术,说它是“移动互联网的后继者”可能更适合,因为元宇宙并不是从根本上取代互联网,而是在互联网的基础上进行迭代改造。 就跟移动互联网是1960年代到1990年代创立的互联网的“后继者”一样,移动互联网并没有从根本上改变互联网的底层架构。比如说数据的交互仍旧依靠基础传输和管理设备,但互联网的访问方式、地点、时间和访问设备已经发生了翻天覆地般的变化。 元宇宙也会具有类似的变革性,会逐步地进化并改变我们的日常生活。 关于元宇宙也有很多的误解,最常见的就是把虚拟现实(VR)当作元宇宙。事实上,VR仅仅只是体验元宇宙的一个途径之一,这种错误的认知就相当于把一个个手机APP当作移动互联网一样。实际上有几亿人在没有VR设备的前提下,每天花费几个小时通过手机参与到虚拟世界中,未来手机也会是参与元宇宙的一个重要途径之一。 另一个误解就是将元宇宙等同于游戏,这其实是一种非常片面的看法,游戏肯定是元宇宙的一个重要应用之一,但是并不意味着它是唯一。元宇宙作为现实的镜像,人们可以在其中进行社交、生活、办公、生产等。 元宇宙的几个特征 其实元宇宙在其他人的笔下有很多的名字,比如后设宇宙、形上宇宙、元界、超感空间、虚空间等,但它们的本质是一样的——未来持久化和去中心化的在线三维虚拟环境

 


未来持久化:

持久化(Persistence),即把数据(如内存中的对象)保存到可永久保存的存储设备中(如磁盘)。多了“未来”二字也就是意味着这个动作是持续性的,不断地将产生的数据进行保存。 


去中心化:

对于这个特征,我们可以拿支付系统来做比喻。比如我们要进行转账,现有的方法无非是银行卡直接转账或者通过微信支付宝等支付方式,但是他们的共同特征是都需要一个中心化的机构,才能实现转账。对去中心化来说,最主要的差别就是不需要中心化机构,所有的交互都只需要交互双方,无需中心的辅助。 在线三维虚拟环境:这个相对来说很直观,元宇宙在当前的设定下基本是现实世界的镜像,因此3D是大概率的,所谓的虚拟环境也就是现实世界的虚拟化产物。元宇宙的创建将需要无数新技术、协议、公司、创新和发现通力合作。不太会有纯粹的“前元宇宙时代”和“后元宇宙时代”。 相反,随着不同产品、服务和功能的集成和融合,它会随着时间的推移慢慢出现。乐观估计也需要几十年后才会成熟地出现在大众生活中。最简单的一个例子,双十一购物节的流量都会让互联网巨头宕机,更何况几百万人同时在线的同步共享持久模拟呢? 八个核心技术:对于元宇宙来说,以下8个技术基本构成其主要的框架:硬件、网络、计算、虚拟平台、交换工具和标准、支付、内容服务、资产和用户行为。 






1.硬件

硬件可以分为消费端硬件和非消费端硬件 消费端硬件:这部分是常见的手机,手表,VR耳机和VR眼镜等。这些硬件在不断的发展中,朝着更好更强大的传感器、更高性能的电池、更清晰的屏幕、更多样和更灵敏的触觉及更清楚的摄像头等方向发展,其本质就是为了提高用户的沉浸感。但要达到完整版本的元宇宙设备,提升空间还很大,比如说人类的视觉范围有210°,但绝大多数的VR眼镜只有60°左右。 非消费端硬件:在创建元宇宙的时候,会不可避免地去“复刻”现实世界的场景,那么工业级别的工业相机、投影和跟踪系统以及扫描传感器等就派上用场了,它以远超人眼的能力以更精细的方式去捕捉各种建筑场景等。此外包括但不限于 GPU 芯片和服务器,以及特定于网络的硬件,例如光纤电缆或无线芯片组等。


2.网络

这里网络定义为由主供应商、网络、交换中心和在它们之间路由的服务以及管理“最后一英里”数据给消费者的服务提供持久的、实时的连接、高带宽和分布式的数据传输。 其中带宽、延迟和可靠性是三个最重要的指标。 带宽:单位时间内可以传输的数据量。 延迟:延迟是指数据从一个点传输到另一个点并返回所需的时间。 可靠性:这是一个整体的指标,取决于整体的服务质量。 用高速公路形容这三个指标,带宽就是车道的数量,车道的数量越多,可以同时开的车数量也就越多。延迟可以比喻成高速的收费站,ETC的延迟就要比人工审核快的多,如果通行的车辆数量巨大,那么这一点时间差就会被放大到难以接受的地步。 可靠性取决于高速公路团队的整体运营,如果公路某个路段地面不平,及时的修缮能够带来很高的可靠性,而放任不管的公路可靠性无疑很差。


