书名：元宇宙中的硬科技
ISBN：978-7-115-63573-0
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
您购买的人民邮电出版社电子书仅供您个人使用，未经授权，不得以任何方式复制和传播本书内容。
我们愿意相信读者具有这样的良知和觉悟，与我们共同保护知识产权。
如果购买者有侵权行为，我们可能对该用户实施包括但不限于关闭该帐号等维权措施，并可能追究法律责任。
著 吕琳媛 陈永伟 武 强
责任编辑 林舒媛
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
本书从元宇宙的起源和现实应用场景出发，基于元宇宙的“BIGCHINA”技术框架，为读者依次揭开元宇宙背后八大硬科技—区块链（Blockchain）技术、交互（Interactivity）技术、通信技术（Communication Technology，5G、6G）、云和边缘计算（Cloud and Edge Computing）技术、高性能计算和量子计算（High-Performance Computing and Quantum Computing）技术、物联网和机器人（IoT and Robotics）技术、网络（Network）技术、人工智能（Artificial Intelligence）技术的神秘面纱。本书将上述八大支撑技术与元宇宙中的诸多实际和潜在应用相结合，生动地绘制出一幅元宇宙的“技术图谱”，为想要了解元宇宙及其背后核心技术的读者提供有趣的科普阅读体验。此外，本书在一定程度上突破了从单一技术视域分析元宇宙的局限，对读者了解当前元宇宙技术整体发展现状和未来趋势有一定的借鉴意义。
小元住在任天堂游戏《动物森友会》里一个叫“元宝”的岛上，显然“元宝”是她自己起的名字。小元因为购买了一幢豪宅，欠下“巨额债务”，所以每天都很辛苦地工作，好在她设计的家具在岛上很受欢迎，销量还不错。小元用挣来的钱点了一份外卖，还买了一张虚拟艺人演唱会的票。在演唱会上她认识了几个新朋友，他们相约周五晚上在酒吧小聚。为了给新朋友留下好印象，周五一下班，小元就跑到岛上的时尚店买了一套很酷的衣服和一些饰品。见面后，朋友们相谈甚欢，意犹未尽，于是又约了周末线下一起吃火锅。小元特意到理发店做了发型，还给朋友们带了亲手制作的饼干。对小元来说，虚拟世界和现实世界显然已经融为一体，这就是她平凡而又快乐的日常生活。
2021年，先是3月10 日，号称“游戏乐高”的罗布乐思（Roblox）上市，将自己定义为一个元宇宙平台，结果市值翻了10倍。随后，英伟达、脸书（Facebook）等大型企业陆续宣布进军元宇宙。作为美国互联网巨头的脸书甚至在2021年10月将其公司更名为“Meta”（意为超越、元），一时间“元宇宙”概念火遍全球。我想那个时候可能大多数人对元宇宙还是了解不多的。
我对元宇宙的兴趣并非源于对其本身的关注，而源于它未来可能对实现个人智能助手[1]（Personal Assistant，PA）及其互联的支撑作用。2021年10月，《麻省理工科技评论》在杭州未来科技城举办了“35岁以下科技创新35人”全球榜单和亚太榜单的颁奖典礼，我被邀请为对话嘉宾，在探讨未来变革技术的时候，我讲到PA对于人们未来在信息获取方式上的变革，特别提到PA互联将带来的重要价值和意义，以及对其支撑技术和实现场景的挑战。很巧的是，第二天脸书宣布更名，看到新闻后，我隐约感觉到这是未来的一个趋势，PA和元宇宙的结合可能会是一个极具潜力的方式。
[1] 本书作者在2018年出版的《重塑：信息经济的结构》中提出，PA在未来将可能取代当前的信息中介，成为匹配消费者需求和商家产品及服务的主流商业模式。
想要让大家搞清楚什么是元宇宙，我想最好的方式莫过于写一本书了。很巧的是，那时候我的好友、《比较》杂志研究部主管陈永伟老师也对元宇宙很感兴趣，于是我们一拍即合，共著了《元宇宙漫游指南》一书。该书于2022年3月出版。该书以一种科学研究的态度对元宇宙的概念、技术基础、经济学、治理、应用场景、商业布局、法律和公共政策等诸多问题进行了探讨。但是坦白地讲，直到现在我仍然没法自信地说我把元宇宙搞清楚了。似乎了解得越多，不知道的越多。就好比画一个圆圈，圆圈内是我们已知的，圆圈外是未知的，圆圈越大，未知的边界也越大。
通过想象、文学、游戏，甚至梦境，人类可以在现实世界和虚拟世界来回穿梭，体验不一样的生活，其实这并不是什么新鲜事。我们在《元宇宙漫游指南》中也指出，“元宇宙”一词可以追溯到尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）于1992年出版的小说《雪崩》，只是其中文译本把metaverse翻译成了“超元域”。那么30年过去了，为什么在今天，元宇宙的概念才火爆出圈，成为社会共同关注的话题？这其实是多种因素共同作用的结果。
