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【行業資訊】元宇宙vs. 數字孿生:技術演化的視角

發布時間:2021-11-01 文章來源:鴻宇科技 瀏覽次數:66

       近幾個月來元宇宙概念的爆火,與近幾年來數字孿生的大熱,兩種現象之間有哪些異同?

       元宇宙究竟是概念炒作的科幻噱頭、資本割韭菜的利器,還是代表了互聯網的未來,亦或兩者都有?

       “脫胎于現實世界、又與現實世界相互影響、且始終在線的虛擬世界”的元宇宙,與“虛實映射、實時連接、動態交互”的數字孿生,貌似有很多相同點,但又不太一樣,兩者之間究竟是什么關系?

       本文擬從技術演化的視角,對比分析元宇宙和數字孿生兩個概念,并對這兩項技術,特別是元宇宙的未來發展做一展望。

01
Metaverse的技術時間線

       在進入正題之前,有必要梳理一下Metaverse元宇宙的時間線,特別是那些目前市面各種解讀文章不太關注、卻又有價值甚至很重要的技術相關事件,作為對投資收購上市等商業事件時間線的補充。

       1992 年,Metaverse作為科幻概念被首次提出。美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森在其著作《雪崩》中給出一個賽博朋克式(Cyberpunk,極低生活水平和極高技術水平的結合)的設定,人類可以通過數字替身(Avatar),在一個使用現實世界隱喻的三維虛擬空間中與彼此和軟件代理進行交互,現實世界的所有事物都可以被數字化復制到這一空間,作者將這個虛擬空間稱為Metaverse。

       1994年,紐約大學向美國專利局遞交了《Method and system for scripting interactive animated actors》的優先權;1997年正式提交申請;2001年得到專利授權US6285380。這是全球第一個在專利說明書中提到尼爾·斯蒂芬森的《雪崩》和Metaverse的專利。目前全球大約有300個專利申請或授權在專利文本中提到metaverse,按專利權人分布如表1所示。


表1 專利文本中提到metaverse的專利權人分布(數據來源:谷歌專利)

       2003年,林登實驗室推出了第二人生。該項目的既定目標是創建一個用戶定義的世界,例如 Metaverse,人們可以在其中互動、玩耍、開展業務和進行其他交流。

       2007年,加速研究基金會(Acceleration Studies Foundation)發布《Metaverse 路線圖——通往三維網絡的途徑:一個跨行業的公共前瞻項目》報告。

       2007年7月,瑞士洛桑舉行的第81屆MPEG會議上,韓國向MPEG工作組(原ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11)提交Metaverse案例提案。這是Metaverse首次進入國際標準化領域。

       2007年,第一本元宇宙相關專著《The Second Life Herald: The Virtual Tabloid that Witnessed the Dawn of the Metaverse(第二人生使者:見證元界黎明的虛擬小報)》出版。

       2007年底,IBM向美國專利局遞交了《Rules-based profile switching in metaverse applications》專利申請,這是全球第一個專利標題中提到Metaverse的專利申請。該申請2009年公開,但未授權。目前全球有21個專利申請或授權在專利名稱中提到metaverse,按專利權人分布如表2所示。


表2 專利名稱中提到metaverse的專利權人分布(數據來源:谷歌專利)

       2008年初,IBM向美國專利局遞交了《System and method for group control in a metaverse application》專利申請,2015年拿到授權US8990707,成為全球第一個專利標題中提到Metaverse的授權專利。該專利的PCT申請2009年初同時進入日本和中國,2015年拿到日本專利授權,但其中國申請《虛擬實境應用程序中群控制的系統和方法》(CN101482900A)一直未授權。

       2008年10月至2011年3月,由飛利浦和以色列智庫MetaverseLabs發起的歐盟ITEA項目Metaverse1成功運行。該項目的成果之一是ISO/IEC 23005系列標準,旨在真實物理世界和虛擬世界之間定義標準接口,以實現虛擬世界和現實世界之間的連接、信息交換和互用。

