元宇宙关键技术与产业发展初探

文/龚 雷（合肥市科学技术局）

一、引言

元宇宙是数字技术融合发展到一定阶段的产物，其衍变过程对人们的生产生活方式和社会形态的变革都具有重大影响。2021 年3 月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年（2021—2025 年）规划和2035 年远景目标纲要》提出，“加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。”2022 年以来，安徽省委、省政府高度重视元宇宙技术与产业发展，召开工作专题会，要求相关部门尽快形成关于安徽省元宇宙技术与产业的研究报告。合肥市在2022 年政府工作报告中提出，瞄准元宇宙等前沿领域，用未来产业赢得城市未来。

二、元宇宙的概念

元宇宙（Metaverse）由Meta（超越）和Universe（宇宙）两部分组成，从字面上来看就是“超越宇宙”。1992年，美国科幻小说《雪崩》中首次提及“元宇宙”[1]，它是一个计算机生成的宇宙，故事中的主人公白天是普通的送货员，晚上则化身为虚拟世界“元宇宙”中的超级英雄。

在互联网领军企业眼中，Facebook 认为元宇宙是一个融合了虚拟现实技术，用专属硬件设备打造的具有超强沉浸感的社交平台；阿里认为元宇宙是允许商家自行搭建的3D 购物空间，能够提供云逛街的全新购物体验；腾讯认为元宇宙是独立于现实世界的虚拟数字世界，用户可以用新的身份开启新的生活，并将其称为“全真互联网”。

在业内大多数专家眼中，元宇宙不完全是游戏，因为通过数据孪生技术可将现实场景映射到元宇宙，通过物联网等技术可在元宇宙中对现实世界进行操控；元宇宙不完全是虚拟空间，元宇宙能够在沉浸式体验基础上，与现实世界进行交流与互动，使得虚拟与现实的边界越来越模糊；元宇宙应该是去中心化的，没有绝对的垄断与权威。

在大众媒体眼中，元宇宙是既独立于现实世界又和现实世界相关的沉浸式数字世界，拥有能带来实际价值的经济系统，每个人都可以在其中进行自由的创作和创造。

总体来看，元宇宙是通过大量数字技术，在现实世界基础上搭建的、承载虚拟活动的平台，与现实世界耦合关联，能够提供丰富的消费内容、公平的创作环境、可靠的经济系统，能够在其中进行社交、娱乐、创作、教育、交易等活动。

三、元宇宙的关键技术

元宇宙涉及的关键技术非常多，其中，虚拟现实、脑机接口等技术为元宇宙提供真实的沉浸感；人工智能为元宇宙提供内容生成逻辑；云计算为元宇宙提供算力基础；数字孪生技术为元宇宙提供现实世界的镜像；5G、物联网等新一代互联网技术为元宇宙提供即时通信与操控，实现元宇宙与现实世界的融合；区块链技术、数字货币技术为元宇宙提供信任基础与交易基础，用于搭建元宇宙的经济体系。

1.技术路线之争

元宇宙的概念模糊不清，核心问题在于存在两条实现路径之争[1]。一是互联网派，以互联网科技巨头为代表，他们希望在已有产品上实现从互联网到元宇宙的过渡，如果能将现有用户直接转化为元宇宙用户，就能够直接站在元宇宙的风口。二是区块链派，以以太坊（开源的公共区块链平台）为代表，其核心要点是“去中心化”治理，以“数字身份”“加密经济”“稀缺比特”“跨链传输”等作为元宇宙内核来设计产品，关注的重点是经济基础。

互联网派与区块链派都各有优势与不足。对于互联网派而言，内容和应用非常丰富，但中心垄断、数据隐私等问题一直被人们所诟病。例如，社交媒体现在基本都是被互联网巨头所垄断的，以俄乌战争为例，俄罗斯明显处于舆论战的下风，因为像Facebook、Twitter 等社交媒体完全切断了俄罗斯的发声渠道，所以也就出现了俄罗斯和西方国家在中国微博上争论的有趣场景；对于区块链派而言，可靠性与安全性是其最大的优势，但存在的问题主要是内容匮乏、应用场景少，像“比特币挖矿”等并未得到广泛认可，基于区块链的交易系统尚未形成规模效应。可见，两派的优势与劣势互补性强，两者深度融合是元宇宙发展的必由之路。

2.区块链技术

业内大多数专家认为，区块链技术是元宇宙的补天石，能够实现“去中心化”治理，能够提供安全可靠的经济运行系统，能够解决元宇宙中身份互信等问题。区块链技术从本质上来说，就是去中心化的分布式账本。