商业利益的驱动可能是最直截了当的一个因素。在最近几十年中，数字经济一直是创造财富神话的领域。目前全球市值最高的公司，大多来自这一领域。然而，在最近一段时间，数字经济的造富神话也遇到不少挑战。随着用户被几大巨头瓜分殆尽，存量市场竞争激烈，未来数字经济该何去何从成为大家热议的话题。在这种背景下，号称互联网升级版的“元宇宙”就成了许多企业的“救命稻草”。谁能抢先抓住元宇宙的风口，谁就有可能在新一轮的创新浪潮中获胜，甚至弯道超车。
第二个非常重要的因素就是技术条件的成熟。记得Meta首席执行官马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）曾指出，“你可以把元宇宙看作一个具身性的互联网。在这里，你不再浏览内容，而是在内容之中”。如何置身内容之中？这背后无疑需要强大的技术支撑。
随着人机交互、数字孪生、云计算、人工智能、高速网络、区块链等技术的发展及终端设备的迭代，现阶段元宇宙的建设和演变进入快车道，为我们开启了多维度、全感官、沉浸式的交互体验。30年前沉重的虚拟现实（Virtual Reality，VR）设备目前已被轻便、高效的VR眼镜所取代；当今互联网在全世界的普及率已经超过67.9%[2]（根据2023年数据），也就是说，世界上大部分的用户可通过计算机、手机等各种设备轻松接入互联网；网络的传输速率与30年前相比不可同日而语；人工智能技术的飞速发展帮助我们在元宇宙中创造出千千万万有趣的非玩家角色（Non-player Character，NPC），增添了更多的互动性和趣味性。这些技术的进步使得我们能够更好地在元宇宙中建立起经济和社会组织。事实上，从技术角度看，今天的我们似乎已经触及元宇宙的门槛。
[2] 数据来源于Internet World Stats-Usage and Population Statistics。中国互联网络信息中心发布的第53次《中国互联网络发展状况统计报告》中指出，截至2023年12月，我国网民规模为10.92亿，互联网普及率达77.5%。
元宇宙整合多种数字技术，催生出虚拟与现实、数字与应用相融合的互联网社会形态。这些新技术也成为打造元宇宙世界的新基石：人机交互技术提供了沉浸式体验（以扩展现实技术为代表）；数字建模技术生成了现实世界的镜像（以数字孪生技术为代表）；去中心化的可信数字经济体系（以区块链技术为代表）在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，架起虚拟世界与现实世界的桥梁。
记得我在一次分享中提到，元宇宙是对虚拟世界的一种想象，但这种虚拟世界究竟怎么实现、怎么运行，显然会受到客观技术条件的制约，所以想象力和技术是两个非常关键的因素。元宇宙是一个想象和技术相互反应、相互聚合的过程。在不同的技术条件下，我们看到的元宇宙也必然是不同的。
借助于各种数字技术，元宇宙为我们呈现了一个虚实交融、虚实相生的数字世界。在这个世界中，现实与虚拟的边界变得模糊，现实中的场景都可能因为数字技术的应用而得到无限的拓展。所谓“一花一世界，一树一菩提”，大概表达的也就是这个意思。
如果你现在能够给元宇宙一个定义，那它一定不是元宇宙未来的样子。因此，我们提出从技术发展的角度来认识和理解元宇宙的现状及其未来的方向，不再非要去追求给元宇宙一个统一、确定的定义，而是从演变的角度把元宇宙看成一个持续发展的新物种。基于这样一个观点，我们认为有必要对元宇宙中的关键支撑技术做全面、详细的梳理，于是就有了本书。
我们已经在《元宇宙漫游指南》中将错综复杂的元宇宙相关技术归纳为八大类，并构建了元宇宙的BIGCHINA技术体系，事实上就是这八大支撑技术的英文首字母，即区块链（Blockchain）技术、交互（Interactivity）技术、通信技术（Communication Technology，5G、6G）、云和边缘计算（Cloud and Edge Computing）技术、高性能计算和量子计算（High-Performance Computing and Quantum Computing）技术、物联网和机器人（IoT and Robotics）技术、网络（Network）技术、人工智能（Artificial Intelligence）技术。
因此，本书作为《元宇宙漫游指南》的姊妹篇，其主要目的是希望通过对元宇宙背后的数字技术进行更为详细的介绍，让读者从技术的角度对元宇宙有更为深入的理解和认识。在撰写前，我们也做了一些调研，发现当前系统性介绍元宇宙技术的图书并不多。撰写本书的初衷是希望能为想要了解元宇宙及其背后硬科技的读者提供一本有趣的科普读物。本书通俗易懂，将技术知识与实际应用相结合，详细介绍BIGCHINA技术体系的八大类技术内容及其特点，力争最大可能贴合非专业人士的阅读习惯。
我特别感谢人民邮电出版社王威和林舒媛两位编辑在撰写本书过程中给予的帮助和支持，他们的敬业和专业让本书增色许多。此外还要感谢复杂系统与社会计算实验室的黄一鸣同学对初稿部分章节做出的贡献，以及杭州师范大学阿里巴巴商学院的苟尤钊老师对本书内容提出的建设性意见。
最后，诚挚欢迎读者对本书提出任何意见和批评，以便我们能及时更正并在重印或再版时修改，进一步提高本书质量。需要指出的是，技术的进步永不停歇，本书内容如有疏忽和遗漏最新技术进展，还望见谅。
