“元宇宙（Metaverse）无疑是2021年最热门的科技话题之一。从脸书扎克伯格到元宇宙产业，到国内各大互联网公司布局元宇宙板块，再到游戏、社交、AR/VR、只要上市公司与元宇宙有点接触，区块链就会在股市上大步前进……2021年，“元宇宙”可谓火遍全球。
那么，元宇宙是什么样的技术呢？云宇宙的到来会对我们普通人的生活产生什么影响？元宇宙最终能实现吗？它离我们有多远？今天我们来谈谈这些问题。
事实上，元宇宙并不是一项单一的新技术。元宇宙多地代表了一个新的技术概念和方向。
简单地说，元宇宙可以被认为是一种新的互联网技术框架，强调沉浸式的虚拟和真实的交互体验。
目前的互联网系统基本上是虚拟和真实。
互联网上的数字元素实际上是现实世界中物理元素的简单抽象。如何理解这句话？例如，每个人都习惯于在线购物。当我们在智能手机上滑动购物页面时，事实上，每种商品的图标都是供应商货架上相应物理商品的符号。当然，这只是一个简单的表达。它在现实世界中没有丰富的物理属性，如3D形状、表面纹理、气味、重量等。因此，虚拟和现实的二元世界是分开的。
假设我想买一张桌子，如果我去实体店选择，我会从各个角度观察桌子是否满足我的审美，我会打开抽屉看看里面是什么样子，触摸桌子是光滑还是粗糙，甚至想看看如果它放在我的研究中，它会是什么感觉。然而，这些基本和重要的用户感官体验在当前的互联网应用程序中大多无法实现。文本、图片和其他符号信息并不能很好地代表用户对背后物理实体的具体感知和理解。从这个角度来看，元宇宙技术实际上是在虚拟世界中重建物理世界实体的深度复制，使其在现实世界中尽可能具有相应物体的具体属性，如3D形状、颜色、纹理、行为等。(如果未来技术成熟，触感和嗅觉可能会真正复制)。
更重要的是，在元宇宙中，同一个例子在现实和虚拟世界中高度联系。
例如，作为一个用户，你可以在虚拟世界中建立你的3D人物形象，包括外表、体型、语言习惯、动作习惯等。；在元宇宙中，你的虚拟形象也会同时做同样的动作和说同样的话。换句话说，作为一个主题，你不再是一个旁观者的角色，而是作为一个主角（在游戏中，我们称之为第一人称）到虚拟世界的各种互动。
此外，虚拟世界中的各种人物、物品、场所可以与现实世界中相应的实体无缝融合，达到虚拟现实融合和沉浸式互动的效果。
作为这样一个新的互联网运营商，元宇宙在管理形式上不再区分实体和虚拟体，而是二元合一的运营模式。它能带来的体验改善确实能给人类带来无限的遐想。
想象一下，如果大多数物理世界的物理可以复制一个可以在虚拟世界中互动的虚拟复制品，那么大多数人类的生产和生活活动可以在元宇宙的世界中无障碍地运行。因此，元宇宙也可以被认为是一个新的虚拟平台，支持社会、娱乐、交易、办公、生产、创造和生活。
如何在元宇宙中度过真实世界的小明？
现在，我们可以大胆地想象一个普通上班族在元宇宙中的一天。
小明是一家跨国汽车公司的产品设计经理。早上，小明来到公司会议室，举行日常工作进度交流会。当他带着它时AR眼镜后，来自世界其他办公室的同事们挤满了小会议室(与会者3D虚拟图像已与会议室场景融为一体）。我们热烈讨论，不时通过语言和身体动作表达我们的立场、观点和想法。会议室中间的工作台上显示了3D在设计方案中，设计师通过简单的手势交互不断调整产品的设计细节——从颜色到局部形状，不断优化，设计结果可以实时呈现在虚拟世界中。最后，方案已经确定，只要一键传输，就可以发送到加工单位进行样品。
会后，有点累的小明来到办公室，然后带了一个VR头盔，选择了一个秘密花园的场景，想让自己放松一下。瞬间，他来了一个阳光明媚、草绿花红的寂静花园。环顾四周，看着这些美丽的花朵，毫无疑问，他的心情已经治愈了一点。很多人幻想过这样的场景，就是从现在的世界里跳出来，来到天堂安静一下，哪怕是一分钟。元宇宙的技术为每个人打开了平行宇宙的大门，在单一物理宇宙中有限的可能性可以在平行宇宙中找到相应的飞翔翅膀。
当然，元宇宙的想象力不受物理世界的约束。
可以想象，在小明寂静的花园里，挂在各种植物树枝上的可能不是水果，而是各种各样的商品；小明可以买今晚在花园里吃的东西和零食，一键支付。甚至，小明也可以在树枝上取下并试穿他最喜欢的衣服，一键切换到第三人称视角，看看他是否穿上新衣服，决定是否买。当然，当小明晚上下班时，所有在元宇宙中购买的商品，实际上，物理产品已经送回家了。
身临其境的体验将大大降低人与社区之间的沟通成本，缩短时间和空间之间的距离。想象一下，如果绝大多数的人类工作和会议可以在虚拟和身临其境的场所进行，世界每年可以节省多少汽车和飞机的燃料使用和碳排放？！
