元宇宙的四个关键技术
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2022-02-10 00:31
作者| Chenglin Pua（马来西亚）编审 | 于百程 排版 | 王纪珑琰
元宇宙在2021年得到市场的重点关注。许多企业都纷纷进军元宇宙，包括知名国际科技公司例如Meta、微软、英伟达等等。除了国际巨头外，国内巨头也有不同程度的布局，例如腾讯、字节跳动、阿里巴巴等等。
如今，元宇宙的发展依然处于探索之中，仍没有确切的定义，但我们能够确定一些元宇宙的关键技术，当中包括运算技术、展示技术、传输技术以及建模技术等。
运算技术
运算主要取决于两个因素，一个是硬件（芯片），另一个则是算法或是运算的方式。元宇宙运算的方式很大程度上需要依赖云计算。因为展示设备不宜过大，这就决定了展示设备难以独自承担元宇宙需要的运算，这时候云计算就派上了用场。
元宇宙的建设需要庞大的算力，这也会间接推动芯片的发展。AMD的CEO苏姿丰表示，我们正处于一个高性能计算大爆发的时期，这推动了更多计算的需求，以支持那些影响着我们生活中方方面面的服务和设备。
2021年11月9日，英伟达在GTC全球技术峰会上，向市场发布了一次重大的业务更新公告，即英伟达未来会为元宇宙提供基础技术服务，例如芯片。同样从事图形显卡（GPU）开发的AMD，近期也开始为元宇宙开拓者服务。11月9日，AMD宣布Meta（前称Facebook）成为其业务伙伴，未来Meta将会采购AMD的芯片，来满足Meta从“社交媒体”转型为“元宇宙”公司后对于数据中心以及算力的庞大需求。
VR/AR 产品的崛起也会带动最核心的元件——芯片的发展。类似于汽车芯片，如今的VR/AR 芯片已经出现了脱离手机，走向独立和定制化的趋势。
此前因VR/AR 产品小众化，鲜少有科技公司专门为其设计芯片。例如2018 年 Oculus 和小米联手推出了 VR 一体机产品 Oculus Go（国内叫小米 VR 一体机），这款机器使用的是高通2016年推出的移动平台处理器旗舰芯片骁龙 821。
此外，2014年的Oculus Rift DK2的荧幕采用三星 Galaxy Note 3 的屏幕。可见在早期时候， VR/AR硬件主要依赖着手机相关的供应链。
但随着市场的扩大，VR/AR 产品周边的技术链也会得到蓬勃发展的机会，尤其是芯片。2018年，高通公司发布了 XR1芯片，一个针对VR/AR 产品所设计的芯片。如今大卖的Oculus Quest 2采用的是高通XR2芯片（XR1的第二代）。Oculus Quest 2的大卖也促使高通逐渐在VR/AR 技术链发力。传闻高通在XR2 成功之后成立了专门的部门以及团队持续设计针对 VR / AR 设备的芯片。
另一方面，像苹果、Meta、Magic Leap 等技术巨头有可能继续走自研和定制的方向。据外媒报道，苹果在 2020 年已经完成 VR/AR 芯片的设计，并委托台积电进行 5nm 先进制程生产芯片。从高通到苹果，都已经在芯片这个核心领域倾注心力，未来可以预见的是VR/AR 产品的芯片将迎来一个加速发展的时期。
虚拟世界的运行离不开强大的运算能力，云计算会因为人们持续建设元宇宙而得到十足的发展。元宇宙的数据量爆发导致算力需求激增 ，云计算被认为是元宇宙最重要的基础设施之一。依靠普通百姓的计算机设备来运行元宇宙庞大的代码是不现实的，而云计算则是一个很好的解决方案。
连接进入元宇宙中，我们需要输入“参数”，即前往哪里，下哪些指令等等，就好比打游戏敲键盘输入指令。人们进入元宇宙中所输入的参数远比敲键盘所产生的的指令要复杂许多，传感设备采集我们的“输入参数”，丢到云端中进行运算再转换成元宇宙能理解的参数，从而让元宇宙里虚拟化的我们能够动起来或是下指令。
传达完了指令，接下来是元宇宙的建模部分。元宇宙中的一切物体，建筑等都是虚拟化的。这涉及到了建模的部分。英伟达曾经在其线上GTC大会中穿插了几秒“假的”黄仁勋以及背景。需要30多位工作人员先使用RTX光线追踪技术扫描黄仁勋，拍摄几千张各种角度的黄仁勋以及厨房照片，在英伟达开发的虚拟协作平台Omniverse中建模“厨房”，最后通过AI结合，以假乱真。仅仅只是搭建一个厨房就需要大量的数据来生成以及模拟，更何况是一个世界。想要搭建一个逼真且庞大的元宇宙世界，就需要强大的云技术来支持强大的模拟能力。