吕琳媛
中国科学技术大学
2024年4月
电影《黑客帝国》中的主人公尼奥发现，他自己并不是他以为的自己，他只是生活在数字矩阵里的一段程序。他的真实肉体只是为机器母体控制的世界提供生物电能的“一节电池”。备受瞩目的“元宇宙”就是现实版的“数字矩阵”吗？
1.1 元宇宙的起源2021年，“metaverse”在网络上迅速蹿红，引发科技界和投资界的广泛关注，该词由前缀meta（意为超越、元）和词根verse（源于 universe，即宇宙）组成，直译为“元宇宙”。业界普遍认为，其最早出自尼尔·斯蒂芬森于1992 年出版的科幻小说《雪崩》。作者在书中描绘了一个平行于现实世界的网络世界，并将其命名为metaverse（当时中文译为“超元域”）。
任何一个事物都不是凭空诞生的，都有其起源，元宇宙也不例外。其最早起源于文学家的想象，后来以模拟器的形式不断发展演变。直至今日，元宇宙已摇身一变成为虚拟世界的“代言人”，甚至有人称其是移动互联网的“接班人”。
元宇宙可以看作现实世界的延伸，是一个脱胎于现实世界，又与之平行、相互影响的数字虚拟世界，是互联网下一个阶段的发展方向。通过利用增强现实（Augmented Reality，AR）、VR等技术，现实世界的事物被一一投射到元宇宙中。人们可以通过虚拟形象在元宇宙中搭建社交、生活甚至经济系统，实现虚拟世界和现实世界的融合。元宇宙不只是下一代互联网，更是未来人类的生活方式。它连接着虚拟和现实，丰富着人的感知，延展着人的创造力，蕴含着人类社会未来发展的多种可能。虚拟世界从对物理世界的模拟、复制，变成物理世界的延伸和拓展，进而反作用于物理世界，最终模糊了与物理世界的界限，成为未来人类重要的生存方式。
人类在各种数字技术的加持下，在元宇宙中将拥有网络化身。现实世界中的普通人，在元宇宙中很可能就是拯救世界的大英雄。讲到元宇宙，很容易想到一部经典的电影——2018年美国导演史蒂文·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）执导的《头号玩家》（见图1-1）。
图1-1 电影《头号玩家》
电影中的世界拥有着完美运行的经济系统，融合了实体和数字世界。数字商品、内容等都可以在元宇宙中通行，大家既可以在这个世界享用已有的设施，也可以自己参与创作，进而丰富整个世界。相对于电影版的《头号玩家》，其原著小说则更加精彩且更贴近元宇宙生态。在小说中，孩子们的教育在VR里进行，人工智能老师根据每个学生的情况匹配更高效的算法以助其提升成绩；成年人的工作在“绿洲”里进行，而且人们从事的几乎都是创造性工作，可以是技术类，也可以是创作表演；此外，虚拟人物随处可见，他们可以是明星偶像，也可以是你生活中的司机；“绿洲币”可以和现实货币兑换以换取住房和食物等，这些必需品由现实中的机器人来完成生产……其他的小说、电影如《神经漫游者》《黑客帝国》都描述过类似的场景。
在这些小说、电影描绘的元宇宙未来中，你只需戴上VR设备就能进入虚拟世界，成为任何人，体验不同的人生。当你想购买新衣服和新设备时，不再需要现场试穿和试用，在虚拟世界体验后便可直接选择送货上门。当你需要放松时，虚拟世界中的度假星球便成了绝佳选择，只需短短一小时，你就可以在埃及的大沙漠与极夜的格陵兰岛来回穿梭，这些都是元宇宙带给现实生活的直观体验。
科幻电影中的元宇宙拥有的一个重要特点是，它仍然保留了网络世界所独有的匿名性，用户可以抛开现实身份去追寻自己的新角色。人们不再需要考虑现实的束缚，就能够获得展现自己另一面的舞台。在《头号玩家》中，现实世界中的普通人通过元宇宙宣泄着自我的另外一面。这就像在另一部电影《阿凡达》中，双腿残疾的杰克进入转换器，摇身一变成为自由行走的阿凡达。
早在1929年，埃德温·林克（Edwin Link）发明了飞行模拟器（见图1-2），它可使乘坐者获得与驾驶真实飞机一样的体验。
图1-2 最早的飞行模拟器
（来源：britannica官网）
随着信息技术，特别是计算机图形技术的发展，这种模拟器又发展为大屏幕显示器和全景式情景产生器。1956年，在全息电影的启发下，研究者开发出多通道仿真体验系统Sensorama，这被很多人看作最早的VR系统之一，但在当时Sensorama的交互性还较差。1965年，“计算机图形学之父”伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）发表论文“The Ultimate Display”，提出感觉真实、交互真实的人机协作新理论，描述了一种把计算机屏幕作为观察虚拟世界窗口的设想，这被看作研究VR技术的开端。1966年，美国麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）在海军科研办公室的资助下，研制出第一款头盔式显示器（见图1-3）。
图1-3 第一款头盔式显示器
（来源：AFIPS联合计算机会议档案）