目前，网络购物大都是基于第三方（如支付宝）的中心化交易，而在区块链中的交易是所有节点（即用户）共同参与的（即分布式）。举一个简化的例子，假设区块链中共有5 个节点，A 向B 支付了1 元钱，之后会有如下操作：A 会向所有用户广播“我是A，我向B支付了1 元”，B 会向所有用户广播“我是B，A 向我支付了1 元”，其他节点C、D、E 就会记下“某年某月某日，A 向B 支付了1 元”[3]。网络中所有节点都会保留相同的账本，对账本进行修改需要有一半以上的节点同意，能有效避免中心化交易所带来的第三方不可信、不可靠问题。然而，区块链系统中有2100 万枚比特币，稀缺性是导致其被炒作的一个重要原因，存在着极大的金融隐患，加强对以比特币为代表的虚拟货币的监管已成为国际共识。

3.密码学应用

密码学是区块链技术的基础，用于证明用户的身份，保证记账信息不被篡改，实现数字财富等个人私密信息安全传输。区块链技术中涉及的密码学算法，主要是哈希加密算法和非对称加密算法。

哈希加密算法常见的有MD5 和SHA，能够将任意长度的数据压缩成指定长度的数据，记账信息有任何改动，计算出来的哈希值都会发生变化；非对称加密算法常见的有RSA 和ECC，有公钥（可以看作公开的钥匙）和私钥（可以看作私密的钥匙）两组密钥，公钥所有人都可以使用，用于对私密信息进行加密、验证数字签名是否真实，私钥仅限个人保管使用，用于对加密信息进行解密、对数字信息进行数字签名。

密码学算法在区块链的NFT（Non-Fungible Token，非同质化代币）中得到了充分的应用。“代币”可看成是数字化所有权凭证，“非同质化”意味着每张凭证都不一样，不能分割也不能交换。图像、视频、音乐等数字作品变成NFT 后，可利用哈希加密算法防止数字作品被篡改，利用创作者的个人私钥实现对数字作品的签名，使得数字作品具备稀缺性。例如，Twitter 首席执行官用个人私钥对其发布的首条推文进行签名后，该推文以290 万美元的价格售出。可见，元宇宙中数字资产的确权、数字作品的价值传递等环节都离不开密码学算法的支持。

四、元宇宙产业的发展态势

当前，国内外科技巨头正在加速布局元宇宙相关产业，一些国家纷纷制定元宇宙战略，我国多地政府也在加紧布局元宇宙赛道，密集出台相关政策和文件，元宇宙产业发展呈现出超乎想象的爆发态势。

从科技巨头来看，Roblox 游戏公司打造了一套相对完整的“游戏平台+沉浸社交+独立经济系统”游戏世界，于2021 年3 月在美国上市，被誉为元宇宙第一股；同年10 月，Facebook 公司更名为Meta，并宣布在虚拟现实、内容创作社区、数字货币及商业等领域加大投入；NVIDIA 公司通过布局三芯战略，构建元宇宙底层硬件技术，并发布Omniverse 平台，提供虚拟世界模拟和协作的基础服务；Mircosoft 公司正力图打造企业化元宇宙，让用户能以3D 卡通形象参加会议，构建沉浸式虚拟工作空间。在国内，腾讯公司2019 年成为Roblox 中国代理并发布“罗布乐思”游戏，2020 年推出智慧城市底层平台CityBase，2021 年上线国内首个NFT 艺术品交易App“幻核”；字节跳动公司2020年以90 亿元收购小鸟看看，正式入局VR 赛道；阿里巴巴专门成立了研发VR 设备的硬件公司，其新加坡控股有限公司申请注册“阿里元宇宙”“淘宝元宇宙”等多项商标；百度公司积极布局成立AR 实验室、VR实验室、VR 交互平台等。

从国家和地区来看，韩国计划2022 年投入2000万美元开发元宇宙平台，并在2025 年前投入22 亿美元支持元宇宙相关技术开发；日本发布《关于虚拟空间行业未来可能性与课题的调查报告》，系统分析进军元宇宙产业面临的问题。在国内，2021 年1 月，江苏省无锡市滨湖区发布《太湖湾科创带引领区元宇宙生态产业发展规划》，将依托无锡影都开发旅游、展览、直播、购物以及剧本杀等多种应用场景，打造元宇宙核心产业区、创新孵化园、先进智造地；同年12 月，上海市经信委发布《上海市电子信息产业发展“十四五”规划》，提出加强元宇宙底层核心技术基础能力的前瞻研发，推进深化感知交互的新型终端研制和系统化的虚拟内容建设；2022 年1 月，北京通州区发布《关于加快北京城市副中心元宇宙创新引领发展的八条措施》，突出元宇宙与文化旅游融合发展，规划“1 个创新中心+N 个特色主题园区”的产业空间布局。此外，湖南省正在探索搭建芒果元宇宙平台，浙江省将元宇宙列为未来产业技术重点方向，合肥、武汉等地把发展元宇宙写入了政府工作报告。

