一文读懂元宇宙--元宇宙技术及技术瓶颈

5 元宇宙技术

5.1 元宇宙技术群

用户使用元宇宙的场景顺序和相应的特征大致可以分为5类：

1）先接入，强调沉浸体验，以XR和数字孪生为主要技术群；

2）再互动，强调高仿真互动，包括3D引擎、实时渲染、数字孪生等技术；

3）同时使用数字内容，需要虚拟物品/空间的创作；

4）规则和身份，支持虚拟世界不同用户、实体间相互识别和交互的基础，以区块链技术为基础；

5）大规模持续在线使用，确保虚拟世界像现实世界一样持续运转和实时反馈，需要大量、高速的计算和信息传输能力，以云计算、超算、无线通信（5G，6G等）为主。人工智能算法将支撑其中的绝大部分技术。

元宇宙技术群

5.2 关键技术的发展阶段和瓶颈

元宇宙所依赖的各项技术间呈现木桶效应，即元宇宙能够实现到什么样的程度取决于那块“短板”技术发展到了什么阶段。目前来说，各项技术只是满足初期元宇宙的发展需要：5G已实现大范围覆盖，并且其延时性较低，可初步容纳目前元宇宙用户规模；UGC 内容、3D 引擎以及算力等支撑技术及内容可实现元宇宙的初级要求，并可随着元宇宙的发展而不断演进；VR、AR等虚拟现实技术已达到元宇宙的基础要求，但仍需优化，长远来看是否作为进入元宇宙的主要入口仍是未知数；区块链稳步发展，不断拓宽下游应用场景，基于区块链技术的虚拟货币下一步将受到地域性政策法制的规范和监管。

1）仿真交互技术——XR

XR提供沉浸式体验，目标是全面接管人类的视觉、听觉、触觉等，并通过动作捕捉实现元宇宙中的信息输入、输出。仿真交互技术在体感实现上，目前虚拟空间视觉和听觉的体验上走的最快，嗅觉、触觉和意念体验有了起步，味觉是多种感官的综合，目前尚未起步。

 

XR体验感发展阶段

 

目前XR领域发展面临的瓶颈来自于内容和技术两个方面。

技术层面，众多厂商在VR/AR硬件技术方面投入巨大，但与大规模的消费者应用来看，终端设备的价格仍然偏高，且仍然伴随着使用感不佳、环境限制、便携性差、设备兼容性差、续航时间短等问题。

内容层面，优质内容是吸引用户的内生驱动力，将带动硬件及行业发展，而目前虚拟现实行业内容成熟度不高，内容品类仍以游戏、社交、影视等应用场景为主，办公、健身等应用场景开始深入，其他应用场景处于启蒙阶段，在覆盖面、数量、质量等方面仍待提高。

XR发展面临的问题

 

2）区块链

区块链稳步发展，经过了早期探索、市场准备、市场认可阶段后已步入产业发展阶段，目前比较典型的是区块链金融领域结合应用，对应于元宇宙中，下一阶段区块链和NFT将解决元宇宙生产资料和资产所有权的问题。

区块链技术当前发展至NFT阶段，开启数字内容资产化时代。区块链发展的主要难点在于技术瓶颈和监管合规性挑战。

技术方面，目前区块链在金融、电子政务等已于推进的领域已有所发展，但是对于其他要求比较高的业务场景，区块链很难满足需求。具体来说，区块链作为分布式系统，吞吐量与确认时延一直是制约区块链应用的瓶颈，三者是相互矛盾的指标，很难三者全部达标。但是，对于元宇宙这样的应用场景，对速度、吞吐量、存储成本有较高的要求，因此甚至有些时候不得不牺牲去中心或安全来换取效率。另外，“信息壁垒”和实物上链是当前影响区块链技术实际产业落地的两大挑战。

3）物联网

物联网要实现规模化加速演进仍需解决一些难题。第一，成本高昂。物联网传感器品类众多，包括摄像头传感器、温度/湿度传感器、大气污染传感器等，品类众多而难以形成规模效应，边际成本较高，从而导致整个物联网建设成本居高不下，只有降低成本才能更大范围地推动物联网发。第二，技术还不成熟，传感器从边端收集数据后需要进行大数据分析，但是目前各行业各领域之间数据收集和数据分析尚不能打通，只有与行业应用深度融合的数据分析才能释放大量价值，目前还没能达到这一阶段。第三，安全问题。相比像手机一样拥有较为安全的硬防护措施，传感器结构比较简单，极易成为被分布式拒绝服务攻击的跳板。综上，物联网必须解决成本、技术、安全等方面的发展难题，才能进一步被行业广泛应用。

4）移动通信网络

目前我们处于从5G 向6G过渡的初期，理想中元宇宙的运行至少需要6G及以上的网络，预计6G网络通信在2030年能够全面落地。相比于5G，6G能够支持微妙甚至亚微秒级别的延迟通信，支持室内10厘米、室外1米定位精度，支持全球范围的“万物互联”，比较直观地来讲，在6G时代，我们下载300部电影只需要眨眼的功夫，真正能实现几乎零延时地在元宇宙穿梭互动。

移动通信网络发展阶段

 

5）算力

目前的计算、存储和网络基础设施根本不足以实现元宇宙愿景，而要想实现真正的元宇宙，目前的计算能力需要再提高1000倍。未来，AI计算、边缘计算、量子计算将成为推动元宇宙发展的主力技术。目前，人工智能芯片仍处在高速发展时期，为了在元宇宙中支撑更多样的人工智能计算，人工智能芯片需要实现一系列技术突破以实现高度并行的处理能力、低内存延迟、创新架构、低功耗能。边缘计算能有效降低时延并提升计算效率，整体架构中，中心云实现全局调度，边缘云侧重局部的大规模数据处理，终端实现海量物理世界终端转化为海量的数据信息。相比传统计算机，量子计算具有支撑指数级增长的数据运算的能力，具有突破后摩尔时代的潜力，能够解决元宇宙中的算力问题，但是量子计算目前还处于原型机研发阶段，在技术上仍面临诸多挑战。