1967年，美国北卡罗来纳州立大学探讨“力反馈”（Force Feedback）装置。该装置可以将物理压力通过接口传递给用户，从而获得一种来自计算机的“力”的感受。1968年，伊万·萨瑟兰开发出了第一套AR系统，同时也是第一套VR系统。这套系统使用一个光学透视头戴式显示器（视觉显示装置），同时配有两个头部位置和姿态追踪仪（位置检测装置），一个是机械式，另一个是超声波式，从而奠定了三维立体显示技术的基础。
20世纪80年代，美国计算机教授弗诺·文奇（Vernor Vinge）在科幻小说《真名实姓》中幻想出一个细节惊人的新世界：人们能够通过脑机接口“登录”这个世界，按照自己的喜好幻化成不同的形象以获得真实的感官体验。1983年，美国研究者发明了检测手部位置和姿态的数据手套，同年美国军方制订并实施了虚拟战场系统计划。1984年，美国国家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心虚拟行星探测实验室开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，并将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。1987年，VPL公司以实现虚拟空间中新的通信技术为目的，对虚拟现实的各构成技术进行开发研究，并于1989年提出“Virtual Reality”，即虚拟现实，也就是今天我们熟悉的VR。
1990年，美国达拉斯市召开的计算机图形学国际会议上，首次用3个构成技术对VR进行了定义：三维计算机图形学技术、采用多功能传感器的交互式接口技术，以及高清晰度显示技术。同年，我国“火箭之父”钱学森先生在写给汪成为院士的信中提到，“Virtual Reality”的中文译名可以是“人为景境”或“灵境”，并表示他“特别喜欢‘灵境’，中国味特浓”（见图1-4）。
1991年，日本游戏公司世嘉开始在家用VR头显上开发“虚拟现实” （Virtua VR，后来更名为世嘉VR）。1992年，科幻小说家尼尔·斯蒂芬森在科幻小说《雪崩》中首次提出“超元域”概念，他在小说中描绘了一个超现实主义的数字空间，被地理空间阻隔的人们可通过各自的化身相互交往，还可随意支配自己的收入。同年，美国波音公司的研究人员在论文[1]中首次使用Augmented Reality（增强现实），并认为该技术将计算机呈现的元素覆盖或融合在真实世界中。这一年，还有两个早期的AR原型系统：Virtual fixtures虚拟帮助系统[2]和KARMA机械师修理帮助系统，由美国空军和哥伦比亚大学的研究人员分别提出。1994年，艺术家朱莉·马丁（Julie Martin）创作了一场表演，名叫赛博空间之舞（Dancing in Cyberspace）。舞者作为现实存在，可以与投影在舞台上的虚拟内容进行交互，在虚拟环境和物体之间翩翩起舞。这是对AR概念非常好的诠释，也成为世界上第一部AR的戏剧作品。
[1] Thomas P C, David W M. Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes [C]. Proceedings of the Twenty-Fifth Hawaii International Conference on System Sciences, 1992, 2: 659-669.
[2] Louis B.Virtual fixtures as tools to enhance operator performance in telepresence environments [C]. Proceedings of SPIE 2057, Telemanipulator Technology and Space Telerobotics, 1993, 2057: 10-21.
图1-4 钱学森1990年、1993年写给汪成为的信
（来源：钱学森图书馆）
到20世纪末，VR技术已应用于影视娱乐、服装设计、旅游、教育、规划、工程设计、远程会议、医疗手术、战争模拟等众多领域。美国波音公司在777新型客机的设计中，就将VR应用于模拟风洞实验。美国北卡罗莱纳州立大学研制出一套VR眼镜，只要将它接上超声扫描仪，便可看到孕妇腹内胎儿的情况。日本NEC公司把VR技术应用于日常服饰设计中，这样既美观又兼顾了VR的设计要求。然而，当时依旧高昂的硬件成本阻碍了VR技术的大规模商业普及。
进入21世纪，2004年日本奈良先端科学技术研究生院（NAIST）研究小组开发出一种嗅觉模拟器，只要将虚拟空间里的水果放在鼻尖上一闻，该模拟器就会释放出水果的香味，这是VR技术在嗅觉研究领域的一项重要突破；2012年4月，谷歌（Google）公司发布一款“拓展现实”眼镜；2014年，脸书（现Meta）以20亿美元收购Oculus公司，标志着VR开始普及化和商业化，VR技术从之前主要由学术研究和产业驱动，快速转变为由大众需求和泛行业应用驱动；2015年，获得谷歌公司注资5亿多美元的Magic Leap公司，高调宣布研发AR新技术；Roblox公司宣布用户可以在平台上设计自己的VR世界，并于2021年3月在纽交所上市，成为元宇宙上市第一股；2023年，苹果公司推出Apple Vision Pro，兼有AR和VR技术，能将数字世界融入真实世界，实现增强现实。
