元宇宙杂谈

        自从尼尔·斯蒂芬森1992年的科幻小说《雪崩》（Snow Crash）中首次创造“元宇宙”（Metaverse）一词以来，很多人都对它着迷。现在，几十年过去了，从科幻小说的版本入手，公司正在建立真正的元宇宙。

一、名词解释

        Metaverse——虚拟空间，3D虚幻世界。

        定义：a 3D virtual world, esp in an online role-playing game：3D虚幻世界；尤指通过网络扮演角色游戏创造的世界

        解释：元宇宙是一个集合的虚拟共享空间，由虚拟增强的物理现实和物理持久的虚拟空间聚合而成，包括所有虚拟世界、增强现实和互联网的总和。metaverse这个词是由前缀“meta”(意为“beyond”)和“universe”组合而成的，通常用于描述互联网未来迭代的概念，由持久的、共享的、三维虚拟空间连接到一个可感知的虚拟世界中。

二、元宇宙、空间计算和5G通信

        不知你听说过没有，下一个版本的互联网也称为魔幻宇宙（Magicverse，Magic Leap公司）、赛博宇宙（Cyberverse，华为公司）或行星级AR（Planet scale AR，Niantic公司），其特点是持久共享的虚拟空间，提供跨平台和现实世界的体验和操作。它也有自己的经济和媒体。虽然公司争先恐后地抢先到达，但史诗游戏已经有了完美的基础——在线视频游戏福特尼特（Fortnite）。这是第一款真正意义上的跨平台游戏。从玩家总数来看，上2019年3月官方公布的数字为2.5亿。由于它的流行，它显示出了希望。

        与元宇宙的关键区别在于福奈特不是一个虚拟现实世界。但是。当我们有一个始终在线的虚拟环境，可以无缝地与我们的现实世界分层，数百万人同时与之交互时，我们就有了一个元宇宙。

        混合现实初创公司Magic Leap的首席执行官罗尼·阿博维茨在一篇博文中写道：“元宇宙充满活力，是人类生命无尽创意表达的家园。它还可以成为一种结构，通过共享公共服务将社区联系在一起。空间计算与数字技术一起创造了场所、物质的力量。”

        阿博维茨接着解释了空间计算的重要性：“后COVID经济将是一种弹性经济，企业能够跨远距离运营，并以模拟物理交互的方式与客户联系，但受益于高速网络的速度和规模，这将是至关重要的。空间计算将在很大程度上成为即将到来的经济变革的一部分。Magic Leap在这一领域的开创性工作为我们提供了一个丰富的技术和诀窍平台，帮助我们迎来这个空间转型的时代。”

        空间计算与扩展现实（extended reality，XR）有着广泛的同义关系，XR是虚拟现实、增强现实和混合现实的总称。它是将物理空间用作计算机接口的实践。机器不再需要固定位置。

        到目前为止，我们都是通过打字、触摸和屏幕与电脑互动。用于空间计算的用户界面将完全不同。想想眼控互动、肢体或手势以及声音控制。硬件将是不可见的。在我们的祖先看来，固定电脑和盯着平板屏幕的概念是荒谬的。

        我们已经在用3D语言思考和说话，我们的生活在3D空间中移动，与3D物体互动。既然技术能够实现这个新的计算时代，那么远离2D的过渡就至关重要了。这就是为什么所有的巨头，从脸书到谷歌再到苹果，都在转向空间计算和XR设备。

三、脸书AR眼镜

        苹果正在开发一款AR眼镜，脸书也正在开发AR眼镜，并宣布已与微LED技术AR/MR显示应用前沿的嵌入式技术开发商Plessey达成协议。Plessey将授权其AR技术，并在未来几年内将其产品奉献给脸书。此举使脸书在增强现实眼镜的竞争中领先一步。

        虽然元宇宙是一个巨大的发明，但XR设备将连接到它，取代计算机和智能手机。我们还需要高速无线网络——5G及以上，以促进这一切。这是一项艰巨的任务，需要数年才能实现。

        鉴于COVID-19已经实施了社会距离措施，围绕空间计算和元宇宙的讨论现在更加重要。现在比以往任何时候都更需要以新的、有意义的方式进行联系。这场危机应该使实现下一代互联网空间成为更大的焦点。

四、美军对地理空间元宇宙的研究

        随着新的地理空间能力的发展和技术的进步，许多人观察到的一个新兴趋势是，作战人员和应急反应人员需要拥有合成训练环境，仔细模拟他们工作的物理作战世界。因此，我们看到地理空间数据的3D 建模与作战要求相关的地理空间数据收集之间进行了更密切的合作。

