A Survey on Metaverse: the State-of-the-art,Technologies, Applications, and Challenges

本文是对《A Survey on Metaverse: the State-of-the-art,Technologies, Applications, and Challenges》的翻译。

摘要

元宇宙是一种新型的互联网应用和社交形式，它集成了多种新技术。它具有多技术性、社会性和超时空性的特点。本文介绍了元宇宙的发展现状，从网络基础设施、管理技术、基本公共技术、虚拟现实对象连接和虚拟现实融合五个方面介绍了元宇宙的技术框架。本文还介绍了元宇宙的社会性和超时空性的性质，并讨论了元宇宙的第一个应用领域以及它可能面临的一些问题和挑战。

1. 引言

元宇宙是一种新型的互联网应用和社交形式，它集成了多种新技术。它基于增强现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术创建现实世界的镜像，基于区块链技术构建经济系统，将虚拟世界和现实世界紧密集成到经济系统、社会系统和身份系统中，允许每个用户制作内容和编辑世界。元宇宙仍然是一个不断发展的概念，不同的参与者正在以自己的方式丰富其意义。
从技术角度来看，人类交流的方式在不断改进（见图1）。因此，技术创新、几种新技术的集成以及新的互联网应用也得到了发展。
从商业角度来看，元宇宙显示了深远的商业前景。作为一种新的资本输出，大公司致力于建造元宇宙。从用户的角度来看，对虚拟世界的自由、互联网的内容和交互方式等的需求不断增加。
本文从元宇宙的定义出发，总结了元宇宙的发展现状，提出了技术框架、社会框架和超空间。它还预测并讨论了元宇宙的未来发展。
第二节介绍了元宇宙的发展现状。第三节介绍了元宇宙的三个特征：多技术优势、社会性和超空间。第四节基于元宇宙的多技术优势，介绍了各种新技术和元宇宙的框架。第五节从元宇宙的社会性质出发，介绍了元宇宙作为一种新的社会形态，包括经济制度、文化文明制度、法律制度等方面。第六节基于元宇宙的时空特性，进一步介绍了元宇宙的自由性、沉浸性和多维性。第七节根据元宇宙的发展现状和规划，预测了元宇宙的第一个应用领域。第8节讨论了元宇宙中需要解决的几个问题。第9节，结论部分，总结了本文和元宇宙的发展。

2. 元宇宙的最新进展

本部分重点介绍不同国家和国际组织、代表性企业及其典型产品的政策，并结合科学网数据库和SCOPUS数据库中元宇宙相关出版物的数量统计，分析元宇宙的发展历史和现状。分析各国的元宇宙政策与该国元宇宙企业设计之间的关系。

2.1 国家和国际组织的政策

不同的国家和国际组织对元宇宙有不同的态度。在本节中，我们将通过从政治、经济和政府态度方面考察不同国家和国际组织的政策，分析元宇宙的发展现状。
因为在元宇宙经济体系中，最重要的基础是基于区块链的代币经济。区块链是数字货币最重要的技术。因此，我们将从经济角度分析不同国家和国际组织关于区块链和数字货币的政策。人工智能、交互技术、云计算和边缘计算是元宇宙的支持技术。因此，我们将从技术角度分析不同国家和国际组织对这些技术发展的政策。
具体的国家政策如下。

2.1.1 美国

A 政府

ONC是美国卫生和公众服务部下属的国家卫生信息技术协调员办公室，组织了一场由医疗黑客进行的马拉松式应用程序开发，以将区块链技术应用于医疗行业。代表特朗普政府的国会行政部门已经认识到区块链的潜力，并呼吁在公共部门开发区块链技术。

B 经济

美国国会宣布成立国会区块链决策委员会。美国证券交易委员会（SEC）发布的“潜在非法加密资产交易平台声明”确认，数字加密资产属于证券范围，但不具有实际货币的特定属性和法律地位。

2.1.2 中国

A 经济

2016年12月，国务院将区块链技术纳入国家信息化“十三五”规划。2016年10月，工业和信息化部发布了《2016年中国区块链技术与应用开发白皮书》。2021年5月，工业和信息化部发布了《关于加快区块链技术应用和产业发展的指导意见》。

B 科技

工业和信息化部发言人表示，5G的部署将在2020年加快，今年将有60多万个新的5G基站投入使用。5G的渗透率正处于快速提高阶段。预计到2023年，5G个人用户渗透率将超过40%，用户数量将超过5.6亿，5G网络接入流量所占比例将超过50%。国务院发布了政策文件《云计算服务安全评估办法》。

2.1.3 日本

A 经济

日本政府建立了第一个区块链行业组织——日本区块链协会（JBA）和区块链合作联盟。2017年4月1日，日本颁布了《支付服务法》，正式承认比特币是一种合法的支付方式，并为数字加密资产的交换制定了明确的监管要求。日本经济当局已经定义了“元宇宙”，但他们目前还不认为它是一种确定的商业形式。该部计划改进法律和发展指南，并试图在全球虚拟空间行业中占据领先地位。

