元宇宙关键技术及与数字孪生的异同

◆郑诚慧

（飞燕航空遥感技术有限公司 江苏 211300）

1 引言

最近元宇宙的概念热度很高，很多互联网大厂纷纷参与到讨论中，诸如Facebook 已经将公司更名 Meta，那元宇宙到底是什么呢？Metaverse 是由Meta 和Universe 组成的一个新词汇，指的是超越宇宙，超越现实宇宙的另一个宇宙；是将现实与虚拟的融合，用户可以在虚拟空间中进行现实世界中所包含的各种活动，例如：文化、社交、学习、工作、旅游等等。

元宇宙最早出现在20 世纪90 年代，一本名叫《雪崩》的科幻小说中，书中有一个设定，是现实分类与虚拟人共同生活在一个虚拟空间中[1]。2003 年《Second Life》游戏的横空出世，改变了人们对虚拟游戏的认知，他将虚拟游戏与虚拟世界编辑、虚拟经济相结合，实现了在游戏中进行社交、购物、建造、经商，引起了当时各方追捧，既有IBM、CNN 这些企业层级，也有瑞典、西班牙这些国家层级。2018 年一部名为《头号玩家》电影，通过电影直观表达了元宇宙时代，让资本和大厂进一步认识到了“元宇宙”的价值，认为是互联网进化的未来，元宇宙因此爆火，成为了一个新的增长极。

中国通信工业协会区块链专委会轮值主席于佳宁指出“元宇宙是未来互联网升级的重要方向。本质上来说，元宇宙可以实现数字与现实的“五大融合”，即数字世界与物理世界的融合、数字经济与实体经济的融合、数字生活与社会生活的融合、数字身份与现实身份的融合、数字资产与实物资产的融合”。

2021 年是元宇宙的元年，由于过去的两年在疫情的影响下，加速了对虚拟世界的需求，各种在线课堂、在线办公平台快速发展，数字世界、数字生活、数字经济、数字身份、数字资产快速融入人们生活，以往短期的线上生活已经成为了常态，人们在现实生活中大范围地向虚拟世界迁移，实现了现实与虚拟世界的平行栖息，这为元宇宙的发展带来了契机，可以说2021 年元宇宙的大发展有着天时、地理、人和的这种前提条件。其中还有一点更重要的是：数字孪生技术、区块链技术、交互技术、5G 网络技术、云计算技术、人工智能技术、物联网技术等科学技术的发展为元宇宙也奠定了很好技术基础条件。

2 元宇宙关键技术及其作用

元宇宙既不是电子游戏，也不仅仅是虚拟世界，它是一种虚实相融的互联网应用，是一种虚实相融的社会形态[2]，是由多种新技术整合而形成的。通过数字孪生技术、物联网技术，实现了生存环境的拓展，将现实世界和虚拟世界相融合构建综合环境；通过交互式技术，提供沉浸式体验，实现了感官的拓展，将现实视、听、触感官和虚拟视、听、触感官相融合构建综合感官；通过区块链技术搭建经济系统，实现了经济维度的拓展，将现实经济与虚拟经济相融合构建综合经济；通过身份的统一认证，实现了用户这个虚实相融的环境中进行学习、工作、交友、购物、旅游……

元宇宙关键技术主要包括：数字孪生技术、区块链技术、交互技术、5G 网络技术、云计算技术、人工智能技术、物联网技术。

2.1 区块链技术及其作用

区块链是一个共享数据库，使用区块链存储的数据或信息，具有“即时性”“共享性”“完全透明性”“不可篡改性”等特征，通过统一的身份认证，为搭建虚实结合的经济系统提供了技术支撑。实现了元宇宙中的价值交换，也保障了元宇宙用户的交易是平等透明的。

区块链技术具有更高的信任度，更出色的安全性，更高的效率，成员用户可以借助区块链确信自己收到的数据是准确及时的，保障了元宇宙底层数据的保密性和可溯源，确保了元宇宙用户可以参与和监督交易合法性。

区块链在元宇宙上实现的是虚拟价值与真实价值的统一[3]。哪些在我们认知中毫无意义的数字货币，现在具有了真实的行业价值。通过区块链，元宇宙将真实与虚拟世界之间联系起来，使得两者之间经济的自由流动真正实现[4]。