        在地理空间情报（GEOINT）领域，美军提出地理空间元宇宙（Geospatial Metaverse）概念，并与基础设施、谍报技术和应用进行关联研究。认为建模、仿真和游戏代表了地理空间情报的未来。有利于在任务规划、训练和建模中提高三维地形模型的空间分辨率和精度。

        美国地理空间情报基金会（USGIF）设立的建模、仿真和游戏（MS&G）工作组，通过讨论如何使建模、仿真和游戏技术与GEOINT更具互操作性，向全球GEOINT社区宣传最新趋势和实践。该小组寻求与工业界、学术界和政府合作，突出先进的研究概念和商业技术发展，支持能够在需要时提供权威和相关地理信息的地理空间建模、仿真和游戏系统。最近，该工作组与开放地理空间联盟(OGC)和下属的互操作性、仿真与游戏(IS&G)工作组合作，重点研究先进技术，并支持地理空间建模、仿真和游戏系统。发表了一篇题为《利用3D建模、仿真和游戏引擎推进地理空间情报谍报技术的互操作性》的技术论文，概括了小组在行业、政府和学术界捕捉到的许多技术趋势。2020年3月9日至10日，USGIF和OGC合作主办了首届虚拟GEOINT社区论坛，题为“地理空间元宇宙：基础设施、谍报技术和应用”。该活动提供了对地理空间基础设施、业务技术演进、游戏引擎和沉浸式应用的深入了解。重点关注GEOINT和传统建模仿真社区之间正在出现的业务技术融合。

        USGIF和OGC共同发表的技术论文，主要涉及以下内容：

        一是当前的3D和4D技术能力能够支持建模、仿真和游戏操作的执行，但同时在技术和操作方面明显脱节。需要两种解决方案来解决这个问题，这两种方案都在这篇技术论文中涉及：第一，利用所有的数据，第二，利用未来的自动化技术，比如人工智能。

        二是关于MS&G领域技术的整合和改进，该技术文件强调指出，它的准确性正在提高，从而为用户提供更好的体验，并弥合地理空间信息和合成数据之间的差距。

        三是当前3D地形系统需要提高图形逼真度，以进一步提升用户体验。如果这是一个足够高的质量，地理空间合成数据可以用于技术和人类的培训目的。当与算法透明性相结合时，接受3D和4D设备和程序以实现技能掌握将变得更加普遍。

        四是从国家安全经验来看，高光谱数据可能受到3D/4D技术影响。从学术的角度来看，高光谱[数据]将成为新的狂野西部。高光谱信息在建模、仿真和游戏领域的细分领域尚未完全实现，但肯定会朝着这个方向发展。

        五是一致性有时比过多强调技术进步更重要，创造可靠的技术可以让用户对其能力产生额外的信任，证明稳定的技术应该优先于创造可能无法控制的功能。

        哪些领域是未来最难解决的——软件、硬件、数据还是文化。MS&G小组成员一致认为，数据将是最困难的，因为运行模型和模拟所需的信息量非常大，很难传输。一旦数据管理障碍被克服，将产品和应用送到值得信赖的消费者手中将是MS&G社区的下一个阶梯。

五、3D地形模型价值链条上的问题和挑战

        当前，3D地形正在经历一场创新革命，并在各种地理空间利益相关者中得到采用。3D GEOINT对于提供分析内容和可视化至关重要，这些内容可以让我们了解今天的威胁，并预测明天。这将导致我们改变对情报议题的理解方式，包括战术和战略，涵盖从太空到地表、到地下基础设施和海底的领土。

        围绕整个3D地形模型的价值链，今后研究主题涉及以下方面。

        首先，3D建模的三个主要问题：及时性、保真度和创建3D环境的权威性。特别是如何减少从数据收集到3D融合的时间？如何利用激光雷达传感器和来自世界各地的卫星图像，获得地球上任何地方正在发生的事情更快、更准确的图像？

        其次，推动高空间精度的3D，要求3D既可操作，又可用于各种不同的工作流程。优化运营、降低成本并提高安全性。如果没有很高的空间精度和后续与5G的兼容性，从规划到作战的过渡是困难的。此外，为了应对COVID-19疫情大流行，美国将在基础设施方面投入刺激资金。让立法更快地落地的方法之一是利用数字孪生/3D沉浸式环境进行前期调查和规划活动。持续监测、维护以及与物联网传感器的结合都是与此类项目相关的任务，这些任务可以通过三维建模来增强，但需要空间精度和精度才能成功。