人类连接进元宇宙需要得到一定的“反馈”，云技术经过一定的运算之后再把“反馈”传回给我们手边的设备，从而给予我们一定的感知反馈。
许多科技公司也都积极布局相关设施。例如Unity 最新推出了Unity 云端分布式算力方案。根据Unity官方的说法，该方案可以节省高达 70% 以上的运算时间。在提高整体运算效率的同时，也降低了对本地计算资源的损耗，大大节省了成本。
Unity云技术解决方案
从计算角度来看，元宇宙未来会是是一种“云-边-端”协同的模式。然而目前来看市场上无论是云端还是终端，主流芯片的算力储备远远满足不了元宇宙应用的要求。特别是端侧算力瓶颈巨大，这是因为端侧不仅承担了部分智能感知算法，且更重要的是承担了最核心的虚实融合的真实感图像渲染算法，这类算法算力要求巨大且要求超低功耗，目前主流的端侧计算芯片（显示设备上的芯片）均不满足如此严苛的技术指标。
彭博社此前预测元宇宙在2024年将成为一个8000亿美元的市场。当中许多基础设施都会达到3000亿美元的市场。由于运算相关技术是元宇宙最重要的元素之一，因此保守估计将达到1000亿美元的市场。这也就促使了许多公司例如英伟达、AMD、Unity等公司积极布局相关的业务。
彭博社对元宇宙市场的预测
来源：彭博社
展示技术
将元宇宙展示给人们观看的技术离不开虚拟现实（VR/AR）。作为连接现实世界与元宇宙的重要桥梁，如今该技术已经得到了许多人的关注以及进军，当中不乏知名大科技企业。
“All in”元宇宙的Meta公司早些时候推出了Oculus系列产品。而2020年推出的Oculus Quest 2被许多知名科技网站评为最值得入手的虚拟现实设备，且其售价仅有299美元。可以说Oculus Quest 2是如今性价比最高的虚拟现实设备。Oculus Quest 2的推出也帮助Meta公司占据了75%以上的市场份额（2021年第一季度的出货量）。
除了Meta公司之外，微软也有自己的虚拟现实设备，称为HoloLens，如今已经迭代至第二代了。HoloLens第二代产品的售价为3500美元，在性价比方面较Meta公司的Oculus Quest 2有一定差距。
苹果也在积极研究虚拟现实设备，有望在2022年推出产品。擅长软硬结合的苹果未来入局此领域，势必会是一个强大的对手。2021年5月，苹果公司也以1亿美元收购虚拟现实公司NextVR，以增强其在娱乐和体育领域的VR实力。
百度公司副总裁马杰在XR国际论坛上表示，未来百度将会支持元宇宙、VR技术的发展。2021年10月19日，中国联通董事长刘烈宏在2021世界VR技术大会上表示，中国联通将推动VR技术的加速发展。
据IDC数据显示，全球VR设备出货量正在提速，预计2021-2025年全球VR头显出货量将保持41%的年复合增速，预计2021年的出货量将由2020年的670万台提升到850万台，2025年更是将达到2860万台。
元宇宙的定义是为用户提供身临其境的体验，如果没有展示技术，那么元宇宙对于人类来说是一具空壳。某些技术正在等待元宇宙能够提供更加好，进一步的虚拟体验，例如虚拟会议、虚拟购物、虚拟试衣等等。通过让购物者克服网上购物的障碍，在舒适的家里就可以选择最适合他们的商品。
然而如今的障碍主要在于设备的高昂价格，例如VR头显，对于大多数人来说并不是最实惠的选择。如今最亲民的设备为Oculus的Quest 2设备，然而其售价也需要299美元（约合1892人民币元）。随着展示技术的完善，那么相关设备的价格也会逐步下降，降落至普通老百姓可以负担的范围。
目前的展示技术软肋在于无论是显示器件还是图像处理与渲染算法，尚不能完全满足元宇宙应用的技术指标要求。市面上主流的AR/VR显示器件大多存在着重量大，功耗大，解析度差，色偏严重，常伴有眩晕感等问题，要获得一款又轻又好的显示模组，需要材料学与光学的重大突破。展示技术仍然需要一定的时间去沉淀、发展。
通讯技术
元宇宙的一个重要元素是可以与人们连结。元宇宙是基于VR/AR技术实现互动体验，但VR/AR技术需要消耗大量数据，那么将数据传输至云端计算再反馈至设备就是一个很好的方案。然而如今的技术难点在于实现低延迟的连接，这对通讯技术尤其是5G提出了更高的要求。