2.1.4 韩国

A 政府

韩国政府希望在元宇宙行业中发挥主导作用。政府计划到2022年拨款9.3万亿韩元（约516亿元人民币），以加快数字化转型，培育元宇宙等新产业，并帮助中小企业和风险投资公司构建区块链。2025年，预计将在元宇宙、区块链和其他技术上花费2.6万亿韩元（约22亿美元）。2022年至2025年，韩国公司开发的元宇宙平台将得到充分支持。

B 科技

韩国技术和标准办公室正在努力成为元宇宙领域的世界技术领导者。韩国技术和标准办公室主任李向红在网上会议上表示，韩国政府将向任何希望制定该领域技术标准的公司提供必要的支持。

C 教育

韩国教育部正在推广元宇宙课程。首尔教育局表示，将在该市开设相关课程，为2100名中小学生打开通往Metaverse世界的大门。首尔教育局局长金恩贝表示：“通过运营基于Metaverse的创造性科学课堂，我们提供虚拟现实和人工智能，并尽最大努力成为综合科学教育中心。”

2.1.5 阿拉伯联合国

A 经济

2016年，迪拜成立了全球区块链委员会。2017年，迪拜政府宣布，迪拜经济的子公司Emcredit将与美国初创企业Object Tech Grp Ltd合作，创建一种加密数字货币，名为emCash。2020年末，阿联酋证券和商品管理局（SCA）发布了“管理局2020年关于监管加密资产的决定（21/RM）主席”。2021 10月，迪拜政府将主办区块链峰会，这是一项互利举措，旨在从受监管的加密经济过渡到元宇宙。阿联酋中央银行宣布了2023-2026年期间的规划路线图，以实现CBDC的运营，并使阿联酋成为世界上金融部门数字化转型的十大国家之一。

B 科技

在第12届全球移动宽带论坛（MBBF）上，阿联酋SAAMENA通信委员会首席执行官表示，所有海湾国家都发布了商用5G网络。
国际组织的具体准则如下：

• ITU：2020年8月，ITU发布了第一套区块链国际标准。2021 4月19日至30日，国际电联将举行全体会议。在会议上，由中国信息通信技术研究院牵头的三项国际区块链标准提案获得批准。2016年2月23日至3月2日，ITU工作组第23次会议在北京举行。中国信息通信技术研究院是中国的赞助商。国际电联正在开始评估5G技术，并探索移动通信的新频谱。
• IEEE：2017年12月6日，IEEE区块链资产交易委员会的成立获得正式批准。2020年12月23日，在中国电子标准化研究院的领导下，IEEE 2418.2-2020《IEEE区块链系统数据格式标准》正式发布并实施。IEEE发布了《IEEE全球首席信息官和首席技术官访谈调查：2021的机遇与挑战，以及关键技术趋势》。调查结果显示，人工智能和机器学习、5G和物联网技术将成为影响2021的最重要技术。
• IET：IET区块链是与IET、同济大学和上海区块链应用程序SERCBAAS合作推出的。它旨在发布区块链基础理论、应用技术和产业发展、技术创新和最新观点方面的前沿成果。
• WWW：2016年6月8日至9日，第一届去中心化网络峰会在美国旧金山举行。WWW的发明者蒂姆·伯纳斯·李在会议上提到，区块链和P2P技术将用于创建去中心化互联网。万维网联盟W3C举办了一次区块链研讨会，呼吁为区块链技术制定公共标准。

2.2 不同国家的代表公司及其典型产品/服务

元宇宙集成了5G、云计算、计算机视觉、区块链、人工智能等最先进的技术，在视频游戏、艺术和商业等众多领域都有应用。通过第2.1节的研究，我们初步了解了国际组织和国家在元宇宙上的不同政策。由于元宇宙中不同国家的政策不同，不同国家的代表性公司及其典型产品和开发计划也不同。例如，美国作为元宇宙的先驱，拥有相对广泛的元宇宙布局，应用于商业、游戏、艺术和社会事务等许多领域。中国拥有庞大的市场和强大的互联网企业和互联网应用。国内互联网公司相继在元宇宙中引入商业、视频游戏和艺术。日本凭借其在ACG行业的累积优势和丰富的IP资源，正专注于其在动画和视频游戏中的应用领域，而韩国则由政府主导，并由偶像产业驱动。德国和意大利的奢侈品牌正试图通过虚拟产品等让更多的人成为他们的客户。其他国家的其他代表性公司及其典型产品如表2.3所示。
不同国家的代表公司及其典型产品/服务：

