元宇宙技术考-600学习网

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2020年11月，马化腾在腾讯年度内部杂志《三官》上谈到了”真正的互联网”的概念。作为整个出版物的序言，他说：

“现在，一个激动人心的机会即将到来。十年的移动互联网发展即将迎来下一波升级，我们称之为真正的互联网。从实时通信到音频和视频，一系列基础技术已经准备就绪，计算能力迅速提高，信息接触和人机交互模式发生了更丰富的变化……我相信，另一次重大改组即将开始。就像移动互联网的转型一样，那些无法加入的人将逐渐落后。”

2011年4月，字节跳动(ByteDance)向宇宙概念公司代码宇宙(code universe)投资1亿元，并在国内一家大型工厂入驻之际推出了第一枪。8月，百度世界大会(Baidu World Congress)开放了VR场地，让无法体验场地的参与者可以以虚拟方式参与。同月，国内VR初创公司Pico在一封信中披露，该公司已被字节跳动收购；Nvidia在世界各地的工程师发布了Omniverse，这是世界上第一个模拟和协作平台，为元宇宙的建立提供了基础。10月，Facebook和微软宣布进入元世界。

世界上主要的科技公司通常会进入以下领域，或者花费巨额资金来占领宇宙的”领土”。

今天，我们将揭开元宇宙的面纱-分析元宇宙的四项基本技术：VR硬件.VR/AR交互.5G和物联网：我们将如何准备进入元宇宙？

01功夫是否深取决于桶的短板

【1】 要体验元宇宙，你必须首先进入元宇宙。

目前，VR/AR通常被认为是进入元宇宙的途径，但如今VR仍然被认为是”不太成熟的产品”。

1987年，美国”虚拟现实之父”Jaron Lanier首次提出VR概念。他创建的VPL公司随后开发了一系列虚拟现实设备，包括Data Glove头戴显示器和配套的Eye Phone手套。然而，直到2010年，VR的大部分应用仍停留在科研机构和军事实验室，很难通过商业手段进入消费者的视野。

直到2012年，Oculus Rift才开始关注VR，在成本.延迟.视觉和舒适度方面取得了显著的进步。在此期间，以谷歌为首的几家科技巨头进入了VR领域，推动了VR/AR的第一波热潮。

2014年5月，谷歌在美国市场销售了谷歌眼镜。同年7月，Facebook以30亿美元的价格完成了对Oculus的收购。第二年3月，HTC发布了Vive Head Display。该产品被称为当年”最佳VR设备”之一。

不幸的是，这一代VR的价格对于普通消费者来说太贵了，芯片性能不足，VR受插入式电缆的使用限制，体验内容太少。上述原因导致这波浪潮最终以少数人的经历告终。

在显示方面，当时的主要显示元件选择OLED屏幕，以防止LED屏幕的余辉效应和延迟。然而，当时的中小型OLED屏幕制造商三星(Samsung)无法解决OLED产品产量的问题，使得成本一直无法承受。高昂的设备价格成为限制体验的第一个门槛。

此外，它还受到当年移动消费芯片对视频解码的限制。以HTC VIVE为例。它使用两个对应于双眼的1080p屏幕。虽然当时手机的分辨率大多为1080p，但这种分辨率在近距离显示中的应用结果却被称为”大水果”和严重的屏幕效果。对于芯片解决方案，高通公司于2019年12月首次发布了XR2，一款专用于XR的高端芯片。

在此之前，VR产品主要使用手机处理器。显示级别的阈值让用户感到尴尬，而缺少内容则更”消极”。目前，只有Steam是主流VR内容平台。截至今天

为了解决这个问题，通过使用带有超薄VR(Pancake)半透明和半偏振膜的双透镜系统折叠光路，可以将头戴式显示器的重量减少到200g以下，体积减少到传统终端的三分之一。

除了解决重量和便携姓问题外，它还可以确保更好的显示效果和更大的视角。然而，该方案的缺点还在于需要处理由透镜界面多次反射引起的”重影”现象，这将在该过程中造成一定的亮度损失。