3.计算

计算能力将是元宇宙一切行为的“燃料”,无论是物理计算、渲染、数据协调和同步、人工智能、投影、动作捕捉和翻译等多样化和苛刻的功能,计算都是必不可少的。比如将触觉传感器的信号转化成元宇宙相应的动作,那么其中复杂的转换就需要计算能力的参与。 元宇宙将拥有人类历史上最大的持续计算需求,计算能力将决定元宇宙规模的上限,因为计算能力不足的话,几万人同时在线的元宇宙只可能是天方夜谭。毕竟现在所有种类的计算资源都很稀缺,CPU如此,更别说被深度学习御用的GPU。因此,分布式计算、云计算,隐私计算和边缘计算等,还有很长的路要走。


4.虚拟平台

定义为沉浸式数字体验,通常是 3D 的模拟、环境和世界的开发以及运营方,用户和企业可以在其中探索、创造、社交和参与各种体验(例如赛车、绘画、上课,听音乐),并从事经济活动。 这与现在的各种软件平台(手机应用商店)和游戏平台(如Steam)非常相似,不同的地方主要在于规模,元宇宙的虚拟平台包含数量更为巨大的开发者和内容生产者。 虚拟平台必须具备(相对不受约束的)创作(引擎+工作室+工具)的技术能力、支持它的服务(预制件和资产市场、语音聊天、玩家账户、支付服务),并运营多方面的经济(支出和收入等)。 成功的标志是平台会产生良性循环,更好的技术和工具以带来更好的体验,这会带来更多用户,意味着可以产生更多平台利润,通过它可以产生更好的技术和工具,以及通过创造者/开发者获得更大的利润,可以通过它获得更好的体验产生,从而吸引了更多的开发者和更多的用户等。 


5.交换工具和标准

可以理解为编程语言的语法和工具库,作为一个编程语言,一定有一套标准的语法规则和工具库,只有这样所有的开发者才能在同样的环境进行开发。 这些工具和标准,将用于元宇宙的创建、操作和持续改进,同时支持渲染、物理计算和人工智能等活动、经济活动、以及信息管理等。 在这个部分,如何形成具有共识的工具和标准无疑是非常重要的,不然的话未来就会有多个小宇宙,而每个小宇宙的标准可能不尽相同,甚至区别很大,那么这两者之间进行交互就会产生巨大的困难。 


6.支付 

对数字支付流程、平台和运营的支持,其中包括对纯数字货币和金融服务的法定入口,包括加密货币,例如比特币、以太坊和其他区块链技术。 元宇宙作为移动互联网的继承者,又被定位为人类休闲、劳动和生存的平台。这一愿景的成功取决于元宇宙是否拥有繁荣的经济。那么现实生活存在的经济活动在元宇宙也同样存在,企业竞争和不断的颠覆/替代循环、大量盈利企业(尤其是中小型企业)、资本流动、强劲的消费者支出。 提到支付,就不得不提到区块链,区块链仿佛是为了元宇宙而创作的。简单来说,它具有去中心化,也就是无需中介产生的额外费用;透明,每笔交易透明公开;不可篡改;可溯源机制;效率高;可长期保存。 但是当前的区块链有一个很致命的缺点,那就是gas费,可以理解为服务费太高,这就造成了经济活动的降温,不过现在侧链、跨链技术的出现都是向着降低gas费的方向前进,相信在不远的未来gas费会降到一个可以接受的地步。

 


7.内容、服务和资产

定义为与用户数据和身份相关的数字资产(例如虚拟商品和货币)的设计/创建、销售、转售、存储、安全保护和财务管理。 这个定义非常广泛,既包含了创作者的创作内容,同时也包含了消费者产生的消费内容等。 因为元宇宙能否发展起来,还是要看内容,只有足够多的优质内容才能吸引更多的用户,只有更多的用户才能产生更多的需求,从而达到创作者与消费者的良性循环。 