“元宇宙第一股”Roblox在招股书中赋予“元宇宙”8个基本特征：身份（identity）、朋友（friend）、沉浸感（immersive）、低延迟（low friction）、多样性（variety）、随地（anywhere）、经济（economy）、文明（civility）。尽管业界对这些特征存在不同看法，但大部分特征已被广泛接受。在此基础上进一步概括，总结出元宇宙具有以下几点特征。
未来，人类的生活、工作都可以在元宇宙中进行，但要最终实现元宇宙与现实世界的完美融合，人们的参与方式必须极为方便，不能有过高的门槛，应像今天我们使用手机一样方便，甚至未来可以像我们说话、呼吸一样自然。在Roblox提到的8个特征中，“低延迟”“随地”表达的就是这个意思。现阶段，VR、AR设备还远达不到这样的要求，普通人进入元宇宙的门槛还很高，元宇宙时代的真正到来还需时日。
沉浸式体验让用户几乎分辨不出虚拟世界与现实世界的边界，即虚实共生、虚实融合。这就像电影《头号玩家》里的场景一样，当我们戴上VR设备，就像是经过时空隧道穿越到另一个世界，开启别样人生。当前，VR、AR设备作为进入元宇宙的主要入口，成为各大巨头争抢的主要阵地。脸书（现Meta）收购Oculus，字节跳动收购Pico，VR设备为用户打造轻松、全景式、沉浸式体验提供了重要的技术保障。
社交网络已成为元宇宙的标配。人类是群居动物，从原始时代开始，人与人的交往就伴随着社会的进步和演化。交流与沟通促进了人类思维的形成，带来了文明的进步。社交元宇宙已成为各大厂商接轨元宇宙的重要路径之一。腾讯投资了Soul，字节跳动在海外上线了一款名为“Pixsoul”的产品……各大公司纷纷布局元宇宙社交。
经济活动是社会运行的基础，作为虚拟世界的元宇宙也不例外。Epic游戏公司的CEO 蒂姆·斯威尼（Tim Sweeney）在接受访谈时提到：“我们不仅要建立一个3D平台，还要建立一个公平的经济体系，所有创作者都能参与这个经济体系，并从中获得回报。”支撑元宇宙经济系统的要素包括数字创造、数字资产、数字市场、数字货币。用户生成内容（User Generated Content，UGC）是元宇宙经济的基础，其创造出的数字资产可以在数字市场上交易，而数字货币是交易的媒介，也是整个元宇宙经济系统的核心。
“文明” 是人类历史积累下来的所有认知活动和实践活动的总和，其中包括语言、文字、宗教、城市、国家等元素。元宇宙中的居民通过设定共同的规则，创造各种数字资产，建立起不同的组织结构，从而逐渐演化出文明社会。不同的元宇宙具有不同的文明形态，类似人类历史上形成的华夏文明、阿拉伯文明等，这些多姿多彩、形态各异的元宇宙文明构成了人类生存发展的未来世界。
1.2 元宇宙应用按照元宇宙的发展现状与未来趋势，我们大致将元宇宙的应用场景分为3层，分别为核心层、技术层与环境层，进一步可细分为10个方面（见图1-5）。
图1-5 元宇宙应用场景分层
（来源：作者绘制）
在线办公让我们可以兼顾工作和家庭的场景需求，降低通勤所需的时间、金钱和体力成本，减少碳排放。Meta推出的Horizon Workrooms，具备独立账户，可基于手势实现各种功能，给人带来身临其境的远程协作体验。微软推出的Microsoft Mesh，本质上是一个服务提供平台，允许不同物理位置的用户通过多种设备获得共享式、协作式的全息体验，实现所有需要在场感的协作场景。著名咨询公司埃森哲与微软合作，在虚拟空间里对数万名新员工进行了入职培训（见图1-6），举办超过百次的团队活动。
图1-6 埃森哲在虚拟空间为新员工进行入职培训
（来源：微软官网）
Meta推出了一个名为Horizon的平台设计软件，允许用户使用Horizon设计和装饰自己的“家”（Horizon Home），用户只要戴上VR头盔就能身处其中。目前，“家”主要是用户的工作和娱乐空间。未来，用户还可以用Horizon设计出其他公共空间，并邀请其他用户来“家”里做客。
在国内，百度推出第一款元宇宙产品“希壤”，这是一个“以技术为基础，以开放为理念，同客户、开发者、用户一起，打造的一个身份认同、经济繁荣、跨越虚拟与现实、永久续存的多人互动虚拟世界”。目前这款产品主要有3个功能：虚拟空间定制、全真人机互动、商业拓展平台。现已开通冯唐艺术馆、百度世界大会会场等虚拟空间，用户在其中可以自由行走，可以同其他用户交流，也可以用小度语音进行互动。2021年12月27日，百度在“希壤”中召开开发者大会，作为初创级的元宇宙应用场景，它在社交化方面带来了新的可能。
游戏作为元宇宙的一个初级应用形态，获得了广泛的市场关注。Epic Games是一家具有深厚元宇宙基因的公司，围绕游戏《堡垒之夜》搭建了早期的元宇宙体系，玩家可以进行私人定制，在游戏中增强互动。说唱巨星特拉维斯·斯科特（Travis Scott）曾在《堡垒之夜》中举办线上演唱会，吸引了近1200万名玩家同时在线观看。元宇宙将开启人类文化娱乐的新模式，为传统文化娱乐产业注入新活力。图1-7所示为音乐人在元宇宙中进行线上表演。