2.2 交互技术及其作用

交互技术在不断地持续升级，不断的升级感知交互，为元宇宙提供沉浸式体验，为用户构建了虚实结合的综合感官。从最初的VR 虚拟现实技术，到AR 增强现实技术，再到MR 混合现实技术，虚拟空间和现实空间的结合不断升级[5]，从最初的置身于虚拟世界，到在现实世界中叠加虚拟信息，再到虚拟与真实世界的融合与自由切换，让虚拟与现实的互动逐步增强，为用户提供了更好的交互体验[6]。

伴随着用户需求地不端提升，全息影像技术实现了通过裸眼进行现实与虚拟的交互，而脑际交互技术与传感技术在交互方式的便捷性、真实性、体感上，又进行了一次次飞跃性的技术变革。

交互技术的不断发展与进步，不端深化交互感知，为元宇宙提供了虚拟现实体验阶梯。

2.3 5G 网络技术及其作用

伴随着5G 技术的发展与逐步成熟，一个5G 的时代已经到来[7]。5G 作为新一代通信技术，已经成为了现代信息社会最重要的信息基础设施，技术的革命性是跨时代的。5G 让社会由“人与人”相连接进入了全面“物与物”、“物与人”相连接，带动传统产业转型升级。

元宇宙的数字化平台，需要移动计算网络提供无缝、无间断、实时按需的高质量业务，移动计算网络，端管云深度协同。

5G 网络为元宇宙提供了高速率、低延时、大连接的服务，5G 的高速率、低延时构建着虚实两个世界的桥梁[8]。

由5G 带来的各行业变革[9]，也为元宇宙提供了虚实一体的环境，为用户提供了更实时、流畅的体验。

2.4 云计算技术及其作用

云计算这项技术，使得可以提供在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务[10]。最简单的云计算技术在网络服务中已经随处可见，例如搜索引擎等，使用者只要输入简单指令即能得到大量信息[11]。

云计算技术敏捷性在于可以在短时间内完成内部署服务；可以预判需要预置的资源，后可以根据业务需求的变化随时扩展或缩减这些资源；还可以将业务扩展到新的地理区域，将应用程序部署在离最终用户更近的位置可以减少延迟并改善他们的体验[12]。

因此，云计算技术为元宇宙提供功能更强大云端服务、更轻量化的终端设备、更便捷的响应机制、更低的费用支出。

2.5 人工智能技术及其作用

近年来由于大数据、互联网、云计算、新算法等核心技术的兴起与发展，为人工智能技术的推进提供了催化剂和养分。

人工智能通过使用统计模型推算数据概率，大数据为这个模型提供了海量数据来源，使得模型不断优化，通过云计算提供强大的计算能力，灵活的资源配置，便捷的响应机制。新算法的发展，提高了机器学习的能力，推动着关联技术的发展。

人工智能技术为元宇宙的应用场景提供技术支撑，是元宇宙的重要的基础设施。随着深度学习的发展，预处理、特征提取与算法处理渐渐融合，形成现实到虚拟的技术，是元宇宙虚实结合的关键。通过机器学习，可以将元宇宙中系统及要素逐步接近于人类的学习水平，并且实现超越，提高元宇宙的要素智慧能力和系统效率。语音识别技术及自然语言处理实现了人与计算机之间可以通过自然语言进行有效的通信，确保了元宇宙中虚实客体之间、人与系统之间信息准确的理解与传达，有效解决了不同地域的语言系统，不同环境语言发音等交流难题，便捷了元宇宙世界中各种交流。

2.6 物联网技术及其作用

物联网可细分为标识、感知、处理、信息传输四个方面，其中包含关键技术由射频识别技术、传感器技术、网络技术、通信技术。

射频识别技术主要是用于物联网中信息采集的来源，拥有远距离、快速读取、穿透力强、效率高、存储量大等特点，是元宇宙中现实数据采集的重要前提条件。

传感器技术负责物联网信息的采集，物联网应用的基础[13]。传感器是元宇宙的感觉器官，是元宇宙感知万物的信息来源。

传感器的网络技术是将实地监测、感知、采集信息，通过嵌入式系统处理，经过无线网络传送到服务端，是元宇宙感知万物重要的网络构成。

通信技术是物联网数据的传送通道，通过近距离通信和光遇网络通信技术[14]，实现通信感知高效融合，通感一体，为元宇宙提供全真全感互联的信息传输技术支撑。

3 数字孪生技术

数字孪生是充分利用各种模型、传感器大数据，构建一个仿真空间的过程，以完成对现实世界在虚拟空间中的整体反映过程，在虚拟世界中反映现实实体全生命周期过程[15]。更确切来说，数字孪生是两个系统，一个系统是现实的物理世界，一个系统是虚拟的计算机世界。并且借助智能技术，可以让这个存在于虚拟世界中的系统也能够以一个更直接的方法被人们所了解和触碰到。