因为一切都可以在元宇宙中找到相应的数字副本，所以交流的边界被打破了。在虚拟世界中，你可以与你的宠物互动，甚至是没有生命的物体，生命的形式也可能被延伸。对于设计和创造工作，在虚拟世界中，创造和生产效率也将大大提高，由于信息发布效率和创造阈值的降低，每个人都是元宇宙的内容提供商。即使是传统的制造业和农业也将受益于虚拟化的需求-设计-生产-物流一揽子平台支撑，真正实现定制生产。
“3D互联网涉及哪些前端技术？
从技术角度来看，业内人士认为元宇宙技术应该被理解为现有技术的组合升级，可以说是3D互联网。到目前为止，这仍然是一个非常恰当和微妙的总结。元宇宙中涉及的前端技术主要包括感知模块、内容创建模块和真实感渲染模块。
倪冰冰课题组供图
感知技术主要包括对环境和用户主体的态势感知。
前者主要是指对场景进行三维重建，恢复颜色、纹理、光线、材料等细节，理解场景中所有对象的语义，包括标签属性、场景中动态的人物动作等。后者主要为用户建模，实时恢复用户的位置、动作姿势、运动状态等。目前，高端AR/VR眼镜有这样的功能，常被称为6-DOF主流估计SLAM该技术可以恢复观察者的姿势和场景的三维结构。然而，这些技术的精度和稳定性并不理想。
元宇宙的一个主要特征是虚拟与现实的融合。因此，虚拟内容的生产技术是元宇宙的核心，虚拟内容的产生是价值创造的来源，而不受物理世界的限制。
由于实时交互和高通量的要求，传统游戏、电影等人工内容制作远远不能满足元宇宙应用的需求。基于人工智能的内容生成技术是最热门的方向，基于深度学习，特别是对抗生成（StyleGAN），BERT-Transformer（VQ）等技术。
目前，计算机已经能够无中生有角色和风景图片，动作视频，3D物品和建筑等数据，不过，对于实时以及虚实融合的要求，目前的内容生成技术在保真性、可编辑性方面还有相当长的路要走。
当然，渲染技术作为元宇宙的最终输出端，直接决定了用户身临其境的体验质量，实渲染技术是元宇宙技术栈上的皇冠。真实渲染技术在好莱坞顶级电影制作（如复仇者系列）和大型3中更为常见A在游戏中，其核心技术点是通过光跟踪等方法高精度模拟物理规则。
目前的光跟踪技术可以实现虚拟物体和周围环境中真实物体的全球光，而物理模拟使虚拟空间也符合物理规则（流体、碰撞、运动等）。与现实世界相似。然而，由于计算能力和功耗的限制，这些技术还没有大规模应用于终端设备。另一方面，深度学习与传统的光跟踪和物理模拟技术的结合（例如：NERF、AI光场重建等)，旨在降低模拟的复杂性，实现端侧落地。
除上述主要前端技术外，元宇宙的重要技术支柱是支持平台运行的大规模超级计算技术，以及维护虚拟世界中高可靠信用系统的区块链技术。
构建元宇宙有哪些技术问题需要突破？
然而，罗马不是一天建成的。为了最终实现我们期待的元宇宙，还有一系列的技术问题需要突破。至少，以下关键技术一直困扰着相关领域的科学家和技术开发人员。
１、新显示技术
沉浸式体验必然需要沉浸式显示技术。AR/VR在显示领域，显示器件、图像处理和渲染算法都不能完全满足元宇宙应用的技术指标要求。市场主流AR/VR大多数显示器（主要是光学波导片）都有重量大、功耗大、分析差、颜色严重、常伴有眩晕等问题。为了获得一个轻而好的显示模块，它需要材料和光学的重大突破。
２、算力约束
从计算架构角度看，元宇宙必然是一种“云-边-终端协作模式。然而，目前，主流芯片的计算能力储备远远不能满足元宇宙应用的要求，无论是云还是终端。特别是，终端计算能力瓶颈巨大，因为终端不仅承担了一些智能感知算法，而且还承担了核心虚拟和真实集成的真实图像渲染算法。这种算法需要巨大的计算能力和超低的功耗。目前，主流的终端计算芯片不符合如此严格的技术指标。
3.低时延通信
元宇宙的核心在于无处不在、无时不在的交互，这些交互了产生天量的实时数据通讯需求。目前5G技术能否完全满足如此高带宽、高并发的实时通信还不得而知。也许我们必须等到6G甚至7G时代的到来可以成功地解决这些问题。
4.新型传感器技术
元宇宙应用程序对用户情况感知的需求是前所未有的。对于用户的全维信息感知（如外观、位置、姿势、运动、各种生命体征，甚至情绪、意图等）。需要一个轻、高、可靠的全系列新的可穿戴传感器。
元宇宙将给我们带来无限的可能性。公众可以准备好拥抱它带来的生活和工作方式的变化，期待更好的生活和更美好的生活。
至于相关企业和投资机构，我想说的是，与其热衷于概念炒作，不如沉下心来，积极投资元宇宙相关支持技术的研发投入。毕竟，如果我们能突破芯片、显示器、传感器、计算架构等关键核心技术，未来将是无限的。
作者:倪冰冰(作者是上海交通大学电子系教授、计算机视觉专家、华为海思计算机视觉首席科学家)
编辑：姜澎
图片来源:文汇报(视觉中国)，PEXELS免费图片