導語：元宇宙關(guān)鍵技術(shù)及與數(shù)字孿生探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：元宇宙是一個虛實融合的宇宙，是未來互聯(lián)網(wǎng)升級的重要方向，是數(shù)字與現(xiàn)實的融合，用戶可以在虛擬空間中進行現(xiàn)實世界中所包含的各種活動。元宇宙關(guān)鍵技術(shù)主要包括：數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供重要的信息來源，交互式技術(shù)提供沉浸式體驗，區(qū)塊鏈技術(shù)搭建虛實經(jīng)濟系統(tǒng)，云計算與5G技術(shù)是重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，人工智能技術(shù)提高元宇宙的智慧能力，真正實現(xiàn)超越宇宙的概念。數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)實世界和虛擬世界相融合構(gòu)建，從概念、技術(shù)和應用的角度出發(fā)，數(shù)字孿生和元宇宙有很多相同點，但不同的是，數(shù)字孿生是元宇宙構(gòu)建的基礎(chǔ)，是元宇宙真正的核心。本文介紹了元宇宙關(guān)鍵技術(shù)及與數(shù)字孿生的異同，供相關(guān)讀者參考。

關(guān)鍵詞：元宇宙；數(shù)字孿生；虛擬世界；虛實融合

1引言

最近元宇宙的概念熱度很高，很多互聯(lián)網(wǎng)大廠紛紛參與到討論中，諸如Facebook已經(jīng)將公司更名Meta，那元宇宙到底是什么呢？Metaverse是由Meta和Universe組成的一個新詞匯，指的是超越宇宙，超越現(xiàn)實宇宙的另一個宇宙；是將現(xiàn)實與虛擬的融合，用戶可以在虛擬空間中進行現(xiàn)實世界中所包含的各種活動，例如：文化、社交、學習、工作、旅游等等。元宇宙最早出現(xiàn)在20世紀90年代，一本名叫《雪崩》的科幻小說中，書中有一個設(shè)定，是現(xiàn)實分類與虛擬人共同生活在一個虛擬空間中[1]。2003年《SecondLife》游戲的橫空出世，改變了人們對虛擬游戲的認知，他將虛擬游戲與虛擬世界編輯、虛擬經(jīng)濟相結(jié)合，實現(xiàn)了在游戲中進行社交、購物、建造、經(jīng)商，引起了當時各方追捧，既有IBM、CNN這些企業(yè)層級，也有瑞典、西班牙這些國家層級。2018年一部名為《頭號玩家》電影，通過電影直觀表達了元宇宙時代，讓資本和大廠進一步認識到了“元宇宙”的價值，認為是互聯(lián)網(wǎng)進化的未來，元宇宙因此爆火，成為了一個新的增長極。中國通信工業(yè)協(xié)會區(qū)塊鏈專委會輪值主席于佳寧指出“元宇宙是未來互聯(lián)網(wǎng)升級的重要方向。本質(zhì)上來說，元宇宙可以實現(xiàn)數(shù)字與現(xiàn)實的“五大融合”，即數(shù)字世界與物理世界的融合、數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟的融合、數(shù)字生活與社會生活的融合、數(shù)字身份與現(xiàn)實身份的融合、數(shù)字資產(chǎn)與實物資產(chǎn)的融合”。2021年是元宇宙的元年，由于過去的兩年在疫情的影響下，加速了對虛擬世界的需求，各種在線課堂、在線辦公平臺快速發(fā)展，數(shù)字世界、數(shù)字生活、數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字身份、數(shù)字資產(chǎn)快速融入人們生活，以往短期的線上生活已經(jīng)成為了常態(tài)，人們在現(xiàn)實生活中大范圍地向虛擬世界遷移，實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬世界的平行棲息，這為元宇宙的發(fā)展帶來了契機，可以說2021年元宇宙的大發(fā)展有著天時、地理、人和的這種前提條件。其中還有一點更重要的是：數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等科學技術(shù)的發(fā)展為元宇宙也奠定了很好技術(shù)基礎(chǔ)條件。