2.2.1 美国

• Amazon：自2018年以来，亚马逊一直在开发一种“新的VR购物体验”，并试图利用元宇宙创建一个虚拟购物空间，在这里，购物者可以通过在元宇宙中建立一种虚拟的“亚马逊购物中心”来与数字产品互动，以维护其在市场上的主导地位。
• Roblox：玩家可以创建自己的虚拟世界或编写各种游戏，想象力是唯一的限制。Roblox支持VR设备以增强用户沉浸感。Roblox已成为全球最大的游戏UGC平台，支持iOS、Android、PC、Mac等平台。Roblox目前是最接近元宇宙的“世界”之一。
• Facebook：2019年9月，Facebook发布了VR社交平台Facebook Horizon，并于2020年8月发布了公开测试版。2021年7月，脸书宣布将成为元宇宙团队，在五年内转型为元宇宙公司，并在其Reality Labs项目上投资至少100亿美元。2021年10月，脸书宣布将更名为Meta。
• Epic Games：2021年4月，Epic Games宣布投资10亿美元建造元宇宙。并收购了最大的3D模型平台Skethfab，以吸收Skethfab平台的用户流量并增加其在元宇宙中的市场份额。
• Disney：迪士尼首席技术官Tilak Mandadi表示“主题公园元宇宙”将是迪斯尼主题公园发展的下一步。
• Snapchat：Snapchat推出了定制的化身和过滤器，用数字内容填充世界。目前，Snapchat推出了Bitmoji服务，允许用户在物理快照中摆姿势并创建自己的3D Bitmoji化身。
• Nvidia：2021年8月11日，英伟达宣布英伟达Omniverse计划创建世界上第一个虚拟协作和模拟平台。
• Microsoft：微软对元宇宙持谨慎态度。魏青：“元宇宙”只有在回到物理世界时才有实际价值。
• Decentraland：基于以太坊的VR虚拟世界，是用户拥有的第一个完全分散的虚拟世界。Decentraland的核心内容是艺术品，有一个地方专门展示数字艺术品。

2.2.2 中国

• 腾讯：腾讯对元宇宙生态系统进行了一系列投资，包括AR开发平台、“Avakin life”游戏、Spotify音乐流媒体平台等，并于2021年9月申请注册“Kings Metaverse”和“TiMi Metaverse”。
• 阿里巴巴：阿里巴巴申请注册“阿里元宇宙”、“淘宝元宇宙”等商标。XR实验室负责人谭平将元宇宙分为四层：L1（全息构建）、L2（全息模拟）、L3（虚拟与真实融合）、L4（虚拟与现实链接）。
• 字节跳动：字节跳动拥有抖音等高流量平台，还投资了视觉计算和人工智能计算平台Moore Thread，发布了游戏“重启世界”，并收购了中国VR设备公司PICO。
• 网易：网易元宇宙的布局侧重于游戏业务，并为游戏开发提供低门槛的工具。该公司投资了IMPROBABLE的元计算平台，以使第三方能够构建虚拟世界，并投资了IMVU虚拟角色平台。
• 深圳中青宝：中青宝是一家引领潮流的中国游戏工作室。2021年9月6日，Zqgame发布了游戏Brew Master的预览版。该游戏允许玩家在模拟环境中创业，并体验现实生活中的影响。
• 万兴科技：万兴科技投资Realibox，以增强其在AR/VR领域的业务布局，并为元宇宙的初始部署提供坚实的技术基础。

2.2.3日本

• Sony, Hassilas：Mechaverse是日本第一个元宇宙平台。公司可以在此平台上快速进行产品发布，并为参与者提供视频介绍和3D模型实验。
• GREE：GREE通过其子公司REALITY经营元宇宙业务。据估计，到2024年，将投资100亿日元，在全球开发1亿多用户。
• Avex Business Development、Digital Motion：Avex Business Development和Digital Motion建立了“虚拟Avex集团”，计划推广现有的动画或游戏角色，举办虚拟艺术家活动，虚拟现实艺术家的音乐会和其他活动。

2.2.4 韩国

• SAMSUNG：三星推出了“三星全球元宇宙基金”。
• SK Telecom：2021年7月，SK Telecom推出了一个名为“ifland”，用户可以通过卡通人物主持和参加会议。
• Urbanbase：Urbanbase是一个用于房地产和室内设计开发的三维空间数据平台。该公司在B+融资回合中筹集了130亿韩元（约4.5亿元人民币）。这些资金将用于开发Urbanbase进入元宇宙所需的VR/AR和3D技术。
• Metaverse Alliance：韩国信息和通信产业促进局已组建了25个组织和公司加入“元宇宙联盟”，通过政府和企业合作，在私营部门的领导下建立元宇宙生态系统，在现实和虚拟的各个领域实现开放的元宇宙平台。

2.2.5英国

• Sotheby’s：英国苏富比拍卖行推出了“苏富比的元宇宙”专区，并举行了一场名为“Natively Digital 1.2：the Collectors”的特别拍卖，其中展出了53件NFT艺术收藏。
• Maze Theory：著名的英国VR工作室迷宫理论将围绕知名IP和知名粉丝宇宙创建一个“粉丝元宇宙”。

2.2.6 阿联酋

• MetaDubai：MetaDubai正在迪拜建立一个元宇宙城市，以区块链、NFT、AI、分散数据存储为基础，开发最完整的虚拟世界图像、经济系统和应用程序。
• Ripple：区块链支付公司Ripple宣布在迪拜国际金融中心（DIFC）设立区域总部。