       2011年,ISO/IEC 23005-1(Media context and control — Part 1: Architecture)第一版發布,是第一個在標準文本中提到Metaverse的國際標準。2020年,ISO/IEC 23005-1第四版發布。

       2019年,IEEE標準協會發起P2888項目(Interfacing Cyber and Physical World),邁出了開發連接物理世界和虛擬世界、構建同步元宇宙的標準體系的第一步。作為ISO/IEC 23005系列標準的補充,IEEE 2888包括四個部分:傳感器接口(Specification of Sensor Interface for Cyber and Physical World)、執行器接口(Standard for Actuator Interface for Cyber and Physical World)、數字化同步(Orchestration of Digital Synchronization between Cyber and Physical World)和六自由度虛擬現實災害響應訓練系統架構。前三部分旨在為數字孿生空間或元宇宙提供通用技術,第四個標準是特定領域的應用。


圖1 IEEE 2888系列標準架構(來源:IEEE SA)

       2021年,韓國成立全國元宇宙聯盟,目標是建立統一的全國VR和AR 平臺。

       把上述專利、標準、開源項目等Metaverse技術研發相關的時間線,與谷歌趨勢反映的結果相比較,我們看到,雖然近一年和近五年的Metaverse的谷歌趨勢都是中國貢獻的流量第一,但把時間放長,2004年至今的谷歌趨勢(圖2)是韓國獨占鰲頭,而且2007前后的相對高坡與上述技術時間線反映的情況基本一致。


圖2 2004年至今的Metaverse谷歌趨勢

02
Metaverse術語及其定義解讀

       目前大部分人都人云亦云地把Metaverse直譯為元宇宙,相信meta就是“元“的意思,認為verse就是universe是宇宙的意思。要知道,meta-這個前綴在英文中有兩、三種意思,包括:

       改變,例如metabolism新陳代謝、metamorphism變形/變性、metaphor隱喻等;

       超出,繼/位于/接著…之后,更高級形式的,二階的,例如metaphysis形而上學、metadata元數據、metamodel元模型等。

       在化學里,meta-還有“介”、“間(位)”、“偏”的意思。

       中文用“元”(指本源、本質)來翻譯meta-,并不能覆蓋所有情況,Metaverse就是如此。元宇宙,聽上去是個理論物理學或宇宙學概念,是關于宇宙本質本源或多重宇宙的宇宙。但Metaverse不是關于宇宙的宇宙,而是超越現實的虛擬世界。所以,“超界/超世界”才是更準確的翻譯。由于VR/AR/MR技術的發展,我們在現實世界外,構建了一個虛擬世界,它延展或超越了現實世界,即“超世界”,叫成“超宇宙”也可以。把Metaverse譯為元宇宙,是個容易誤導人的不理想的翻譯。由于市場的力量足夠大,我們只能暫且延用元宇宙的說法。

       目前,維基百科對Metaverse的定義是比較公認的定義之一,它來自上文提到的2007年發布的《Metaverse 路線圖》?!禡etaverse 路線圖》給出了Metaverse的五個定義,其中第一個被維基百科采納。今年5月,美國技術未來學家凱茜·哈克爾訪談了20位專業人士,收集發布了20個Metaverse的新定義。表3整理了從2007年至今的部分元宇宙定義。


表3 元宇宙定義的演變

       關于Metaverse的內涵,正如大家現在看到的,三十年來,Metaverse早已脫離了早期科幻小說賽博朋克的設定,通過嚴肅認真的科技研發投入和商業運作,首先進入了與大眾生活密切相關的游戲娛樂領域,其概念內涵一直處于不斷的演變過程中,各種說法層出不窮,尚沒有權威統一的定義。

       我們知道,一個規范的術語條目定義,是區別特征加上上位概念。先來看元宇宙的區別特征。距離元宇宙最近、與元宇宙最相關的概念,肯定是虛擬現實、增強現實和混合現實,或者說是這些技術的應用,比如元宇宙和多年前的大型多人在線角色扮演游戲——第二人生有什么區別?目前各大廠和游戲廠商推出的元宇宙應用,與虛擬現實+社交、虛擬現實+游戲和虛擬現實+購物究竟有什么區別?