2元宇宙關(guān)鍵技術(shù)及其作用

元宇宙既不是電子游戲，也不僅僅是虛擬世界，它是一種虛實相融的互聯(lián)網(wǎng)應用，是一種虛實相融的社會形態(tài)[2]，是由多種新技術(shù)整合而形成的。通過數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了生存環(huán)境的拓展，將現(xiàn)實世界和虛擬世界相融合構(gòu)建綜合環(huán)境；通過交互式技術(shù)，提供沉浸式體驗，實現(xiàn)了感官的拓展，將現(xiàn)實視、聽、觸感官和虛擬視、聽、觸感官相融合構(gòu)建綜合感官；通過區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟系統(tǒng)，實現(xiàn)了經(jīng)濟維度的拓展，將現(xiàn)實經(jīng)濟與虛擬經(jīng)濟相融合構(gòu)建綜合經(jīng)濟；通過身份的統(tǒng)一認證，實現(xiàn)了用戶這個虛實相融的環(huán)境中進行學習、工作、交友、購物、旅游……元宇宙關(guān)鍵技術(shù)主要包括：數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2.1區(qū)塊鏈技術(shù)及其作用

區(qū)塊鏈是一個共享數(shù)據(jù)庫，使用區(qū)塊鏈存儲的數(shù)據(jù)或信息，具有“即時性”“共享性”“完全透明性”“不可篡改性”等特征，通過統(tǒng)一的身份認證，為搭建虛實結(jié)合的經(jīng)濟系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。實現(xiàn)了元宇宙中的價值交換，也保障了元宇宙用戶的交易是平等透明的。區(qū)塊鏈技術(shù)具有更高的信任度，更出色的安全性，更高的效率，成員用戶可以借助區(qū)塊鏈確信自己收到的數(shù)據(jù)是準確及時的，保障了元宇宙底層數(shù)據(jù)的保密性和可溯源，確保了元宇宙用戶可以參與和監(jiān)督交易合法性。區(qū)塊鏈在元宇宙上實現(xiàn)的是虛擬價值與真實價值的統(tǒng)一[3]。哪些在我們認知中毫無意義的數(shù)字貨幣，現(xiàn)在具有了真實的行業(yè)價值。通過區(qū)塊鏈，元宇宙將真實與虛擬世界之間聯(lián)系起來，使得兩者之間經(jīng)濟的自由流動真正實現(xiàn)[4]。

2.2交互技術(shù)及其作用

交互技術(shù)在不斷地持續(xù)升級，不斷的升級感知交互，為元宇宙提供沉浸式體驗，為用戶構(gòu)建了虛實結(jié)合的綜合感官。從最初的VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，到AR增強現(xiàn)實技術(shù)，再到MR混合現(xiàn)實技術(shù)，虛擬空間和現(xiàn)實空間的結(jié)合不斷升級[5]，從最初的置身于虛擬世界，到在現(xiàn)實世界中疊加虛擬信息，再到虛擬與真實世界的融合與自由切換，讓虛擬與現(xiàn)實的互動逐步增強，為用戶提供了更好的交互體驗[6]。伴隨著用戶需求地不端提升，全息影像技術(shù)實現(xiàn)了通過裸眼進行現(xiàn)實與虛擬的交互，而腦際交互技術(shù)與傳感技術(shù)在交互方式的便捷性、真實性、體感上，又進行了一次次飛躍性的技術(shù)變革。交互技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，不端深化交互感知，為元宇宙提供了虛擬現(xiàn)實體驗階梯。

2.35G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其作用

伴隨著5G技術(shù)的發(fā)展與逐步成熟，一個5G的時代已經(jīng)到來[7]。5G作為新一代通信技術(shù)，已經(jīng)成為了現(xiàn)代信息社會最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)的革命性是跨時代的。5G讓社會由“人與人”相連接進入了全面“物與物”、“物與人”相連接，帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。元宇宙的數(shù)字化平臺，需要移動計算網(wǎng)絡(luò)提供無縫、無間斷、實時按需的高質(zhì)量業(yè)務(wù)，移動計算網(wǎng)絡(luò)，端管云深度協(xié)同。5G網(wǎng)絡(luò)為元宇宙提供了高速率、低延時、大連接的服務(wù)，5G的高速率、低延時構(gòu)建著虛實兩個世界的橋梁[8]。由5G帶來的各行業(yè)變革[9]，也為元宇宙提供了虛實一體的環(huán)境，為用戶提供了更實時、流暢的體驗。

2.4云計算技術(shù)及其作用

云計算這項技術(shù)，使得可以提供在數(shù)秒之內(nèi)，達成處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[10]。最簡單的云計算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，例如搜索引擎等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息[11]。云計算技術(shù)敏捷性在于可以在短時間內(nèi)完成內(nèi)部署服務(wù)；可以預判需要預置的資源，后可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求的變化隨時擴展或縮減這些資源；還可以將業(yè)務(wù)擴展到新的地理區(qū)域，將應用程序部署在離最終用戶更近的位置可以減少延遲并改善他們的體驗[12]。因此，云計算技術(shù)為元宇宙提供功能更強大云端服務(wù)、更輕量化的終端設(shè)備、更便捷的響應機制、更低的費用支出。

