梳理元宇宙背后技术支撑:区块链、游戏化、网络计算与显示

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元宇宙很难靠单一的技术突破而实现,它的实现一定是多个技术协同发展共同作用的结果。

原文标题:《概念热炒的当下,人人都在定义的元宇宙究竟靠哪些技术作支撑?》
撰文:MetaverseHub

关于元宇宙的故事似乎还可以讲很久,毕竟元宇宙的落地总有种让人摸不着边际的感觉,但事实真的如此吗?

尽管元宇宙在之前 A 股热潮时涌现了许多与元宇宙相关的技术出现,也有人称其为「所有技术都与元宇宙相关」,更神奇的还有海外极客给出的一张非常有代表性的图片。

梳理元宇宙背后技术支撑:区块链、游戏化、网络计算与显示

通过上图我们发现,那些 2020 年的独立创业赛道,到了 2021 年似乎都可以和元宇宙挂上钩,甚至当我们第一眼扫过去时,会发现好像事实真的如此,但我们不禁会问,真正的元宇宙究竟需要怎样的落地技术支撑,与其他技术又会如何结合?

为此我们尝试从元宇宙的四大基本要素「BAND」的维度为大家梳理下元宇宙的落地技术(4 个大方向,19 个细分领域),当然,这里的 BAND 是比较广义的指代,与某些报告中的可能有所出入。

Blockchain (区块链)

首先,我们认为,区块链应该是构成元宇宙比较重要的一环,比较元宇宙的出圈离不开一些区块链从业者的布道,因此我们先从区块链技术讲起。

区块链技术

这里的区块链技术主要是指非常底层的概念性分类,也就是大家更加熟知的公链、联盟链、私有链,可以说他们是区块链最底层的一个分类,也是我们需要率先了解的东西,正是因为有了他们,才构成了区块链这样广袤的新赛道和新技术,也才让区块链技术有了基础应用。

简单来说,公有链是对所有人开,任何人都可以参与;联盟链只对特定的组织团体开放;私有链主要对个人或实体开放,三者的包容性依次递减,基本我们熟悉的区块链都分不开这三类,因此他们是我们对区块链基础的认知。而区块链还有另一个最大的特点便是去中心化且不可篡改,因此可以传递价值和权益,所以区块链又叫做价值互联网,而这也是让元宇宙更有价值更有真实感的最重要的基础。

区块链底层基础设施

而谈到元宇宙的应用,最核心的一个需求是它应该不是被一个主体所控制的,而应该是去中心化的。因此,我们不得不提到一些区块链领域特有的赛道,包括去中心化存储、去中心化网络传输和去中心化计算。正如字面意思,作为一个元宇宙平台,我们需要借助这些去中心化的底层技术来保证平台使用的安全,而不至于沦为中心化控制的工具,这对元宇宙的发展来说,至关重要。

智能合约技术

而谈到区块链的应用,我们不得不提到智能合约,作为区块链当下最重要、最基础的功能,可以说已经覆盖了我们几乎使用的所有区块链应用,不管是 Dapp、NFT、或者 DeFi,甚至各类 GameFi,都依靠着智能合约才能有效运行。

当然,智能合约的发展也关系着下面我们提到的资产转账效率,尤其是元宇宙中的数字资产,如果效率太慢或者转账费用太高,用户体验会大大折扣,这点在以太坊身上已经让不少人感触颇大,因此我们也需要关注智能合约的发展,包括 EVM 或者 Wasm 合约的进展。

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加密资产标准

元宇宙中有一个比较重要的概念,他们构成了区块链里非常重要的资产环节,甚至也因为这个标准产生了像 NFT 这样的应用,我们常常称其为「加密资产标准」,比如我们熟知的 ERC20 标准,或者 ERC721 标准等,这个标准定义了不同资产的交互,在未来才可能成为元宇宙中数字资产流通的基础。

或者说,我们可以理解为,加密资产的标准就好比美元和欧元的汇率一样,只有这样的前提存在我们才可能完成元宇宙中各类资产的顺利流通,而不会像现在各类游戏道具一样,只能在一个领域流转,这也是为什么我们需要借鉴区块链的去中心化,资产端也是另一种体现。

隐私计算

对区块链来说,有一块特殊的领域,甚至可以说是一些极客开发者热衷挑战的方向,隐私计算或者和隐私相关的东西总是让人觉得有必要,甚至在互联网越来越发达的今天,隐私相关的概念也越来越受到关注,而区块链作为密码学领域的重要扩展,有望带来更多的可能。

而元宇宙中对隐私的需求,似乎更为重要,因此当 Facebook 宣布要进入元宇宙领域时,用户对其隐私保护的担忧可能不亚于当年「斯洛登事件」,这也是为什么我们需要隐私计算的原因,而区块链里的一些从业者现在正走在隐私保护的创业路上,不管是零知识证明、可信计算、多方安全、AI 联邦学习,他们在未来可能都会成为元宇宙中的「特色路线」。