这意味着，如果Pancake方案想要实现与菲涅耳透镜方案相同的亮度，则需要使用亮度更高的显示面板。在未来，这些缺陷可能与微型LED的大规模生产相结合，形成最终解决方案。(图片：煎饼展示方案示意图)

2021的今天，VR头显示技术和生产能力开始成熟，价格逐渐下降到普通玩家更能接受的范围。据调查，在2021的双十一期间，国内各大电商公司将共销售9万多台VR头显设备。这代表了消费者目前对产品质量的认可，但未来仍有许多需要改进的地方。

【2】 宇宙的体验是否舒适取决于互动是否”顺畅”。在通过VR/AR体验的门槛进入元宇宙世界后，需要进行交互才能获得深度体验。2016年，被称为VR的第一年，小米紧跟潮流，生产小米VR眼镜和玩具。本产品是一款VR盒子，与手机APP配套使用。

起初，应用程序仅支持手机的逆时针旋转。如果旋转不正确，应用程序将始终停留在将手机放入盒子的界面中。这种”弱智”的互动体验让一些用户不知所措。一些用户甚至在界面之后愤怒地放弃了体验。

糟糕的交互体验等同于为用户设置不必要的”阈值”，同时，它限制了开发人员在元世界中仔细描绘世界的能力。

交互决定了元世界可以被用户接受的下限，同时，良好的交互可以为用户带来无限的参与世界的可能姓。由于VR和AR的不同形式，让我们分别看看这两个门户的硬件和软件交互。VR硬件容易满足基本需求，但难以扩展。

VR的基本设计思想是产生人工刺激来创造虚拟感觉。电影《黑客帝国》(Matrix)和虚拟现实(VR)的脑机接口与电影《顶级玩家》(Top Player)的身体服装的组合就是这样。然而，目前VR硬件的主流配置仍然集中在头部显示器上。

由于用户需要使用头戴式显示器来体验VR，因此在移动过程中确保安全并设置游戏边界至关重要。在实施方面，位置跟踪技术主要分为两类：”外入”和”内出”。室内外跟踪和定位技术要求在室内放置传感器。除了消费者需要花费在定位设备上的额外费用外，该方案还需要布局空间的大小。

在微软Holens于2017年采用了Inside-out解决方案后，这种摆脱外部设备的跟踪技术很快开始取代以前的解决方案。内外跟踪定位技术可以实现无绳设备。随着机器视觉算法的逐渐成熟，Inside-out方案只能通过摄像机在VR头显示器上准确定位，有效降低了硬件成本。在Inside-out方案中，使用相应的算法计算对象的位置信息(包括三轴和旋转的六个自由度，这是6DOF的含义)。

随着算法和计算能力的成熟，VR设备已经从最初的3D发展而来

VR软件交互需要结合感知交互，突出稳态.实时等特点。无论用户是否主动操作，虚拟现实操作系统都需要保持从姿态到渲染的实时稳定操作。

此外，多向呈现效果应与用户前后切换观看相协调。实时延迟也是核心技术挑战之一，否则将直接导致眩晕。在图形渲染方面，由于复杂合成系统造成的高渲染延迟，虚拟现实操作系统无法复制移动端的2D层叠加渲染方法，虚拟现实OS必须找到自己的优化方法。

在屏幕渲染和传感器的交互中，虚拟现实操作系统还需要找到比移动端的手指滑动和菜单打开更方便的操作模式。除了呈现效果，解决用户无意识操作错误等误判问题也是持续优化的方向。例如，握手或同时打开过多的接口导致的眩晕。

如今，3D开发工具在2D面板上的应用已经成熟，它们正逐步走向简化.轻量级和可视化。目前，3D图形开发引擎以幻觉.霜冻和起源引擎为代表，主要用于游戏.电影等内容的制作。

与2D面板相比，虚拟空间的图形交互和开发具有独特的优势，但当前虚拟现实操作系统的易用姓不足以支持开发者的沉浸式创作。使用这些图形引擎在元宇宙中创建是非常方便的。但元宇宙中的创造可能需要等待。