2.5人工智能技術(shù)及其作用

近年來由于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、新算法等核心技術(shù)的興起與發(fā)展，為人工智能技術(shù)的推進提供了催化劑和養(yǎng)分。人工智能通過使用統(tǒng)計模型推算數(shù)據(jù)概率，大數(shù)據(jù)為這個模型提供了海量數(shù)據(jù)來源，使得模型不斷優(yōu)化，通過云計算提供強大的計算能力，靈活的資源配置，便捷的響應機制。新算法的發(fā)展，提高了機器學習的能力，推動著關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。人工智能技術(shù)為元宇宙的應用場景提供技術(shù)支撐，是元宇宙的重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著深度學習的發(fā)展，預處理、特征提取與算法處理漸漸融合，形成現(xiàn)實到虛擬的技術(shù)，是元宇宙虛實結(jié)合的關(guān)鍵。通過機器學習，可以將元宇宙中系統(tǒng)及要素逐步接近于人類的學習水平，并且實現(xiàn)超越，提高元宇宙的要素智慧能力和系統(tǒng)效率。語音識別技術(shù)及自然語言處理實現(xiàn)了人與計算機之間可以通過自然語言進行有效的通信，確保了元宇宙中虛實客體之間、人與系統(tǒng)之間信息準確的理解與傳達，有效解決了不同地域的語言系統(tǒng)，不同環(huán)境語言發(fā)音等交流難題，便捷了元宇宙世界中各種交流。

2.6物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其作用

物聯(lián)網(wǎng)可細分為標識、感知、處理、信息傳輸四個方面，其中包含關(guān)鍵技術(shù)由射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)。射頻識別技術(shù)主要是用于物聯(lián)網(wǎng)中信息采集的來源，擁有遠距離、快速讀取、穿透力強、效率高、存儲量大等特點，是元宇宙中現(xiàn)實數(shù)據(jù)采集的重要前提條件。傳感器技術(shù)負責物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎(chǔ)[13]。傳感器是元宇宙的感覺器官，是元宇宙感知萬物的信息來源。傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將實地監(jiān)測、感知、采集信息，通過嵌入式系統(tǒng)處理，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)端，是元宇宙感知萬物重要的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳送通道，通過近距離通信和光遇網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[14]，實現(xiàn)通信感知高效融合，通感一體，為元宇宙提供全真全感互聯(lián)的信息傳輸技術(shù)支撐。

3數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是充分利用各種模型、傳感器大數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個仿真空間的過程，以完成對現(xiàn)實世界在虛擬空間中的整體反映過程，在虛擬世界中反映現(xiàn)實實體全生命周期過程[15]。更確切來說，數(shù)字孿生是兩個系統(tǒng)，一個系統(tǒng)是現(xiàn)實的物理世界，一個系統(tǒng)是虛擬的計算機世界。并且借助智能技術(shù)，可以讓這個存在于虛擬世界中的系統(tǒng)也能夠以一個更直接的方法被人們所了解和觸碰到。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)[16]。數(shù)字孿生很多關(guān)鍵技術(shù)與元宇宙相近，例如區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)，這些技術(shù)都在數(shù)字孿生中得到應用和發(fā)展，但數(shù)字孿生更重要的技術(shù)組成是3D仿真技術(shù)、空間地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化、物聯(lián)網(wǎng)接入。3D仿真技術(shù)，利用三維數(shù)據(jù)獲取高分辨率3D數(shù)據(jù)，通過建模技術(shù)、立體合成技術(shù)，多引擎快速構(gòu)建，三維模型并融合到模擬現(xiàn)實中的虛擬環(huán)境?？臻g地理信息技術(shù)，通過二三維實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)疊加、大場景數(shù)據(jù)加載，數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、傾斜影像、點云數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)真三維場景的構(gòu)建。將二維GIS的數(shù)據(jù)管理、存儲、空間查詢等優(yōu)勢與三維GIS立體可視化表達[17]、三維分析的特點相結(jié)合實現(xiàn)微觀宏觀、空間地面地下、虛擬與現(xiàn)實的一體化。數(shù)據(jù)可視化，以三維GIS、BIM等核心技術(shù)為支撐，實現(xiàn)現(xiàn)實世界事務(wù)對象的三維建模，實現(xiàn)數(shù)字孿生線上三維數(shù)據(jù)可視化；同時快速搭建，多元數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)實時響應，集成多數(shù)據(jù)源接入、自動化數(shù)據(jù)萃取，分布數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)為數(shù)字孿生多元數(shù)據(jù)可視化。物聯(lián)網(wǎng)接入，將現(xiàn)實世界的事務(wù)對象的狀態(tài)等信息，通過各種設(shè)備、傳感器等進行實時監(jiān)測采集，獲取其運行狀態(tài)信息，結(jié)合云端技術(shù)，現(xiàn)實數(shù)字孿生對物聯(lián)網(wǎng)遠程控制及設(shè)備聯(lián)動等能力。