       梳理表3的各種定義,我們可以總結出(未來的)元宇宙和上述技術或應用的三個區別特征:

       持久性。元宇宙將與人類文明共存,必須能永遠存在,即表3多個定義提到的persistence一詞。不能因為某個公司的破產,而影響了元宇宙的存續。

       去中心化。類似互聯網的HTTP協議,接入元宇宙,必須有一個開源共享協議。這一協議和相關規則的制定權、解釋權不能屬于某個公司或者國家。

       協同進化。類似于數字孿生系統中的數字孿生體及其對應的物理實體之間是實時連接、動態交互的關系,從元宇宙中的虛擬人物和現實世界的真實人個體,到兩個世界的群體組織,都需要相互連接、相互影響、協同進化。

       上述三個區別特征,既是元宇宙與其他現有技術和應用的本質區別,實際上也是人類未來構建元宇宙所要滿足的需求指標。

       那元宇宙究竟是一種什么東西?它的上位概念是什么?是維基百科定義中的虛擬共享空間嗎?亦或臉書、騰訊等大廠心目中的下一代互聯網?對這個問題的回答,實際上涉及到人類構建元宇宙的終極目的。例如,為什么人類需要游戲?為什么人類需要虛擬空間?元宇宙究竟解決了人類的什么問題和需求?科普作家汪詰認為,元宇宙的本質是一場現實世界與數字世界的接口革命。這一觀點正好應和了IEEE 2888系列標準要解決的問題。

03
技術系統分析

       有了上述元宇宙的三個區別特征或需求指標,我們就可以開始為元宇宙這個未來的復雜體系進行技術系統分析。

       Beamable公司創始人Jon Radoff提出了元宇宙的七層架構(圖3):基礎設施、人機交互、去中心化、空間計算、創作者經濟、發現和體驗。


圖3 元宇宙的七層架構(來源:Jon Radoff)

       元宇宙的最底層是基礎設施。包括支持我們的設備、將它們連接到網絡并提供內容的技術,如5G/6G、芯片、電池、圖像傳感器等等。

       第二層是人機交互層。這一層主要是智能可穿戴設備。目前索尼、微軟、Oculus、三星等公司生產VR/AR用頭盔好比移動互聯網早期的大哥大。很快我們將擁有:可以執行智能手機所有功能以及AR和VR應用程序的智能眼鏡;集成3D打印的可穿戴設備的服裝;印在皮膚上的微型生物傳感器;甚至腦機接口。計算機設備越來越接近我們的身體,將我們變成半機械人——賽博格(cyborg)。

       第三層是去中心化層。這一層是構建元宇宙人與人關系的重要轉折,通過這一層,可以把元宇宙的所有資源更公平的分配。分布式計算和微服務為開發人員提供了一個可擴展的生態系統,讓他們可以利用在線功能而無需專注于構建或集成后端功能。圍繞微交易進行優化的NFT和區塊鏈技術將金融資產從集中控制和托管中解放出來。遠邊緣計算將使云以低延遲啟用強大的應用程序,而不會給我們的設備帶來所有工作的負擔。

       第四層是計算層。這一層將真實計算和虛擬計算進行混合,以消除物理世界和虛擬世界之間的障礙,提供了3D引擎、手勢識別、人工智能等等,都是一些提供算法的企業。

       第五層是創作者經濟層。這一層包含創作者每天用來制作人們喜歡的體驗的所有技術,以去中心化和開放的方式為獨立創作者提供一整套集成的工具、發現、社交網絡和貨幣化功能,使前所未有的人數能夠為他人創造經驗。