2.2.7 法国

• Stage11：法国元宇宙音乐平台Stage11已完成由欧洲风险投资基金Otium capital牵头的一轮500万欧元的融资，以创造身临其境的元宇宙音乐。

2.2.8 德国

• RIMOWA：5月，德国豪华行李箱品牌RIMOWA在Instagram上宣布，将与设计工作室NUOVA合作推出4件名为“元宇宙蓝图”的NFT艺术品

2.2.9 意大利

• GUCCI：意大利奢侈品牌Gucci推出了虚拟运动鞋。消费者购买鞋子后，可以在Gucci APP和VR社交平台VR CHAT中使用，也可以在游戏平台Roblox上试用。

2.3 元宇宙相关出版物的数量

科学网是一个基于网络的多学科文献数据库。它是世界上覆盖最多学科的最大综合学术信息资源。它包含各种核心学术期刊，在自然科学、工程技术和生物医学等各个研究领域最具影响力。因此，我们选择统计在此数据库上发布的元宇宙相关出版物的数量，以分析元宇宙的开发过程。
截至2021年11月1日，该数据库共发布了211份与元宇宙相关的出版物。从图2.1中可以看出，多年来的出版物数量，我们可以将元宇宙的发展分为四个阶段：胚胎阶段、初级阶段、Ebb阶段和发展阶段。
元宇宙的最初概念来自1992年的科幻小说尼尔·斯蒂芬森的《雪崩》，于1998年在《科学网》上发表了第一份关于元宇宙的出版物。该出版物分析了小说《雪崩》中实时虚拟人的现状，包括外表、衣服和配饰、身体动作等，为元宇宙的研究拉开了序幕。1999年的《黑客帝国》展示了一个被称为“黑客帝国”的人工智能计算机系统控制的真实世界。在缺乏技术工具的情况下，文学和艺术被用作胚胎阶段元宇宙研究的工具，例如。电影、书籍等。
21世纪初，虚拟现实技术和计算机图形学的迅速发展为元宇宙的发展奠定了技术基础。在初级阶段，视频游戏已经成为探索元宇宙的新工具。2006年由Roblox发布的游戏Roblox，以及2009年瑞典Mojang Studios开发的Minecraft，极大地激发了关于元宇宙的第一波讨论。
元宇宙的发展还处于初级阶段，其商业模式还不成熟。由于交互问题、计算能力压力、道德约束、隐私风险和不同世界中的成瘾风险等开放性问题，以及元宇宙的发展仍然受到当前技术的限制，2013年后，元宇宙的研究兴趣处于Ebb阶段。
2021年3月10日，Roblox，一个沙盒游戏平台，包含了“元宇宙”首次在招股说明书中出现，并成功登陆纽约证券交易所。该公司上市首日市值超过400亿美元。这一现象使技术和资本世界陷入一片喧嚣，并重新引发了对元宇宙的讨论。今年可以称为元宇宙的第一年。在发展阶段，元宇宙整合了5G、云计算、计算机视觉、区块链、人工智能等处于快速发展阶段的前沿科技。元宇宙已应用于医疗、视频游戏、艺术、商业等多个领域，并完成了从游戏到游戏以外的转变。元宇宙具有前所未有的爆发力。
为了通过本节科学网数据库中发布的元宇宙相关出版物的数量验证元宇宙发展阶段的分类，我们还检查了SCOPUS数据库中发布元宇宙相关的出版物的数量。结果如图2.2所示。

SCOPUS数据库中共发布了191份关于元宇宙的出版物。从该数据库的调查中获得的数据再次证实了我们的想法。根据元宇宙的出版物数量，元宇宙的发展可分为四个阶段，如表2.4所示。

3. 元宇宙的特征

元宇宙作为一种新的互联网应用，集成了多种新技术，具有多技术的特点；元宇宙作为一种新的社会形态，具有社会性的特征；在虚拟世界中，元宇宙作为一个与现实世界平行且密切相关的世界，具有超时空的特征。

3.1 多技术

元宇宙集成了多种新技术。它基于增强现实技术提供身临其境的体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，并基于区块链技术构建经济体系。

3.2 社交性

正如定义所说，元宇宙是一种新型的社会形态。元宇宙包括经济制度、文化制度和法律制度，它们与现实密切相关，但又有自己的特点。

3.3 超时空性

超时空是指元宇宙，一个与现实世界平行的虚拟世界。它打破了时间和空间的界限，为用户提供了开放、自由和身临其境的体验。

4. 元宇宙：多技术融合视角

元宇宙是真实世界和虚拟世界的紧密集成、交互和交织，需要集成各种新技术来创建新的互联网应用程序和社交形式。在本节中，我们概述了元宇宙中涉及的技术，如图4.1所示。元宇宙中涉及的科技分为五个方面，即网络基础设施、管理技术、基本公共技术、虚拟现实对象连接和虚拟现实融合。具体说明如下。