图1-7 音乐人在元宇宙中进行线上表演
2019年，全球第一条数字区块链连衣裙卖出9500美元的价格。2021年6月，一款带有蜜蜂图案的纯数字版Gucci手袋在Roblox上的售价超过4000美元。7月，可口可乐发起的含有虚拟服装和品牌纪念图像的虚拟“战利品盒”活动，为慈善事业筹集了超过50万美元。2021年9月，苏富比拍卖行拍卖以猴子为主题的200多件非同质化通证（Non-Fungible Token，NFT）艺术品，总拍卖价格约为1350万美元至2000万美元。
宜家、苹果等企业开始用VR技术展示自家产品。Nike与Roblox合作推出虚拟空间Nikeland，这一虚拟空间中陈列着与现实世界相对应的Nike产品，玩家可通过购买产品来装扮自己的数字化身。
2020年5月16日，加州大学伯克利分校在线举办了虚拟毕业典礼，在元宇宙中重建了学校的一百多栋建筑，这是第一场在元宇宙中举办的大学毕业典礼。中国传媒大学某一学院也在沙盘游戏《我的世界》中重建了校园，毕业生以虚拟化身参与毕业典礼（见图1-8）。
图1-8 中国传媒大学某一学院在游戏《我的世界》中举办毕业典礼
（来源：中国传媒大学官网）
对于有心理疾病的患者，一个高度沉浸的虚拟环境有利于缓解他们的焦虑和痛苦。例如，抑郁症患者的病因往往来自家庭、学校等组织。在现实中患者很难完全脱离环境，导致有时得不到有效的治疗，而元宇宙技术的应用有望让患者跳出当下的环境。
华盛顿大学医院在针对烧伤患者的治疗中以及洛杉矶儿童医院在对儿童患者的治疗中都开始使用VR技术。在治疗中，患者可以通过VR技术进入元宇宙进行交流，并置身于任何更具有治疗效果的环境中，同时家人和看护者也可随时接入，陪伴在患者身边，给予患者完全不同的体验。
洛杉矶西奈医学中心（Cedars-Sinai）和斯坦福大学医学院给分娩的孕妇戴上VR头盔，让孕妇进入虚拟的自然环境中，并跟随治疗师调节呼吸并进行联想，这样可以大幅减轻分娩疼痛。
2021年6月1日，清华大学迎来了首位原创虚拟学生——“华智冰”（见图1-9）。她具备一定的推理与情感交互能力，能够通过不断学习实现自身的社会化，在情感与社交层面几乎与真人无异。
图1-9 虚拟学生“华智冰”
（来源：清华大学官网）
虚拟人具备三重价值：娱乐与商业价值、社交与情感价值、内容与媒介价值。
在娱乐与商业价值方面：虚拟偶像的生成具有可控性、成长性与可编辑性，能够有效避免真人偶像私下与公共生活相连接带来的负面影响，同时虚拟偶像能够创造大量的消费与交互场景，通过广告、创意周边等形式实现商业变现。
在社交与情感价值方面：2018年，日本一男子宣布与虚拟偶像“初音未来”结婚。2021年，深圳某企业宣布将借助VR、AR技术，将旗下婚恋社交平台打造成“元宇宙婚恋社交平台”，玩家可通过虚拟化身进入，在互动与沉浸中实现婚恋对象的匹配，这能给予单身群体更多的交流互动。
在内容与媒介价值方面：2021年9月，腾讯新闻、山魈映画联合推出的新国潮虚拟人“梅涩甜”在腾讯新闻平台发布了全网首个虚拟人脱口秀《梅得说》，因其脱口秀中含有丰富的“知识梗”，梅涩甜成为腾讯新闻首位虚拟知识官，具备了很强的“媒体人”属性。梅涩甜后续还将实现知识讲座、直播等功能，具有很强的可塑性。
气候变化可能会给人类的生存带来灭顶之灾，然而很多人认为这种真实存在的威胁离他们的生活很遥远。美国仁斯利尔理工大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过VR技术让人真切体验到全球变暖带来的严重后果，希望能切实改变人类对气候变化的态度并付诸实际行动。
Meta的“AR/VR for Good”计划与亚特兰大的“全美公民和人权中心”合作，推出了名为《她的真相，她的力量》的展览，其中包括关于战争对儿童的影响、全球范围的医疗保健问题以及性别导致的教育不平等问题的VR纪录片。在观看纪录片时，用户戴上VR头盔则能分别以儿童、穷人和女性的身份体验战争、穷困和性别歧视，从而认识到系统性歧视的严重性。
Roblox投资1000万美元开发面向初、高中以及大学生的3款教育游戏，旨在把教育游戏植入学校教育中。游戏的用途包括传授机器人技术、专注太空探索，以帮助学生更好地理解计算机科学与工程、生物医学的进展。
在美国雷蒙特科技公司打造的虚拟校园中，学生可以自行设计角色，体验各种校园场景。在课堂上，老师可以投影飘浮的物体，学生可以随意放大物体的细节以便学习相关概念，同时也可以将笔记悬浮在空中分享给其他同学，这增添了学习的互动性和有效性。
图1-10 张家界元宇宙研究中心挂牌仪式
（来源：三湘都市报）
2021年11月18日，张家界元宇宙研究中心挂牌仪式（见图1-10）在武陵源区大数据中心吴家峪门票站举行，这里成为全国首个设立元宇宙研究中心的景区，旅游产业和数字化转型的融合发展成为该中心的重点推进内容。2022年，一系列“元宇宙文旅”项目在全国范围内加快落地，比如河南的“文旅元豫宙”、江苏的“元动鼓楼”、陕西的“大唐灵境”等。