8.用户行为

这是一个广义的概念,包含了元宇宙所有“人”的各种行为,包括支出与投资、花费的时间和注意力、决策和能力等。从时间范畴上来讲,可以分为短期行为改变和长期行为改变。 短期行为改变:这个从疫情开始以来就有很明显的变化,比如人们在虚拟世界的时间明显更长了,远程学习,在线办公,各种虚拟游戏等。 长期行为改变:元宇宙作为一种新的生活方式,必将在一些方面永久改变人类的习惯,比如说未来的休闲娱乐方式等。 一个核心原则 木桶效应在元宇宙体现的将会非常明显,元宇宙是极为复杂的概念,融合了几乎所有的高新技术。这对元宇宙的发展有好有坏,好处在于元宇宙可以同时融合多种最顶尖的技术,创造凝聚人类智慧结晶的产品;坏处在于元宇宙的最终价值在于体验,如果在融合过程中有任意一项技术未达体验的预期,都将会对元宇宙的实现产生毁灭式的影响。 比如说VR的分辨率没有达到预期,网络延迟问题迟迟得不到解决,那么最终都无法达到完整版的元宇宙。 元宇宙当前面临的困难 这个又要说回到之前提到的木桶效应了,元宇宙作为一个集众多高新科技为一体的复杂项目,其技术的高度上线不可知,但是其技术的下限是由其短板决定的。 在目前看来元宇宙最大的短板,也就是短期的最大突破口在于VR和AR设备。为什么这么说,因为已有的芯片、通信、AI、区块链等,都可以基本满足初步的元宇宙建设。但是VR/AR设备作为元宇宙的重要入口,技术仍需完善。 现在的VR/AR设备仍需要通过降低游戏的码率(清晰度,真实度)来满足基本的流畅感,比如Roblox的方块颗粒感。但是“真实感”这种体验,一定是要足够强力的VR/AR才能带来的。 从上述的表格中可以看到,大多数需要的技术已经出现并达到了基本的使用要求,但是相对来说VR/AR设备的研发还远远不满足需要。不仅仅是技术的深度,供货量也远远不足。 元宇宙的趋势 元宇宙的发展趋势可以分为短期和长期,个人认为在短期内,娱乐游戏、办公和工作场景相关的元宇宙,长期的话生活社交场景一定会充斥在元宇宙中。 VR/AR的发展作为木桶效应的短板,在短期内是会形成虹吸效应,大量的资本涌入以及技术升级,特别是对于VR/AR设备,以下五个因素目测将会在集体努力下迅速解决。 长期趋势看来,元宇宙的几大核心技术也会呈现迅速发展的态势,比如软硬件,网络,计算等。 比如说网络代表5G,现在仅仅少部分民用,大多数的应用场景并未找到,而元宇宙就是一个非常适合的应用场景,元宇宙对于数据传输能力要求极高,这体现在数据传输的量级、速率以及稳定性等方面。 计算能力也是元宇宙急需的,那么芯片就是一个实现手段,不仅仅是CPU和GPU,其他种类的特定运算芯片也会大放异彩,比如DPU 芯片(数据处理芯片)和其他的异构芯片等。


元宇宙当前面临的困难 

元宇宙作为一个集众多高新科技为一体的复杂项目,任何一项技术出现短板都会影响这方面的发展,例如,VR的分辨率没有达到预期,网络延迟问题迟迟得不到解决,那么最终都无法达到完整版的元宇宙,其技术的高度上线不可知,但是其技术的下限是由其短板决定的。在目前看来元宇宙最大的短板,也就是短期的最大突破口在于VR和AR设备。为什么这么说,因为已有的芯片、通信、AI、区块链等,都可以基本满足初步的元宇宙建设。但是VR/AR设备作为元宇宙的重要入口,技术仍需完善。


现在的VR/AR设备仍需要通过降低游戏的码率(清晰度,真实度)来满足基本的流畅感,比如Roblox的方块颗粒感。但是“真实感”这种体验,一定是要足够强力的VR/AR才能带来的。目前大多数需要的技术已经出现并达到了基本的使用要求,但是相对来说VR/AR设备的研发还远远不满足需要。不仅仅是技术的深度,供货量也远远不足。


元宇宙的发展趋势

元宇宙的发展趋势可以分为短期和长期,个人认为在短期内,娱乐游戏、办公和工作场景相关的元宇宙,长期的话生活社交场景一定会充斥在元宇宙中VR/AR的发展作为木桶效应的短板,在短期内是会形成虹吸效应,大量的资本涌入以及技术升级,特别是对于VR/AR设备,以下五个因素会不断完善解决。







长期趋势看来,元宇宙的几大核心技术也会呈现迅速发展的态势,比如软硬件,网络,计算等。例如网络,目前元宇宙里面庞大的实时数据传输,需要有足够的数据传输能力来支撑;还有计算能力,针对元宇宙更高码率的画面渲染,需要提供庞大的算力来支撑,这方面也会带动芯片架构产业的发展。



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