4.1 通信和计算基础设施

无论是远程执行大规模计算任务、访问大型数据库，还是在用户之间提供共享体验，它们都与网络和通信密不可分。第五代（5G）和第六代（6G）是元宇宙的通信基础。5G具有高速、低延迟、网络无处不在、低功耗和万物互联的优点，这使得实现元宇宙成为可能。6G将打破时间和虚拟现实的限制，将服务对象从物理世界的人、机、物扩展到虚拟世界的“环境”，通过连接物理世界和虚拟世界，实现人-机-物-环境的合作，为元宇宙提供网络基础。
在5G和6G网络环境中，量子通信确保了元宇宙中的通信安全。M、 Z.Chowdhury等人基于量子不可克隆定理和不确定性原理，提出了量子通信通过应用量子密钥来提供高安全性。此外，由于量子比特的叠加特性，量子通信提高了整体安全性。
此外，物联网（IoT）在元宇宙的网络基础设施中发挥着重要作用。物联网感知为用户提供了一种完全真实、持久和流畅的交互体验，将元宇宙与现实世界连接起来。然而，仍然存在瓶颈。例如，数据爆炸和有限传感资源之间的不平衡。F、 Shi等人提出了选择性感知的解决方案。另一个瓶颈是传感器/执行器性能不佳。为了解决这个问题，H.Ning等人提出，纳米技术有能力改善传感器/致动器的性能（例如，更高的灵敏度和选择性、更短的响应时间和更长的使用寿命）。因此，纳米材料（例如石墨烯、纳米线等）的应用将为元宇宙传感和通信领域提供选项。
构建元宇宙需要强大的计算系统。当前的计算能力架构尚不能满足元宇宙的低阈值和经验密集型需求。然而，云计算、边缘计算和其他计算范式能够在一定程度上促进计算能力的发展，并成为元宇宙的主要基础设施。

4.2 管理技术

元宇宙的基本管理技术提供了连接和融合真实世界和虚拟世界所需的环境，主要包括能源管理、资源管理和会话管理。
能源管理技术的首要考虑是元宇宙建筑和设施的电能消耗。许多学者提出了能源监测的方法。例如，R.Krishnamoorthy等人提出了一种基于物联网的方法，以有效地监测负载消耗并节约能源。G、 Bedi等人开发了Elman循环神经网络模型和指数功率预测模型，以减少功率损耗和节省成本。元宇宙的中长期发展需要寻找更稳定和可持续的能源。能源可持续性不仅是元宇宙的核心制约因素，也是一个投资机会。
在元宇宙的资源管理技术背景下，一个迫切需要解决的问题是如何有效地发现和分配资源。研究人员还不断探索资源管理策略，为元宇宙的实施提供基础。L.N.Nunes等人提出了一种基于淘汰选择的资源搜索与发现算法，以解决异构环境中的资源搜索和发现问题。R、 S.Moorthy等人提出了一种新的基于正弦余弦优化算法的云资源发现机制。Y、 Han等人提出了一个动态资源分配框架，用于将元宇宙与物联网服务和数据同步。
会话管理是对异构网络中普遍存在的资源和资源用户之间交互的管理。在元宇宙环境中，管理具有动态特性的持久交互非常重要，特别是对于具有多个资源用户的会话。此外，会话的实时性可以增加用户的沉浸体验。Park K.Y.等人讨论了如何在5G无线网络环境中实现用户的高性能会话管理。此外，元宇宙还应防止会话受到攻击。Nadar V.M.等人研究了一种针对破坏性身份验证和会话管理攻击的防御方法。M、 Marlinspike等人开发了芝麻算法来加密异步消息并提高会话期间的安全系数。

4.3 基础通用技术

元宇宙的基本通用技术包括人工智能（AI）、时空一致性、安全和隐私等。具体如下。
人工智能算法（即机器学习、深度学习、强化学习等）是连接虚拟世界和现实世界的“关键”。人工智能的三个要素，即数据、算法和计算能力，在元宇宙的建立和发展中起着至关重要的作用。通过使用人工智能技术，元宇宙可以安全、自由地参与现实世界之外的社会和经济活动。利用计算机视觉、智能语音、自然语言处理和其他技术，用户可以获得与真实世界相同的视觉和听觉感受。
时空一致性是元宇宙最基本的特征。元宇宙的最终形式是真实人类社会的并行数字时空连续体，因此一致的时空数据对于真实世界和元宇宙之间的映射至关重要。G、 Atluri等人探索了时空数据挖掘的方法。此外，还需要研究时空一致性方法，例如时间同步、目标定位、时间配准和空间配准。
用户数据的安全和隐私是现实世界中最大的问题之一。随着元宇宙的出现，所收集的个人数据的数量和丰富程度是前所未有的。未来，很可能会有多家公司/机构共同构建一个或多个元宇宙，因此如何与公司/机构协调数据，以及如何在不同元宇宙之间交互数据，以确保元宇宙的隐私和安全。Z、 Zhang等人调查了有关用户访问认证、网络状况感知、危险行为监控和异常流量识别的文献，为优化元宇宙中的安全和隐私提供参考。B、 Falchuk等人也提出了元宇宙中的隐私问题。