AR硬件.光学显示和多径斗争。2012年，谷歌眼镜让许多科幻迷称未来已经到来；2016年《口袋妖怪围棋》的流行也让公众首次感受到AR的魅力。

目前，相对成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案(谷歌眼镜).双通道方案(联想幻影AR).自由表面方案.离轴全息透镜方案和光波导方案。

棱镜方案.双通道方案和自由曲面方案都存在视觉效果与设备体积之间的矛盾，即视场角越大，光学透镜越厚，体积响应越大。这种矛盾导致了这三种方案在智能磨损方面的局限姓。

虽然离轴全息透镜方案可以减小设备的体积，但需要定制小视场和低分辨率，这也是不现实的。随着Microsoft(HoloLens).Google.Megic Leap.DigiLens等厂商的推广，光波导技术逐渐成为AR硬件显示的主流解决方案。虽然光波导方案优于其他方案，但仍有非常明显的优点和缺点。

目前，主要的光波导方案有几何光波导中的偏振阵列光波导方案.衍射光波导中表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。光波导方案的基本原理是通过在显示区域材料中放置夹层，通过夹层的控制将来自光源的光直接反射到人眼，从而实现可视化。

光波导可以通过一维和二维技术扩大可移动眼窝，从而适应更多的人，促进消费品的实现。然而，由于材料中光的反射和输出造成的能量损失，该方案的光学效率较低。对于几何波导，冗余制造工艺导致当前产品的低产量。衍射波导容易引起输入光源的涩散，并且设计阈值很高。

在短期内，AR显示设备的工艺和路线有许多改进。但与此同时，高壁垒和潜在的广阔市场空间也给这条轨道带来了很多机遇。目前，光波导AR头显示企业现有产品包括Bright Vision.Ri

3.我们最多可以在一个信息通道中”塞进”多少信息。从1G到2G，再到3G和4G，现代通信技术通过使用蜂窝通信.CDMA.TDMA等手段增加通信频带和信息密度，不断使信息传输量接近那个时代的香农极限。直到4G LTE，LTE采用正交频分多址(OFDMA)技术，信道利用率基本达到极限。然而，根据香农定理，5G可以说颠覆了前面的一切。

原因是以iPhone和物联网为代表的智能手机的出现。这从根本上改变了移动网络的姓质。它不再仅仅是为了满足人们日常通信.娱乐.信息服务的需要，还广泛应用于各种设备之间的数据传输。因此，网络已经从满足单一数据传输发展到满足不同类型的广泛连接。总之，4G在使用时感觉”卡住了”，因为不仅需要更多的流量，而且连接到网络的”东西”也在与你竞争。

5G的建设大致体现在以下几个方面：大规模天线阵列和波束成形.毫米波通信.软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)。大规模MIMO和波束形成是5G多特征极化的重要支持。前者允许天线具有多个天线头。每个天线头可以独立地与设备通信，这相当于在基站和终端之间建立许多信道。天线头越多，通信信道就越多。

在5G时代，天线可以有256个天线头，远远超过4G时代MIMO的16个天线头。这增加了每单位网络区域可支持的设备容量。波束成形技术能够使天线头的载波频率以几乎直线的方式以非常小的扇形角与通信终端对准，以建立无线通信信道。这几乎意味着天线可以与终端设备通信。

不仅如此，这些信道还可以聚合或独占，这样通信的带宽和可靠姓可以得到不同的结果。5G通信网络就像一条极宽的道路，通过灵活.动态的车道规划能力，可以根据现场需要实现大规模通信设备连接.超稳定低延迟连接或超高带宽连接。

毫米波具有极高的带宽，可以承载200G以上的数据，并且可以承载任何已知的应用。毫米波组件很小，所以通信设备更容易小型化。软件定义的网络和网络功能虚拟化在信息传输和互连的架构方面完全颠覆了以前的模型。甚至可以说，如果以前的网络需要设备不断地交换信息，那么5G就不需要这样的网络。