以往的Oculus 头显（例如Oculus Go）基本上都是搭配使用一个智能手机来渲染运算它们的世界，这使得它们变得沉重、发热，并且图形效果比 PC 或游戏机所能提供的要差得多。虽然如今最新的Oculus Quest 2则是不需要连接手机，自己就能自行运算，但质感仍然粗糙。显然要AR/VR设备完全运算虚拟世界的渲染以及运行是不现实的。我们可以借助云计算，将重要输入参数发往云端，再接收输出参数。
而有了更快速的连接方式例如5G，AR/VR设备将能够远程渲染它们的图形，进一步将结果快速地发往我们的AR/VR设备再显示，就像显示器和传感器集合一样。
但是，想要实现这一目标，我们需要大约 7 毫秒以下的可靠延迟和另一种称为移动边缘计算的技术。为此，我们需要独立的 5G 网络来实现此技术。
移动边缘计算（MEC）可在蜂窝网络边缘实现云计算能力和 IT 服务环境。MEC 背后的基本思想是，通过在更靠近蜂窝客户的地方运行应用程序和执行相关处理任务，可以减少网络拥塞并提高应用程序的性能。MEC 技术旨在实现在蜂窝基站或其他边缘节点，并为客户提供灵活、快速的新应用和服务部署。
5G在过去两年中非常火热，许多人探讨了其应用场景，元宇宙会是5G大展拳脚的重要应用场景。5G、6G等相关的通讯技术会在元宇宙风潮下得到莫大的发展，元宇宙也会因5G、6G等相关的通讯技术快速发展进而提供更加真实的虚拟体验给人们。
元宇宙计算通过5G以及更加先进的通讯技术获得的更多带宽值意味着元宇宙虚拟世界渲染可以在边缘设备上完成并传输到用户的VR/AR设备上，这意味着随着通讯技术的持续进步，未来几年VR/AR设备的尺寸可能会进一步缩小，让用户使用起来更加舒适。
建模技术
要成为一个真正的沉浸式平台，元宇宙就需要三维环境。构建元宇宙离不开建模，无论是场景、周边物品或是虚拟形象。要想实现这一构想，开发者们还有很长一段路要走。毕竟庞大的3D虚拟世界构建，需要海量且高质量的3D内容支撑，以还原真实世界。
如今的建模主流方式是3D软件手动建模。目前，市场上有大量的专业3D建模软件供使用，比如3DMax、Maya、Blender等。不同软件的建模方式多样，包括多边形、曲面、参数、逆向等，分别适用于动画、游戏、室内设计等场景的3D模型创作。它的优点是所建模型精度高，可发挥想象任意创作。但建模师的学习成本往往很高，制作难度较大，制作周期长。构建元宇宙如果使用3D软件手动建模则需要投入大量的人力。
随着3D建模知识的普及以及技术的快速发展，工业、3D打印以及电商等场景都需要运用专业仪器扫描建模，用于模型重建。这一建模方式的主要仪器类型有激光扫描仪、光场扫描仪等。所谓激光扫描建模，是指通过激光设备反射信号测距，用算法计算出深度数据；光场扫描建模则是通过多相机阵列摄影，或使用专业光场设备扫描建模。使用专业仪器扫描建模最大的优点是可以模拟出与物体表面一致的反射特性，最大程度还原真实物体材质的颜色、纹理和光泽，提高3D物体渲染的逼真度。
专业仪器扫描建模的速度比手动建模快很多，操作难度较低，可以实现高精度建模。但它的不足在于越高精的仪器设备，成本越高，而且只能根据现实中的物体进行重建，无法虚拟创作。其对现实物体的大小也有一定限制，在建模后仍需专业3D软件进行编辑处理才能投入使用。
目前市场上最积极布局建模领域的就是Unity公司了。Unity原本是个专注开放游戏引擎的公司。后来逐渐发展成开发和运营交互式实时 3D 内容的平台，不仅面向游戏制作，也应用于电影、设计、制造、建筑等多个行业。
2021年11月10日，Unity正式收购视觉特效公司维塔数码。Unity表示本次收购的最终目的是将维塔数码众多先进的视觉特效工具送到全世界数百万创作者和美术师的手中。集成到Unity平台之后，这些工具将为实现新一代实时3D创意内容和塑造元宇宙的未来提供极大帮助。Unity也开发AI帮助人们降低相关建模的门槛。
如今市场上对于建模暂时没有一个成本低、门槛低且高效率的建模方法。建设元宇宙必然需要找到一个效率高且低成本的方法，这也将会促进建模技术的发展，无论是相关软件，还是背后的技术以及引擎或是相关人员的培训等。