4.4 虚拟现实对象连接

元宇宙将作为物理世界和数字世界之间的桥梁，与身份建模、分散技术和社会计算的支持密不可分。
元宇宙可以简单地理解为与现实世界平行的网络世界。因此，与现实世界一样，进入元世界的个人需要身份凭证，无论它是否与真实身份相关，哪种身份建模技术满足了他们的需要。身份建模和身份寻址是现实世界和元宇宙之间的桥梁，将是元宇宙时代一个非常重要的研究领域。
生活在元宇宙的用户离不开社交计算。元宇宙的出现不会用虚拟社会关系取代真实的社会关系，而是会带来一种新的在线和离线整合的社会关系。社会计算通过研究人类行为和社会关系来预测元宇宙的运行规律和未来发展趋势。此外，更容易收元宇宙中用户的位置、年龄、偏好等信息，并进行详细评估，以更好地支持元宇宙的社会。
元宇宙的每个部分都相信分权的概念，这需要分权底层技术的帮助，以确保元宇宙的安全和运行。分散技术包括区块链、分布式存储、分布式计算等，元宇宙应用的最典型的分散技术是区块链技术。B、 Ryskeldiev等人为混合现实应用程序的虚拟空间提出了一种基于分布式区块链的点到点分发模型。

4.5 虚拟现实空间融合

通过整合虚拟现实，元宇宙将深刻改变现有社会的组织和功能。为了实现虚拟世界和现实世界的空间融合，增强现实、脑机接口和视频游戏技术必不可少。
AR/VR/MR技术是元宇宙构建的技术支柱之一。增强现实（AR）通过设备识别和评估（二维、三维、GPS、体感、面部和其他检测到的对象），将虚拟信息叠加在基于检测到对象的位置，并显示在设备屏幕上，允许虚拟信息实时交互。虚拟现实（Virtual Reality，VR）为用户提供了一种完全沉浸式的体验，让他们感觉自己身处现实世界。它是一个先进的、理想化的虚拟现实系统。混合现实（Mixed Reality，MR）是一种结合真实世界和虚拟世界的新型可视化环境。在新的可视化环境中，物理对象和数字对象共存并实时交互。VR/AR/MR之间的界限在未来将变得模糊，成为融合产品。目前，元宇宙采用的主要交互技术是为用户创建高度交互的虚拟世界。
全息图像是一种通过光学手段呈现物体真实三维图像的记录和再现技术。它是计算机技术和电子成像技术相结合的产物。它利用相干光干涉来记录光波的振幅信息和相位信息，并获得物体的所有信息，包括形状、尺寸等。全息图像是真实的三维图像。用户可以用肉眼从不同角度观看图像，而无需佩戴便携式设备。随着技术的发展，物理世界和虚拟世界之间的边界会变得模糊，这将为真正实现超宇宙奠定坚实的基础。
脑机接口（BCI）通过准确识别大脑信号，对大脑活动过程中的大脑信号进行编码和解码，用户可以使用这些信号进行操作，例如玩游戏、打字等，可以实现虚拟世界与现实世界的空间融合。R、 Abiri等人回顾了基于EEG的BCI方法。目前，也有基于人工智能技术的BCI研究，以加速BCI的发展，并为元宇宙的空间融合奠定基础。
视频游戏技术是呈现元宇宙最直观的方式。它不仅可以为元宇宙提供一个创意平台，还可以实现交互内容和社交场景的聚合。游戏引擎是视频游戏技术的核心，是指一些编译的可编辑计算机游戏系统或一些实时交互式图像应用程序的核心组件。游戏引擎的出现降低了游戏设计者和开发人员的难度，因此他们不需要从最基本的代码开始。游戏引擎开发推动了元宇宙中的图像开发，并为用户提供了更接近真实世界的体验。表4.1列出了当前开发的游戏引擎。

5. 社会元宇宙

元宇宙的出现将把传统的社交网络转变为交互式、沉浸式的3D虚拟社交世界。

5.1 虚拟社交世界

社交网络和虚拟现实的融合使虚拟社会世界得以创建。这些是3D沉浸式环境，将传统的面向内容的社交网络扩展为完全交互式的社交模拟。在社交虚拟世界中，用户由在虚拟世界中导航并与其他用户进行社交互动的化身表示。用户可以通过不同的虚拟社交世界进行远程传送，参加活动，甚至交易真实货币。虚拟社会世界是一个复杂的社会系统，通过无处不在的网络物理社会系统（CPSS）设计，将真实社会空间与虚拟社会环境相结合。图5.1显示了有助于社会元宇宙应用程序开发的使能技术。物理社会空间与虚拟社会空间的整合需要不断映射虚拟社会世界中的社会互动和社会事件。虚拟社会世界必须满足四个设计要求。（1）现实主义：要求用户能够感受到沉浸在虚拟社会中的情感。（2）普遍性：要求虚拟社会元宇宙能够从各种设备和地点无处不在地访问，并且在虚拟社会世界的过渡期间，用户的虚拟身份或网络角色保持连接。（3）互操作性：虚拟社会世界采用标准的能力，允许用户在元宇宙的不同虚拟位置之间无缝传送/移动，而不会中断他们的沉浸式体验。（4）可扩展性：虚拟社会世界管理计算能力的能力，使得大量用户可以在元宇宙中进行社交互动，而不会在沉浸式体验中遇到断开连接和中断。