数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统[16]。数字孪生很多关键技术与元宇宙相近，例如区块链技术、交互技术、5G 网络技术、云计算技术、人工智能技术，这些技术都在数字孪生中得到应用和发展，但数字孪生更重要的技术组成是3D 仿真技术、空间地理信息技术、数据可视化、物联网接入。

3D 仿真技术，利用三维数据获取高分辨率3D 数据，通过建模技术、立体合成技术，多引擎快速构建，三维模型并融合到模拟现实中的虚拟环境。

空间地理信息技术，通过二三维实现海量数据叠加、大场景数据加载，数字高程模型、数字正射影像、倾斜影像、点云数据、BIM 数据等多源数据融合，实现真三维场景的构建。将二维GIS的数据管理、存储、空间查询等优势与三维GIS立体可视化表达[17]、三维分析的特点相结合实现微观宏观、空间地面地下、虚拟与现实的一体化。

数据可视化，以三维GIS、BIM 等核心技术为支撑，实现现实世界事务对象的三维建模，实现数字孪生线上三维数据可视化；同时快速搭建，多元数据集成，数据实时响应，集成多数据源接入、自动化数据萃取，分布数据存储，实现为数字孪生多元数据可视化。

物联网接入，将现实世界的事务对象的状态等信息，通过各种设备、传感器等进行实时监测采集，获取其运行状态信息，结合云端技术，现实数字孪生对物联网远程控制及设备联动等能力。

4 数字孪生技术与元宇宙的异同

从概念、技术和应用的角度出发，数字孪生和元宇宙貌似有很多相同点，但又不太一样，主要表现在以下几点：

1）元宇宙的持久性更长

相对于数字孪生，元宇宙的概念更广，如果说数字孪生是与其真实的事物本体共存，那么元宇宙将与人类文明共存，必须能永远存在。

2）元宇宙完全去中心化

数字孪生可以是企业孪生、园区孪生、城市孪生，它最终会有一个中心，它的制定权、解释权可以属于某个企业或者城市。但未来的元宇宙，不再属于也不能属于某个企业或者国家，必须通过一个开源共享协议来共同维护，而这协议和规则的制定权、解释权不属于任何一方，元宇宙的存续不受任何企业或国家的外力影响。

3）元宇宙与现实世界协同进化

数字孪生是与物理实体之间实时连接、动态交互的关系，是物理实体对孪生体的实时映射。而元宇宙是从虚拟与现实世界的真实个体，到两个世界的群体，再到两个世界的人类命运共同体，都需要相互连接、相互影响、协同进化。

如果说元宇宙构建分为三个阶段的话，那么数字孪生就是第一阶段，也就是说数字孪生是元宇宙构建的基础，是元宇宙真正的核心。

5 结论

号称“互联网未来”的元宇宙，是数字与虚拟的融合，赢得互联网科技巨头的青睐。

元宇宙的未来可以从以下几个角度解读：

首先，未来互联网升维，从现有在线互动升级到拥有真实参与感的沉浸式虚拟体验，成为真正意义上的数字分身[18]。

其次，元宇宙将由无数个小世界组成，元宇宙是一个大的基础设施，但元宇宙中无数个世界，每个人都可以参与设计，并带来改变。

最后，元宇宙通过有一个共通的介质使得这些不同的小世界之间互联互通，而区块链将成为重要介质[19]。这种互联互通使得人类梦想中的“穿越”成为可能，在元宇宙中实现不同的小世界之间的“穿越”。

随着元宇宙的热度持续升温，未来元宇宙是主宰网络世界还是沦为泡沫，现在下结论还为时尚早，仍需进一步实践检验。但是如果只是纯粹的炒作元宇宙的概念，有可能会形成泡沫经济和产业，从而会延缓甚至停滞元宇宙发展建设的进程。

目前来看，元宇宙还在非常早期的阶段，发展的机遇正在逐步开启，但受到硬件和底层技术的现状制约，暂时无法支撑起真正的“元宇宙”。要构建完整的元宇宙生态，数字孪生、区块链、交互技术、5G 网络、云计算、人工智能、物联网等一系列前沿信息技术的深度融合需要加快推进。只有在新型基础设施建设、多技术集成创新与融合应用、数字经济与实体经济深度融合等方面增速发展，才有望能够加快元宇宙的建设步伐，使得云宇宙能够平稳及快速的发展。