        第三，数据如何在系统中得到使用？你如何使系统与数据兼容？你怎么把数据弄到战术前缘去？这是3D地形和建模的额外挑战，特别是对美国陆军未来司令部的“同一个世界地形”（One World Terrain）项目来说。你拥有了世界上最好的厘米级模型，但是如果你的系统收到硬件挑战、软件限制等，无法将它们接入武器系统，将内容分发到战术前缘，那么它们就没有价值。因此必须关注3D建模的实用性，将重点放在以及数据压缩、细节表达和瓦片结构。

        第四，数据分析与意义建构问题。在信息传递的最后阶段，对于一名分析师来说，他们的工作是试图弄清楚所有这些数据的意义，但他们还必须与打算对此做些什么的人进行沟通。我们在X、Y和z轴上的空间精度和时间越高，就越有可能将机器辅助推向价值链的下游，更接近意义构建。我们可以比以往更快地从感知转变为认知。然而，在设计实现人类认知过程的技术时，尊重人类的认知过程仍然很重要。我们的大脑并不是从二维图像中提取三维属性。

        3D建模价值链的重点通常应指向上游。在价值链的起点出现的错误，可能在价值链的尽头以意想不到的方式出现。这样的错误可能会超出带宽或分布范围，例如，计算问题可能要到3D建模分布周期的后期才会有结果。

        3D的地形建模的最终目标是什么：一个全球模式？在新的传感器和大规模云计算的基础上，它的精确度和现势性达到了什么水平？什么时候才能实现？以前，它可能是一个包裹在WGS84坐标系统中的整个星球的厘米级地表模型，包含所有与材料、特征类型和组成相关的元数据。从技术角度看是可行的,但它不能仅仅是一堆不同的高分辨率源聚在一起,然后试图发送给用户使用。这主要看消费者的需求。

        空间分辨率、时间分辨率和成本之间存在一种平衡状态。当你深入到感兴趣的领域时，也许你会发现在大城市里，需求是10厘米到10厘米以下的范围。当你在训练现场或合成训练环境时，也许你想要在1到2厘米的精度范围内。目前，精确到已经不是技术问题，而是成本问题。

        随着我们从iPhone等设备上观测到的空间精度的提高，将看到更多的众包数据和更准确的结果。在此之前，我们必须等待配备更先进的传感器的通用技术装备，例如，带激光雷达的iPhone。

小结

        地理空间元宇宙是当前美军地理空间情报部门的热门话题，而其主要目的是利用当前3D、4D虚拟现实技术的进步，为陆军创建战场合成训练环境，使得GEOINT能够在未来几年帮助提高士兵训练和任务效率。具体项目是美国陆军的一个世界地形(OWT)项目。OWT计划提供3D全球地形数据、能力和服务，复制作战环境的覆盖范围和复杂性。这一点至关重要，因为当前的地理空间生态系统规模庞大，往往支离破碎，各种收集方法、数据库和组织并存。OWT团队在项目开始时构思了生成特定地理区域3D内容的工作流时，他们关注的是与训练、仿真和系统相关的应用。目标是获取地形区域，并在士兵进行训练演习时将原型机交到他们手中。

        3D地形领域需要强大的领导、治理和标准；需要正确处理3D数据的供求关系，特别是打造良好的3D数据的采集、存储和传递链条；需要重新思考如何开展业务，并确定流程中适合自动化的部分，以便让分析师发挥最大能力。

        经过几年的设计和研究，美国陆军的OWT系统大量采用了自动化技术，其产品非常好，技术非常好，逼真度非常好，精确度非常好。当然，合成训练环境（STE）是否将取代现场训练，美军高级将领认为，这永远不会是事实，“因为没有任何东西可以代替现在，身处混乱、战争的迷雾中。我们所能做的是，试着设定一些条件，这样当你进入那个阶段的时候，你就会感到足够舒服，因为你已经完成了一些动作和设定，并且有一些必要的经验使你比以前更熟练。”

参考文献：

1. Sol Rogers. The Metaverse, Spatial Computing, And 5G. /sites/solrogers/2020/04/30/the-metaverse-spatial-computing-and-5g/

2. Metaverse. /search/site/Metaverse.

3. Jessica Dorsch. Discussion of USGIF/OGC Technical Paper on Modeling, Simulation, and Gaming. /discussion-of-usgif-ogc-technical-paper-on-modeling-simulation-and-gaming/

4. Lauren Est. The Evolution of 3D Terrain Models. /the-evolution-of-3d-terrain-models/

5. Christine MacKrell. 3D – The Future of Foundational Data. /3d-the-future-of-foundational-data/