5.2 元宇宙中的社会隐私

社交元宇宙中的数字足迹可以被追踪，以揭示用户的真实身份，以及其他敏感信息，例如位置、购物偏好甚至财务细节。隐私的重要性在塑造社会元世界中起着至关重要的作用。在传统社交网络中应用隐私保护方案要容易得多，因为用户可以决定与谁共享其社交媒体内容。另一方面，这种隐私控制在社交元宇宙中是不可能的，因为用户无法改变构建的虚拟世界的虚拟属性，这使得用户隐私保护具有挑战性。以下面的例子为例：如果你在社交元宇宙中浏览购物中心，一个化身跟随你的化身并记录你买的所有东西和你的旅行历史，那么这个信息可以用于执行社交工程攻击，在现实世界中可能侵犯你的隐私。另一方面，我们不能像在传统社交媒体中那样，在元宇宙中关闭可以跟踪我们的化身的人。元宇宙中的另一个隐私示例：您希望在家中拥有与在现实世界中一样多的隐私。然而，当前的虚拟社交网络允许其他化身在地图上自由导航，包括你的房子，你不能像有人闯入你的房子那样报警。
解决社交元宇宙中隐私问题的建议解决方案之一是社交克隆。这包括在元宇宙中创建每个用户的多个克隆，以迷惑试图跟踪元宇宙中个人的攻击者。这样的隐私保护计划可能会解决一些问题，但它允许用户在元宇宙中有多个表示，更不用说在元宇宙中漫游的数百万克隆，这会造成更大的问题，这不仅会让攻击者感到困惑。其他隐私保护方案包括通过定期更改化身的外观来伪装用户，使攻击者更难瞄准特定的个人，以及在跟踪化身时使其暂时不可见。社交元宇宙的隐私框架可以组合多个隐私方案，用户可以在其中为每种情况选择特定的隐私选项。Falchuk等人提出了一种隐私方案，该方案结合了各种隐私技术，如虚拟克隆、私人副本、人体模型、化身锁定、化身伪装、远程传送和隐形，如表5.1所示。虽然其他研究人员认为用户所在国的隐私管辖权也应适用于元宇宙，尤其是在元宇宙的社会关系方面。Lo等人主张加拿大的《个人信息保护和电子文件法》（PIPEDA）应成为第二人生（Second Life）等社交虚拟网络中的隐私法主管。

6. 元宇宙：超时空视角

超时空的概念在中国古代和国外都被频繁提及。在中国，超时空最早是以古代神话和故事的形式出现的。道教将超时空提升到了理论层面。如表6.1所示，道教老庄经典文学是传统时空观的异端。

在西方，无论是柏拉图的“三重世界”，亚里士多德的“神学”，黑格尔的“绝对理念”等等，这些古老的西方经典理论也反映了超时空。
在现实世界中，人类的行为发生在物理时间和空间。时空在保证人类行为正常进行的同时，也制约着人类的行为，使其不能偏离时空的真实特征。元宇宙打破了现实世界中时间和空间的限制。元宇宙的超时空可以从时间和空间两个层面进行讨论：1）超越时间的限制，回归过去，走向未来；2） 在给定的时间段内超越物理空间，穿越空间，穿越时空。

元宇宙的超时空特性反映在元宇宙是一个与现实世界不同的时空。它不仅限于构建一个静态数字空间，而是一个与现实动态世界并行发展的虚拟空间。它为人类开辟了一个新的栖息地，并为用户带来了不同的体验。目前，在互联网、5G、VR等技术的支持下，元宇宙正处于稳步发展阶段。元宇宙给了人类创造一个与传统现实世界并行的全息数字世界的机会。未来，它将广泛应用于教育、工业等领域。具体应用见表6.3。

最后，现实世界中存在着传统的时空秩序。中国古代“道”的境界和西方古代超现实主义完全消除了理想和虚幻的时空属性。元宇宙介于两者之间。尽管其超时空特性，技术人员始终保持用户交互的时空一致性。因此，没有必要担心元宇宙造成的时空混乱。

7. 首批应用领域预测

Metaverse可能首先应用于以下领域。

• 智慧城市：作为一个与现实平行的虚拟世界，元宇宙使用数字孪生技术，这也是建设智慧城市的重要手段。数字孪生技术可以数字化地绘制物理世界，全面捕捉城市数据，如人、车辆、物体和空间，并形成一个可见、可控和可管理的数字孪生城市。它可以提高资源利用效率，优化城市管理和服务，提高公民的生活质量。
• 娱乐和游戏行业：交互技术的发展极大地提高了游戏的沉浸感，可以有效地增强用户体验、可玩性和乐趣。
• 远程办公室、虚拟会议：在新冠肺炎流行的影响下，远程办公的重要性已被揭示。元宇宙可以弥补原有远程办公模式的局限性，进一步完善远程办公的功能，为远程办公创造更多机会。
• 数字观光、数字旅游、数字展览：元宇宙的构建可以更好地实现数字旅游和数字展览。数字孪生技术和交互技术的发展，让用户能够突破时间、空间等因素的限制，自由游览世界各地的景点，获得身临其境的体验。
• 心理治疗：元宇宙可以帮助心理治疗。元宇宙可以提供以下帮助：（1）构建一个虚拟的放松情境；（2）与虚拟角色交流和互动。
• 教育：元宇宙的建设有助于促进儿童教育、严肃游戏和学前教育。元宇宙可以为教育做出贡献：（1）沉浸式、模拟现实场景，促进对学习内容的理解；（2）避免现实实验的危害。
• 经济：区块链技术、分散化以及元宇宙内新产业的发展和崛起可以有效地推动经济发展
• 文化虚拟偶像、虚拟音乐会和新形式的文化创造：作为一种新的社会形态，元宇宙将产生新的文化形式和文化创造方法。互动技术的发展和沉浸感的进一步提高可以有效地促进虚拟偶像和虚拟音乐会的发展。
• 社交：基于场景的社交网络、在线聚会和交友。元宇宙打破了时间和空间的界限，增加了人与人之间的距离。元宇宙中的人们可以随时随地交流。元宇宙可以提供各种形式的社会互动。