2007年，马尔代夫在视频游戏《第二人生》中设立了一个外交办公室，此后塞尔维亚、马耳他、瑞典等国纷纷效仿，开设虚拟大使馆。2021年8月，巴巴多斯与全球最大的数字平台之一Decentraland签署了一项协议，旨在于该平台设立大使馆，为技术和文化外交打开大门。同时，巴巴多斯政府还聘请了法律顾问以帮助数字大使馆更好地符合国际法以及《维也纳外交关系公约》的规定。
尽管目前在虚拟世界开设大使馆更多只具有象征意义，但从技术特征和发展模式来看，这一行为具有潜在的国家安全意义，也引发了对“网络主权”等议题的思考。
1.3 元宇宙技术体系：BIGCHINA框架与元宇宙相关的技术可谓错综复杂。在翻阅与元宇宙相关的各种报道时，我们汇总了相关技术名词，包括交互技术、人工智能、高性能计算、云计算、通信技术、网络技术、区块链、物联网等。这些充满科技感的词汇都和元宇宙高度关联。当我们用Web of Science的文献引用信息绘制元宇宙关键技术网络图时可以发现，该技术网络图与中国地图的形状较为相似（见图1-11），而且这些技术的首字母的缩写正好为BIGCHINA。
图1-11 与元宇宙相关的技术网络图
（来源：根据Web of Science的文献引用绘制）
这一缩写既凸显了元宇宙作为一个虚拟社会系统所具有的多元性、文明化的特征，体现了中国自古以来“以天下为己任”的世界观，也符合元宇宙作为全球数字化背景下人类所共享的跨边界、去中心化的开放互通平台的特征，预示着人类社会未来演进的一种文明形态。
由于和元宇宙相关的技术纷繁复杂，出于叙述方便的考虑，我们将其中的关键技术分为了八大类（见图1-12）：
图1-12 元宇宙的技术基础
（来源：作者绘制）
（1）区块链（Blockchain）技术；
（2）交互（Interactivity）技术；
（3）通信技术（Communication Technology，5G、6G）；
（4）云和边缘计算（Cloud and Edge Computing）技术；
（5）高性能计算和量子计算（High-Performance Computing and Quantum Computing）技术；
（6）物联网和机器人（IoT and Robotics）技术；
（7）网络（Network）技术；
（8）人工智能（Artificial Intelligence）技术。
下面，我们将逐一对这八大类技术进行介绍。当然，介绍的顺序将根据各种技术和元宇宙的关联状况进行调整，并不完全按照BIGCHINA的字序。
回顾游戏的发展历程，沉浸感的提升一直是技术突破的主要方向。从《愤怒的小鸟》到《反恐精英》，游戏建模方式从2D到3D的演进使得游戏中的物体呈现出更强的立体感。然而3D游戏依然只能通过屏幕显示游戏画面，玩家的交互操作受制于鼠标、手柄等硬件，与元宇宙“同步且拟真”的要求相差甚远。未来，随着以VR、AR为代表的人机交互技术的发展，在由更加拟真、高频的人机交互方式承载的虚拟世界中的沉浸感将得到大幅提升。
一个真正意义上的元宇宙，离不开人工智能技术，人工智能可以说是元宇宙最重要的基础技术。人工智能对于软件技术的提升和软件标准的形成有着极大的促进作用；人工智能加持下的硬件，可极大提升消费者的使用体验；人工智能+内容，能有效降低内容生产成本。但问题是，人工智能技术的发展并不能一蹴而就，需要长时间的积累和投入，这对许多想搭上元宇宙快车的公司而言，也是一种巨大挑战。现阶段，人工智能在元宇宙的应用主要有3个方面：实时场景和数字孪生体制造、虚拟人的智能化，以及数字化身的个性化。元宇宙与现实世界的高度融合，依赖于人工智能技术的进一步突破。
沉浸式的虚拟环境需要高性能计算作为底层基础设施支撑，在需求推动下，数据中心作为计算和存储的重要硬件设施有望保持稳定增速。如果企业想要搭建元宇宙，在规模化的体系下必须具备两大基础资源支撑：计算和存储。目前，3D游戏采用传统的终端渲染模式，受限于个人计算机图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）的渲染能力，游戏的画面精细度与拟真效果仍有很大差距。为了改进现有的渲染模式，提升游戏的可触达性，需要算法、算力的突破以及半导体等基础设施产业的持续进步。
量子计算是一种新的计算类型，执行量子计算的设备称为量子计算机。随着信息产业的快速发展，电子器件正加速朝着小型化、集成化方向发展。晶体管和芯片受制于物理材料的特性，体积的减小存在极限。而每个量子元件的尺寸为原子尺度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快、存储量大、功耗低，体积也将大大缩小。元宇宙需要的超强算力是现有技术难以实现的，在很大程度上将基于量子计算技术来构建和实现。
为了应对元宇宙带来的算力挑战，除了发展高性能计算和量子计算，还需要发展云和边缘计算，进一步释放算力对元宇宙的支撑潜力。