五、推进合肥市元宇宙产业发展的对策建议

从政府到企业虽然都在大力布局元宇宙，但元宇宙目前仍处于早期探索阶段，技术、标准、场景、监管等支撑要素都还不完备。在技术层面，人工智能、区块链、算力等底层技术远不能满足元宇宙落地应用的实际需求；在标准层面，行业标准及协议尚未建立，互联互通为时尚早；在场景层面，现有内容的数量、质量和丰富度都与元宇宙的最终目标相差甚远；在监管层面，如何规范虚拟空间的发展有待进一步探索。

1.立足自身优势

目前，元宇宙概念相对最为集中的产业是虚拟现实和网络游戏，互联网产业较强的省市如北京、上海、江苏、浙江等具备先发优势，但合肥等其他城市也值得期待。在人工智能领域，合肥拥有国家战略性新兴产业集群，2021 年集聚企业达846 家，产业规模突破815 亿元，拥有全国首个国家级AI 重要产业基地——中国声谷。在算力方面，合肥先进计算中心“巢湖明月”深度融合“超级计算+智能计算+大数据”等先进计算技术，能够提供大规模并行计算模拟仿真、海量数据智能处理与分析等服务。合肥应继续在自身优势领域加强布局和建设，为实现元宇宙产业的跟跑和并跑打下坚实基础。

2.强化基础研究

元宇宙的发展需要一系列的基础研究作为支撑，像区块链技术中涉及大量的密码学知识，而目前使用的密码算法绝大部分都基于数学难题，如RSA 算法是基于数论中大数分解难题，ECC 算法是基于离散对数难题等。合肥应以安徽应用数学中心为基础，加强与山东国家应用数学中心等单位在密码数学等方向的交流合作，不断拓展研究领域，全力推进数学与工程应用、产业化的对接融通。此外，合肥还应进一步强化物理基础研究，充分发挥在量子物理领域的领跑优势，积极探索量子计算、量子通信与元宇宙的结合应用，为突破算力瓶颈、保障信息安全摸索出更多更新的技术路径。

3.拓展应用场景

元宇宙的应用场景非常广泛，其中虚拟交互应用与元宇宙关联最为紧密，目前相关产品已不再局限于VR/AR 等物品，还出现了像湖南卫视主持人小漾、虚拟歌手洛天依、虚拟偶像柳夜熙等为代表的虚拟人物。合肥在虚拟交互应用方面也开展了积极的探索。2021 年10 月，科大讯飞在业界率先发布虚拟人交互平台1.0，可应用于媒体新闻生产、培训课件生产、广告视频生产等场景，实现对客户不同业务场景进行AI虚拟人赋能。在对现有场景进行深度挖掘的基础上，合肥还应积极拓展学习教育、文化旅游、虚拟医疗、政务服务等应用场景。

4.加大政策支持

在国家层面，工信部将出台《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划》，着力推动虚拟现实技术规模化发展。对于合肥而言，一方面要紧跟国家战略部署，另一方面要发挥自身优势特长，强化基础研究政策导向，加大数学、物理等基础研究投入，同时进一步放大人工智能产业规模效应与集聚效应，强化双招双引，影响和带动元宇宙其他相关产业逐步做大做强。在条件具备时，适时出台元宇宙相关政策，引导龙头企业积极开展关键技术研究与产品开发，建设特色产业基地等创新载体，加速推进元宇宙产业化进程。

5.注重监管治理

元宇宙“去中心化”并非“去监管化”，在建设和发展过程中，需要同步考虑其社会规则、经济秩序、文化体系等方面的问题，需要探索建立系统规范的运行机制，需要构建基本的法律法规。在政府层面，应根据元宇宙发展需求，健全完善管理部门的职责，指导出台相关的平台标准、技术标准、数据标准，进一步强化对数字资产的权属、交易、版权等方面保护。在企业层面，应加强行业自律，协助做好元宇宙中主体行为规范、数据交易与隐私信息保护、公共数据开放共享等相关工作，助力提升元宇宙治理能力。