       第六層是發現層。類似于互聯網的門戶網站和搜索引擎,這一層提供將人們引入新體驗的推和拉。這是一個龐大的生態系統,也是許多大企業最賺錢的生態系統之一。

       第七層,也就是頂層,是體驗層。這里是用戶直接面對的游戲、社交平臺等。許多人把元宇宙想象成是圍繞我們的三維空間;但元宇宙不必是 3D 或 2D 的,甚至不一定是圖形的;它是關于空間、距離和物體等物理空間的非物質化。

04
技術演化分析

       從上述元宇宙的七層架構可以看出,元宇宙是個比數字孿生更龐大、更復雜的體系。如果數字孿生還算是個復雜技術體系的話,元宇宙從一開始就是個復雜的技術-社會體系。兩者有不同的技術發展和演化路徑。數字孿生是起源于復雜產品研制的工業化,正在向城市化和全球化領域邁進;而元宇宙起源于構建人與人關系的游戲娛樂產業,正在從全球化向城市化和工業化邁進(圖4)。


圖4 元宇宙和數字孿生不同的技術演化路徑

       雖然元宇宙和數字孿生都關注現實物理世界和虛擬數字世界的連接和交互,但兩者的本質區別在于它們的出發點完全不同。元宇宙是直接面向人的,而數字孿生是首先面向物的。

       雖然Metaverse這個詞比Digital twin的概念原型的出現早了十年,但數字孿生技術體系的成熟度和國際標準化工作進展遠高于或快于元宇宙(圖5)。數字孿生技術在經歷了技術準備期、概念產生期和應用探索期后,正在進入大浪淘沙的領先應用期,即圖5高德納技術炒作曲線的谷底期;而元宇宙還處于技術準備期和概念產生期的早期階段,即圖5高德納技術炒作曲線左邊爬坡段的起點,還有至少二三十年漫長的技術研發、標準體系、道德和法律監管、乃至大國博弈等漫長的道路要走。


圖5 元宇宙和數字孿生技術成熟度對比

       雖然和VR/AR技術的親密關系相比,數字孿生與元宇宙兩大技術體系的距離沒那么近,雖然《元宇宙通證》一書給出的元宇宙六大技術全景圖中壓根兒沒提數字孿生,但是可以預見,數字孿生將很快成為元宇宙技術體系中的基礎技術。

       像《頭部玩家》、《堡壘之夜》這樣的所謂元宇宙環境是與現實空間完全分離的科幻世界。即使它們是以現實世界為模型的,在元宇宙中發生的事情不會反映在現實中,反之亦然。而數字孿生技術為元宇宙中的各種虛擬對象提供了豐富的數字孿生體模型,并通過從傳感器和其他連接設備收集的實時數據與現實世界中的數字孿生化(物理)對象相關聯,使得元宇宙環境中的虛擬對象能夠鏡像、分析和預測其數字孿生化對象的行為,將極大豐富數字孿生技術的應用場景(從物聯網平臺到元宇宙環境)和數字孿生系統的復雜程度(從系統級向體系級擴展)。

05
結語

       雖然最近元宇宙的概念(股)被爆炒,但它確實代表了下一代、下下一代互聯網的發展方向。加上數字孿生技術的加持,兩大技術體系將在未來第四次工業革命中相得益彰、大放異彩。


圖6 約翰·惠勒的萬物源自比特


圖7 目前對時空關系、現實和虛擬的一種認識(來源:INRS)

       筆者在《新一輪科技產業革命視角下的數字孿生體》一文中提到,理論物理學家約翰·惠勒提出了萬物源自比特,如果未來這一論斷被證明或驗證,或泰格馬克的數學宇宙被證明或驗證的話,我們都將對虛擬和現實、物理和數字(化)有更本質的認識。到那時,Metaverse一詞,也將從超越現實的虛擬世界——超界,回歸其關于宇宙的宇宙——元宇宙的本來面目,也將是一件幸事。

原創:數字孿生體實驗室 作者:段海波
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