区块链应用

最后,我们自然要说到大众更熟知的应用上来,毕竟用户最终使用的产品才是与元宇宙最直接相关的东西,不管是 DeFi、NFT、GameFi,他们都或多或少都与元宇宙有了融合,像我们熟知的 Axie Infinity、Decentraland,他们的出现和普及揭开了元宇宙的一部分面纱,为我们展现了一些触手可及的区块链给元宇宙带来的惊喜,不过这场大幕才刚刚拉开帷幕,我们可以有更多期待……

Game (游戏化)

游戏引擎

游戏引擎是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些交互式实时图像应用程序的核心组件,包括渲染引擎(即「渲染器」,含二维图像引擎和三维图像引擎)、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理等等。

这些系统为游戏设计者提供各种编写游戏所需的各种工具,其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程式而不用由零开始。简单来说,游戏引擎就是游戏所需的各种现成的要素和工具的集合,提供游戏所需的各种半成品,再由游戏设计师将内容添加进各种半成品最终做成一款游戏,而无需从最基础的代码做起。

而游戏引擎的发展,将会决定我们在元宇宙中的图像的发展以及让我们有更加真实的体验。就像我们看一些海外大片里有许多以假乱真的特效,但这些特效都是由特效公司专门针对电影的画面进行的调整,工作量已经很大了。但是随着游戏引擎的发展,可以把游戏内的画面做出能以假乱真的效果,相信在不久的将来,当我们通过一些 VR 设备进入到元宇宙,所看到的世界是一个可以媲美电影级画面的虚拟世界时,我们的眼睛甚至会欺骗我们这是在真实的世界中而不是一个虚拟的世界。

梳理元宇宙背后技术支撑:区块链、游戏化、网络计算与显示图片来源于虚幻引擎 5 4K 画质 PS5 实机演示

实时渲染

实时渲染,也是游戏引擎相关的重要技术,在了解实时渲染之前,我们需要先了解渲染是什么。渲染是处理器将需要计算的画面信息,计算并「绘制」在显示屏幕上的过程,也就是让计算机画出所要求的画面。这其中就主要分为离线渲染与实时渲染。

离线渲染,就是在计算出画面时并不显示画面,计算机根据预先定义好的光线、轨迹渲染图片,渲染完成后再将图片连续播放,实现动画效果。实时渲染,是指计算机边计算画面边将其输出显示,优点是可以实时操控,缺点是要受系统的负荷能力的限制,必要时要牺牲画面效果来满足实时系统的要求。

正如刚才介绍实时渲染时所说,往往会需要牺牲画面效果来满足实时画面输出的要求,由于元宇宙是十分重视实时交互层面的,因此,实时渲染技术会是影响我们在体验元宇宙时,感知到真实度与否的最直接的技术之一。

目前,比较前沿的实时渲染技术是光线追踪技术,以及 DSLL 2.0 (深度学习超采样)技术。光线追踪,是一种基于模拟真实光线弹射路径渲染成像的技术。我们可以通过还原现实光线的实际动态,能够获取改进的阴影效果、准确的全局照明、以及超逼真的反射效果。

梳理元宇宙背后技术支撑:区块链、游戏化、网络计算与显示图片来自:Watch Dogs Legion Ray Tracing On vs. Off DLSS Balanced,右画面为开启光线追踪后的效果

而 DSLL 2.0 则是一项开创性 AI 渲染技术,它利用 GeForce RTX™ GPU 上的专用 AI 处理单元-Tensor Core 将视觉保真度提升至全新高度。DLSS 利用深度学习神经网络的强大功能提高帧率,为游戏生成精美清晰的图像,一举打破了以前性能和画面无法兼得的窘境。

梳理元宇宙背后技术支撑:区块链、游戏化、网络计算与显示图片来自:「4K 60FPS」《堡垒之夜》- 4K 分辨率下 NVIDIA DLSS 实机对比演示)

建模技术

正所谓工欲善其事必先利其器,想要建设出千变万化多姿多彩的元宇宙,需要大量建模来丰富元宇宙,自然一款好的建模软件是必不可少的。

而对于集硬件与软件技术于一身的英伟达来说,建模正是他们擅长的领域。在今年 4 月的英伟达 GTC 大会上,黄仁勋似乎是在自家厨房做了主题演讲,直到 4 个月后的 8 月 2 日,英伟达官方才公布原来那次的主题演讲,有一部分是虚拟的,虚拟的场景虚拟的黄仁勋,竟然欺骗了全世界 4 个月,这俨然就是一场开在元宇宙的发布会。