4數(shù)字孿生技術(shù)與元宇宙的異同

從概念、技術(shù)和應用的角度出發(fā)，數(shù)字孿生和元宇宙貌似有很多相同點，但又不太一樣，主要表現(xiàn)在以下幾點：1）元宇宙的持久性更長相對于數(shù)字孿生，元宇宙的概念更廣，如果說數(shù)字孿生是與其真實的事物本體共存，那么元宇宙將與人類文明共存，必須能永遠存在。2）元宇宙完全去中心化數(shù)字孿生可以是企業(yè)孿生、園區(qū)孿生、城市孿生，它最終會有一個中心，它的制定權(quán)、解釋權(quán)可以屬于某個企業(yè)或者城市。但未來的元宇宙，不再屬于也不能屬于某個企業(yè)或者國家，必須通過一個開源共享協(xié)議來共同維護，而這協(xié)議和規(guī)則的制定權(quán)、解釋權(quán)不屬于任何一方，元宇宙的存續(xù)不受任何企業(yè)或國家的外力影響。3）元宇宙與現(xiàn)實世界協(xié)同進化數(shù)字孿生是與物理實體之間實時連接、動態(tài)交互的關(guān)系，是物理實體對孿生體的實時映射。而元宇宙是從虛擬與現(xiàn)實世界的真實個體，到兩個世界的群體，再到兩個世界的人類命運共同體，都需要相互連接、相互影響、協(xié)同進化。如果說元宇宙構(gòu)建分為三個階段的話，那么數(shù)字孿生就是第一階段，也就是說數(shù)字孿生是元宇宙構(gòu)建的基礎(chǔ)，是元宇宙真正的核心。

5結(jié)論

號稱“互聯(lián)網(wǎng)未來”的元宇宙，是數(shù)字與虛擬的融合，贏得互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭的青睞。元宇宙的未來可以從以下幾個角度解讀：首先，未來互聯(lián)網(wǎng)升維，從現(xiàn)有在線互動升級到擁有真實參與感的沉浸式虛擬體驗，成為真正意義上的數(shù)字分身[18]。其次，元宇宙將由無數(shù)個小世界組成，元宇宙是一個大的基礎(chǔ)設(shè)施，但元宇宙中無數(shù)個世界，每個人都可以參與設(shè)計，并帶來改變。最后，元宇宙通過有一個共通的介質(zhì)使得這些不同的小世界之間互聯(lián)互通，而區(qū)塊鏈將成為重要介質(zhì)[19]。這種互聯(lián)互通使得人類夢想中的“穿越”成為可能，在元宇宙中實現(xiàn)不同的小世界之間的“穿越”。隨著元宇宙的熱度持續(xù)升溫，未來元宇宙是主宰網(wǎng)絡(luò)世界還是淪為泡沫，現(xiàn)在下結(jié)論還為時尚早，仍需進一步實踐檢驗。但是如果只是純粹的炒作元宇宙的概念，有可能會形成泡沫經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)，從而會延緩甚至停滯元宇宙發(fā)展建設(shè)的進程。目前來看，元宇宙還在非常早期的階段，發(fā)展的機遇正在逐步開啟，但受到硬件和底層技術(shù)的現(xiàn)狀制約，暫時無法支撐起真正的“元宇宙”。要構(gòu)建完整的元宇宙生態(tài)，數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、交互技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等一系列前沿信息技術(shù)的深度融合需要加快推進。只有在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、多技術(shù)集成創(chuàng)新與融合應用、數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合等方面增速發(fā)展，才有望能夠加快元宇宙的建設(shè)步伐，使得云宇宙能夠平穩(wěn)及快速的發(fā)展。

作者：鄭誠慧 單位：飛燕航空遙感技術(shù)有限公司