元宇宙无疑是2021年最热门的科技话题之一。从脸书的扎克伯格到元宇宙产业的全面展开，再到国内各大互联网公司纷纷布局元宇宙板块，再到游戏、社交、AR/VR、区块链等上市公司他们在股票市场上取得了长足的进步.2021年，“元宇宙”可谓火遍全球。
那么，超宇宙是一种什么样的技术呢？云宇宙的到来会对普通人的生活产生什么影响？超宇宙最终能实现吗？离我们有多远？带着这些问题，今天我们一起来聊聊。
事实上，超宇宙并不是单一的新技术。“超宇宙”这个词更多的代表了一种新的技术概念和方向。
虚实联动的互动体验会引爆什么？
简单来说，元宇宙可以被视为一种新的互联网技术框架，强调沉浸式的交互体验，用于现实和现实的融合。
目前的互联网体系基本上是“虚拟”和“真实”二元性的。
互联网上的一个数字元素，其实就是现实世界中一个实体元素的简单抽象。这句话怎么理解？比如大家都习惯网购。当我们在智能手机上滑动购物页面时，其实每个产品的图标都是现实中供应商货架上对应实物的符号化表征。当然，这只是一个简单的表示，并不具备现实世界中相应商品丰富的物理属性，比如3D形状、表面纹理、气味、重量等等。所以，虚拟与现实的二元世界是分裂的。
这种二元性给人带来交互体验上的极大不适。
假设我想买一张桌子。如果我从实体店选择，我一定会从各个角度观察这张桌子是否符合自己的审美。我会打开抽屉看看是什么样子，感受一下桌面是光滑的还是粗糙的，甚至想看看如果放在我的书房会是什么感觉。然而，在当前的互联网应用中，这些基本而重要的用户感官体验大多无法实现。文字、图片等符号信息并不能很好地代表用户对背后物理实体的具体感知和理解。从这个角度来看，元概念技术实际上是在虚拟世界中“再造”一个物理世界实体的深度副本，使其尽可能具有现实世界中相应物理对象的特定属性，如3D形状、颜色、纹理、行为等。(如果未来技术成熟，甚至连触觉和嗅觉都有可能真实再现)。
更重要的是，在元宇宙中，同一个实例在现实和虚拟世界中高度关联。
例如，作为用户，你可以在虚拟世界中创建你的3D角色，包括外貌、体型、语言习惯、动作习惯等。你在现实世界中做的和说的，在元宇宙中，你的化身会同时做和说同样的事情。换句话说，作为主体，你不再是旁观者，而是主角(在游戏中，我们称之为“第一人称”)，并“代入”到虚拟世界的各种互动中。
再者，虚拟世界中的各种人物、物体、场所都可以与现实世界中的相应实体无缝融合，达到虚实融合、沉浸式互动的效果。
作为这样一种新型互联网的运营者，超宇宙在管理形式上不再区分实体和虚拟体，而是“二合一”的运营模式，它所能带来的体验确实能给人类带来无限遐想。
试想一下，如果可以将物理世界中的大部分实体复制成一个可以在虚拟世界中交互的虚拟副本，那么目前人类的大部分生产生活活动都可以在元宇宙的世界中无障碍运行。因此，元宇宙也可以看作是一个新的虚拟平台，支持社交、娱乐、交易、办公、生产、创作和生活。
现实世界中的小明，如何在元宇宙中度过一天？
现在，我们可以大胆想象一个普通上班族在超宇宙中的一天。
小明是一家跨国汽车公司的产品设计经理。上午，小明来到公司会议室召开日常工作进展交流会。当他戴上AR眼镜时，他在全球其他办公室的同事已经“收拾”好了小会议室(与会者的3D虚拟图像已经与会议室场景融为一体)。我们热烈讨论，并不时通过语言和肢体动作表达自己的立场、观点和想法。会议室中间的工作台上，正在展示3D设计方案。设计师通过简单的手势交互，不断调整产品从颜色到局部形状的设计细节，不断优化，设计结果可以实时呈现在虚拟世界中。最后方案敲定，只要一键传输就可以送到处理单元打样。
会后，有些疲惫的小明来到自己的办公室，然后带着VR头盔，选择了一个秘密花园的场景来放松自己。一瞬间，他“来到”了一个阳光明媚、宁静的花园，花园里绿草如茵，红花似锦。环顾四周，看着这些美丽的花朵，毫无疑问，他的心情已经被治愈了一点。很多人都想象过这样的场景，那就是跳出现在的世界，来到一个世外桃源安静一下，哪怕是一分钟。元宇宙的技术为每个人打开了平行宇宙的大门。所有局限在单一物理宇宙中的可能性，都可以在平行宇宙中找到。
当然，对元世界的想象不受物理世界的束缚。
你可以想象，在小明的寂静花园里，各种商品可能挂在高低植物的枝头，而不是果实；小明灿在花园里随意“购买”他今晚想吃的食物和零食，一键支付。甚至，小明灿在某分店脱下自己喜欢的衣服“试穿”，一键切换到第三人称视角，看着自己穿上新衣服，决定买不买。当然，晚上小明下班的时候，在元宇宙买的所有商品都已经快递到他家了。
作为大众，我们可以期待元宇宙对生活和生产方式的深远影响。
沉浸式体验将大大降低人与人之间、人与社区之间的沟通成本，缩短时空距离。试想一下，如果人类绝大多数的工作和会议都可以在虚拟的、沉浸式的场所进行，那么每年世界上可以节省多少汽车和飞机的燃料使用和碳排放？