元宇宙中VR、AR以及整个3D的内容创作，对于算力和实时性的要求极高。作为继分布式计算、网格计算、云计算之后的又一新型计算模型，边缘计算是以云计算为核心，以现代通信网络为途径，以海量智能终端为前沿，集云、网、端、智“四位一体”的新型计算模型。可以说，边缘计算是解决未来数字化难题的重要路径。
边缘计算本质是对云计算中心式计算模型的重构，将计算放在靠近物或数据源头的边缘端，提供本地的存储、计算、网络等核心能力。由于通信链路的缩短，边缘计算能够在数据产生侧提供更快捷、高效的需求响应；同时，数据的本地处理也能提升隐私数据的保护程度，进而推动元宇宙网络安全基础设施的构建。
现有的通信技术可以提供实时语音和视频通话，还能让人享受远程在线教育、在线国际会议等丰富的通信服务。然而，未来，元宇宙中的实时动作捕捉、3D内容采集还需要兼顾功耗和计算要求，部分资源将传输到云端，这对通信网络将提出更高的要求。元宇宙所创造的大量应用创新，也将更依赖于新一代通信技术的高速率、低延迟、低能耗等特性。通信技术的发展，有望打破通信双方之间的时空束缚，让双方置身于同一个元宇宙中进行实时互动，极大提高沟通效率和交互体验。设想在元宇宙课堂中，我们可以亲身体验雷电实验，学习、生活都将变得更加有趣。
网络技术关注的是网络基础设施的扩展性、高带宽、低延迟等问题。面对“网络接入终端”发展带来的网络应用的快速迭代升级，网络技术的应对方法通常都是“以不变应万变”，或者“以网络的演化升级应对终端和应用的革命换代”。IP/IPv6已成为互联网基础设施的基本组网协议。但是基于IP/IPv6的网络技术还有很大的创新空间，以应对各种新型终端和应用的新需求。
事实上，“通信型”“计算型”“功能型”终端对网络性能、安全等需求的区别是很大的。“通信型”终端主要是满足人类消费行为的互联网应用，往往端到端带宽需求在几十兆比特每秒到几百兆比特每秒之间，而端到端延迟需求在几十毫秒到几百毫秒之间。人的交互延迟舒适区位于10～300ms。当前的网络技术，基本能够实现端到端几十毫秒或者最多一二百毫秒的延迟，正好可以满足计算机和手机端基于二维显示和交互的大部分互联网应用。但如果要构建基于三维交互式显示的元宇宙应用，就必须实现10ms以内的交互延迟，这对当前的网络技术是一个巨大的挑战。
严格来讲，区块链并不是一种单一的技术，而是由多种技术组成的集合体，它的思想可以追溯到中本聪（Satoshi Nakamoto）于2008年发表的奠基性论文。最初，“区块链”只是用来描述比特币支撑技术的一种比喻说法，后来随着比特币架构体系的逐渐流行，这个名称才逐渐流传开来。现在，区块链通常被用来指一种去中心化的基础架构和计算范式。
区块链在整合链式结构、分布式共识算法以及智能合约的优点之后，成为一套非常强大的工具。从性质上看，区块链的运作并不依赖于一个中心化的协调者，它可以实现人与人之间的点对点交互，可以在人们互不相识的条件下保证交互的安全性，尽可能保证用户的隐私和数据安全。所有的这些性质，都使得它非常适合元宇宙中“人与人的自由联合”的组织方式。
在元宇宙中，区块链是一种十分重要的技术。包括Sandbox、Decentraland、Axie Infinity在内的众多元宇宙项目都采用区块链来作为它们的经济和治理系统的技术基础。
现在我们讨论元宇宙时，大都将其视为一个与现实世界相对的虚拟世界。无论是AR、VR，还是人工智能，都是围绕着这个虚拟世界在讨论。然而，这种虚实之间的分离叙事显然并不令人十分满意。
物联网的出现，达成了物与物、人与物的互联。对物联网来说，有几项重要的支柱技术：一是射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，它可以通过射频信号来对物体实现无接触的识别和信息采集；二是传感器，它可以自动、实时地对物体的信息进行提取；三是嵌入式系统，它可以嵌入受控物品的内部，让物品在接收相关指令之后采取相应行动。这几项技术，加上通信网络、云等基础设施，就可以在人与人互联的基础之上，进一步实现万物的互联。
如果物联网充分发展，那么我们在元宇宙里看到想吃的美食，就可以通过物联网将烹调美食的指令发送给机器，然后机器根据程序制作好美食送到我们的身边。如果能达成这样的虚实互动，那么元宇宙对我们来讲就不再是一个虚拟世界，而会真正成为我们现实世界的一部分。
同样，随着各种关键技术，尤其是同步定位与地图构建技术（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）及机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）的发展，机器人技术也取得了重大突破。不仅如此，随着元宇宙概念的火爆，将机器人技术应用于虚拟世界也成为一种新趋势。
1.4 本章小结元宇宙并非凭空诞生，其承载着几代人的憧憬和努力。元宇宙的浪潮势不可当，将在人类的各个领域显示出巨大的应用潜力。
本章中，我们回顾了元宇宙的起源和主要的应用场景，简要介绍了元宇宙的BIGCHINA框架的技术应用。接下来，我们将详细介绍BIGCHINA的技术内容，为读者揭开元宇宙中硬科技的神秘面纱。让我们一起进入元宇宙的技术世界吧！