8. 开放问题

8.1 交互问题

作为虚拟世界与现实世界之间的媒介，元宇宙的交互技术需要满足以下条件：

• 该互动设备重量轻、使用方便、可穿戴和便携。
• 交互式媒体的透明性使用户能够忽略技术的痕迹，更好地沉浸在虚拟世界中。

现有的常见交互技术包括：体感技术、XR（VR、AR、MR）技术和脑机接口。XR技术是指由计算机技术和可穿戴设备产生的真实和虚拟的人机交互环境的结合。XR是融合虚拟世界和现实世界的沉浸式技术的通用术语，包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）以及由于技术进步而可能出现的其他新的沉浸式科技。体感技术是指人们在不使用任何复杂的控制设备的情况下，直接通过身体动作与周围的设备或环境进行交互，并允许人们沉浸式地与内容进行交互。
目前，这两种技术都存在交互设备不够轻量级和透明，成本高，难以推广的问题。
脑机接口技术可分为三种类型：侵入性、半侵入性和非侵入性。侵入性是指手术将电极植入大脑皮层。半侵入性是指将电极植入颅腔，但位于大脑皮层之外。无创是指通过连接在头皮上的可穿戴设备解读脑电图信号。有创脑电图采集是最准确的，但有手术风险和人体组织排斥反应等风险。非侵入性方法避免了复杂手术的安全风险，但信号采集相对较弱。同时，脑机接口也存在难以传播的问题。

8.2 计算问题

计算能力是指处理数据的能力，它由三个指标决定：计算、存储和传输数据。计算能力是数字经济时代的重要生产力，其设施是技术创新的重要支持。
元宇宙意味着用户数量更多，网络资源和计算资源更丰富，计算能力是元宇宙的重要支持。基于云计算技术的新业务格式和元宇宙平台的规划增加了对计算能力资源的需求，也为计算能力的发展提供了空间。元宇宙使用的云存储、云计算、云渲染和其他技术对客户端设备性能和服务器弹性提出了很高的要求。元宇宙需要不断提高处理速度、复杂性和功耗。

8.3 伦理问题

元宇宙给了人们一种新的身份，并为生活和活动创造了一个新的、非常自由的空间。它包含了更复杂的社会关系。作为下一代网络，元宇宙必须控制和约束用户的行为，并建立明确的伦理道德规范，以维护元宇宙良好有序的生态环境。
元宇宙的伦理道德问题是指由于相应的道德规范的缺失和混乱而产生的与现实社会的伦理规范相冲突的现象。
元宇宙需要解决的伦理和道德问题：

• 发布和传播虚假信息、欺诈行为的诚信问题
• 不良大气问题
• 侵犯知识产权。

随着元宇宙交互技术的发展，当大脑的意识可以像计算机信息一样编辑、存储和复制时，科幻电影中的场景可能不再富有想象力。在这一点上，道德的作用变得非常重要。原道德规范受到了影响，新道德规范的制定滞后，无法跟上元宇宙的发展。因此，应加强对元宇宙的监管，并及时制定和更新相关法律法规。

8.4 隐私问题

元宇宙与现实世界紧密相连，与真实身份相对应。作为新一代网络的建设，元宇宙必须像以前的网络环境一样，充分考虑数据隐私保护问题。

8.5 网络综合征

网络综合症是由于过度使用互联网而导致的一种身体、社会和精神疾病。随着交互方法的不断发展，电子设备变得越来越小，越来越便携。设备的简化使人们在互联网上花费越来越多的时间。同时，元宇宙与现实世界紧密相连。虚拟与现实的融合，以及元宇宙的高度沉浸，使得网络综合症问题更加严重。

8.6 标准和兼容性

作为一个与现实紧密相连、具有多维性的虚拟世界，有必要为元宇宙建立标准。元宇宙的兼容性和标准化问题可分为两个方面：

• 不同公司创建的元宇宙之间的兼容性问题。
• 元宇宙与现实世界的兼容性（包括货币兼容性和流通问题，以及法律纠纷的处理）。

9. 结论

元宇宙具有广阔的发展和应用前景。本文总结了不同国家和企业的工作，收集了与元宇宙相关的论文，介绍了元宇宙的多技术性、社会性和超时空性的三个特点，预测了元宇宙的第一个应用领域，并讨论了其存在的问题和挑战。