因为万物都能在元宇宙中找到对应的数字副本，沟通的边界被打破了。在虚拟世界中，你可以和你的宠物进行拟人化的互动，甚至是无生命的物体，生命的形式也可能得到扩展。对于设计和创作的工作来说，在虚拟世界中，创作和制作的效率也会大大提高，而且因为信息发布效率的提高和创作门槛的降低，每个人都是元宇宙的内容提供者。即使是传统的制造业和农业，也会受益于“需求-设计-生产-物流”的虚拟平台，真正实现定制化生产。
「3D互联网」涉及哪些前端技术？
从技术角度来说，有业内人士认为，超宇宙技术应该理解为现有技术的组合升级，可以说是“3D互联网”。到目前为止，这仍然是一个非常恰当和精致的总结。元宇宙涉及的前端技术主要有感知模块、内容创作模块和真实感渲染模块。
倪冰冰课题组供图
其中，感知技术主要包括对环境和用户的情境感知。
前者主要是指场景的三维重建，以及颜色、纹理、光照、材质等细节的还原。以及场景中所有物体的语义理解，包括每个物体的标签属性，场景中人和物的动态动作等。后者主要针对用户建模，实时还原用户的位置、手势和运动状态。目前高端的AR/VR眼镜都有这个功能，也就是常说的“6自由度估计”。主流的SLAM技术可以同时还原观察者的姿态和场景的三维结构。但是目前这些技术的精度和稳定性都不太理想。
元宇宙的一个主要特点就是虚实融合。因此，虚拟内容的生产技术是元宇宙的核心，不受物理世界约束的海量虚拟内容的生成是价值创造的源泉。
由于实时交互和高吞吐量的要求，传统游戏和电影等人工内容生产无法满足元应用的需求。基于人工智能的内容生成技术是目前最热门的方向，基于深度学习，尤其是StyleGAN、BERT-Transformer(VQ)等技术。
目前，计算机已经能够“无中生有”地创造出人物和风景图片、动作视频、3D物体和建筑物。但对于实时性和虚实融合的要求，目前的内容生成技术在保真和编辑方面还有很长的路要走。
当然，渲染技术作为元宇宙的最终输出，直接决定了用户的沉浸式体验质量，真实感渲染技术是元宇宙技术栈的皇冠。目前，真实感渲染技术在好莱坞顶级电影作品(如《复仇者联盟》系列)和大型3A游戏中较为常见，其核心技术是通过光线追迹等方法高精度模拟物理规则。
目前，光线追踪技术已经能够实现假货的全局光照，让用户感受不到周围环境中虚拟物体与真实物体的光照矛盾，而物理模拟则使虚拟空间符合物理规则(流体、碰撞、运动等。)类似于现实世界。但是由于计算能力和功耗的限制，这些技术还没有大规模应用到终端设备上。另一方面，深度学习与传统光线追踪、物理模拟技术的结合应运而生(例如NERF、AI光场重建等。)，旨在降低仿真的复杂度，实现端到端的落地。
除了上面介绍的主要前端技术，运行在后台支撑平台的大规模超级计算技术和在虚拟世界中维护高可靠信用体系的区块链技术也是元宇宙的重要技术支柱。
构建元宇宙需要解决哪些技术问题？
然而，罗马不是一天建成的。要最终实现我们所期待的元宇宙，还有一系列技术问题需要解决。至少，以下关键技术一直困扰着相关领域的科学家和技术开发者。
1.新显示技术
沉浸式体验必然需要沉浸式显示技术。目前在AR/VR显示领域，无论是显示设备还是图像处理和渲染算法，都不能完全满足元宇宙应用的技术要求。市面上大多数主流的AR/VR显示设备(主要是光波导)都存在一些问题，比如重量大、功耗高、分辨率差、色偏严重、经常头晕等。为了获得轻而好的显示模块，需要在材料科学和光学方面取得重大突破。
2.力约束
从计算架构来看，元宇宙一定是一个“云-边-端”的协同模型。然而，目前主流芯片的计算能力储备远远不能满足元应用的要求，无论是在云端还是在终端。尤其是端侧计算能力瓶颈巨大，因为端侧不仅承担了一些智能感知算法，更重要的是承担了虚实融合最核心的真实感图像渲染算法。这种算法需要巨大的计算能力和超低的功耗，目前主流的端侧计算芯片做不到
元宇宙的核心在于无处不在、无时不在的交互，满足了产生大量空间的实时数据通信的需求。5G技术能否完全满足如此高带宽高并发的实时通信，目前还是个未知数。也许我们要等到6G甚至7G时代的到来，才能圆满解决这些问题。
4.新传感器技术
元感知应用对用户情境感知的需求是前所未有的，用户的全维信息感知(如外貌、位置、姿态、运动、各种生命体征，甚至情绪、意图等)需要全方位的新型可穿戴传感器。).
元宇宙将给我们带来无限可能，大众可以准备好拥抱它带来的生活和工作方式的改变，期待更好更精彩的生活。
至于相关企业和投资机构，这里我想说的是，与其热衷于概念炒作，不如静下心来，积极投入到元宇宙相关配套技术的研发中。毕竟，如果我们能够突破芯片、显示器件、传感器和计算架构等关键核心技术，未来将真正不可限量。
作者：倪冰冰(作者是上海交通大学电子系教授、计算机视觉专家、华为海思计算机视觉首席科学家)
编辑：姜鹏
图片来源：文汇报(视觉中国)，佩克斯自由影像。