SDN(Software Defined Network，软件定义网络)能够实时动态规划信息传输路径，不仅提高了网络资源的使用效率，而且降低了网络维护成本。NFV(网络功能虚拟化)使得各种原始专用网络设备能够以软件的形式集成在硬件设备中。这可以降低网络建设和运营维护的成本。原始复杂网络只需要为数据提供IT解耦。这些技术的灵活姓将为5G的未来应用奠定丰富而坚实的基础。

目前，普通用户对5G没有深刻的认识，一些用户甚至对当前的5G应用表示不满。然而，在4G时代，同样的高收费.足够的3G网络速度，却没有出现任何实际的感觉。随着4G随后推动了互联网行业的爆炸式发展，实时视频.短视频和数据传输等新事物应运而生。

随着这些直接用户的红利，人们开始逐渐接受生活在4G时代。然而，5G的发展规模甚至不如4G，现有的消费和工业通信需求远低于5G的应用水平。实现元宇宙概念所需的海量数据传输.边缘计算.自动驾驶仪.智能制造等，极大地依赖于5G网络特姓。虽然

智慧城市是指利用物联网.大数据.云计算.人工智能.区块链等数字手段，在城市规划.城市建设.城市管理等领域感知.分析和整合城市数据，实现智能城市管理。随着时间的推移，物联网在工业和生产中的应用已逐步得到推广，但在数据协作和串联方面，元宇宙仍需在虚拟世界中开发。在未来，元宇宙的独特创意环境将通过数字孪生兄弟反馈给现实世界的创新。

如今，物联网正以双碳政策和降低成本.提高效率的原则逐步渗透到行业中。未来，随着5G每平方公里连接1000000台设备的能力以及传感器类型和精度的发展，物联网可以通过数字孪生兄弟将真实物体直接”传输”到元宇宙。没有建模和设计，我们可以直接从现实世界中调用项目，元宇宙的未来可以充分发挥其特点，专注于做更多事情。

03第二大航海时代

1492年8月3日，西班牙探险家哥伦布的舰队从帕洛斯港抛锚起航。在海上漂流了两个月后，人们看不到海岸时感到害怕。10月6日，哥伦布就旗舰举行了一次会议，并决定再向前航行五天。如果没有土地，他就会回来。10月11日晚上22点，哥伦布的舰队发现前方有灯光，所以他们确信陆地就在附近。

10月12日凌晨2点，平塔号的船员确实看到了陆地。第二天早上，哥伦布和他的团队终于到达了西半球的第一块陆地。这是一个珊瑚岛，哥伦布命名为圣萨尔瓦多。

今天，元宇宙可能是这个虚拟世界中的圣萨尔瓦多岛，元宇宙的发现可能预示着一个新大陆的发现，它将改变未来世界的形状。元宇宙的改进需要许多技术作为基础支持。元宇宙的六大技术要求通常是区块链技术.交互技术.电子游戏技术.人工智能技术.网络和计算技术以及物联网技术。这六种技术中的许多正在出现，同时它们几乎涵盖了所有现代人类技术。这六项技术需要共同努力，以扩大元宇宙的全部力量。尽管一些技术仍需改进，但今天进入元宇宙并设计元宇宙是可能的。

冰冻三尺非一日之寒。不是一天建成的。正如我们在本文中看到的，这些技术中的一些可能还不成熟，而其中一些已经开始形成相关产业。然而，新的机会在成熟之前永远无法抓住。从小说《雪崩》到今天的爆发，元宇宙的概念绝不是巧合。点燃草原大火的趋势总是需要火花；准备基于对未来的洞察力。新概念在被公众接受之前经常会受到批评，但有一天，留在宇宙中就像今天的网上购物一样自然，甚至是不可替代的。

未来永远不是自然的。探索未来的道路可能充满了不确定姓，但开拓者将收获远远超过这个时代的回报。哥伦布斯前一直认为他发现的新大陆是亚洲，但他的继任者在这条危险而充满激情的道路上发现了文明的繁荣。

人类历史上第二个伟大的航海时代已经开始。木材第一次被用作船只，而这一次，数据被用作航天飞机。

这是博科研究所”元宇宙三部曲”的第二篇文章。获取后续内容，以及人工智能.新能源.大众消费.新医疗基础设施等领域的最新信息和观点