随后,英伟达于 2021 年 8 月 10 日正式宣布,全球首个为元宇宙建立提供基础的模拟和协作平台——NVIDIA Omniverse 将通过与 Blender 和 Adobe 集成来实现大规模扩展,并将向数百万新用户开放。

而对于元宇宙,英伟达有一个清晰的路线图:第一阶段,做得逼真。 利用 CG 技术和实时光线追踪渲染技术把数字人做得像真人一样,比如发布会上出现 14 秒的黄仁勋数字人分身。这一阶段的代表技术就是 Omniverse,「已经非常成熟到位」。第二阶段,通过要素驱动数字虚拟人。第三阶段,实现真实和虚拟世界的交互,包括数字人和真实人类之间,以及数字人和数字人之间的沟通交互。

当然,瞄准建模技术入局元宇宙的公司肯定不止英伟达,随着建模技术的不断迭代,也仿佛我们现实中工程建设技术的进步,会支持我们更快更高水平地构建元宇宙。

人工智能

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它是一门涉及广泛的技术,甚至可以说几乎所有学科都可以结合 AI 进行新方面的探索。当然,在元宇宙领域人工智能可以无处不在,我们刚刚提到的渲染技术中也都用到了 AI 技术。而在此处我们重点提及人工智能在构建元宇宙的丰富性上的能力。

黄仁勋的虚拟发布会确实惊世骇俗,我们也见识到了 Omniverse 工具的制作能力,但是这个虚拟发布会短短的 14 秒钟却需要总共 34 个 3D 美术师和 15 个软件研究人员参与,如果真要用人工的方式去构建丰富的元宇宙,那得需要多少的时间和人力。所以,光靠 UGC (用户生产内容)和 PGC (专业生产内容)来构建元宇宙是十分耗时费力的,因此一种以 AI 技术作为支撑的内容生产方式 AIGC 正在悄然兴起中。

rctAI 正是一家运用运用人工智能为游戏行业提供完整的解决方案,并利用人工智能生成内容创造真正的 Metaverse。

一方面,可以通过 AI 为元宇宙自动生成相关的图形构建元宇宙,而再辅以人工去微调精修元宇宙的重要组件,大幅降低构建元宇宙的周期和人力。另一方面,AICG 还能利用算法训练 AI,让 AI 有能力脱离编剧与策划,对玩家的行为作出实时反馈,从而实现无穷的剧情分支并节省大量的开发成本。如此一来,元宇宙里的虚拟人物就可以跳出游戏 NPC 那种设定的既定模式,而是变成比 Siri 更智能的一个虚拟人,没有固定的模式,还能根据玩家的反馈而做出不同的反应,形成真正的完全自由、完全沉浸的元宇宙,这就如同《失控玩家》里男主角 GUY 在觉醒后的反应。

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Network (网络计算)

网络传输(5G/6G)

我们常说的 5G、6G,即第五代移动通信技术和第六代移动通信技术,很多人会认为它们只是在 4G 的基础上加大了带宽和网速,但是移动通信技术的进步,与我们的生活和经济甚至是元宇宙的发展有着密不可分的联系。

5G 具有高速度、低功耗、低时延、万物互联的特点,拿实时互动的游戏来说,低时延很大程度上决定了用户的游戏体验,而随着智能设备、可穿戴设备等联网需求的增加,万物互联能让我们更快的迈入智能时代,VR/AR/MR 作为打开元宇宙大门的第一把钥匙,5G 一定是实现元宇宙落地的基础。

再来说说 6G,它的流量密度和连接密度比 5G 提升至少 10 倍不止,除此之外,还能在 5G 万物互联的基础上实现万物智联,在物理世界和虚拟世界的交互中,进一步增强沉浸化、智慧化、全域化。尽管 6G 技术还在布局当中,但一旦实现,将会带领元宇宙实现跨越性的进步。

计算(云计算、雾计算、边缘计算)

互联网 3.0 时代的到来,离不开计算的支撑,尽管云计算已经走过了十年的历程,但是随着物联网的快速发展,数据传输量的增大,信息传输延时,数据安全性等问题日益凸显,于是雾计算、边缘计算等概念应需而生。

云计算是一种在短时间内完成大量数据处理的集中式的计算,它能利用互联网将数据上传到远程中心进行分析、储存和处理,为全世界提供服务,就好比是全国交通指挥中心。与云计算相比,边缘计算更靠近设备端,数据不必再上传到云端,比如智能手机、ATM 机、智能家居等设备上都可以完成边缘计算,因此边缘计算更像是某一个十字路口的交通警察。而雾计算就是地方的交通指挥中心,可以理解为是本地化的云计算,一方面减轻了云计算的承载压力,另一方面分散式的特点使得其运算速度更快、时延更低。

作为实现元宇宙重要的后端基础设施,未来元宇宙的实现一定伴随着巨大体量的数据处理需求,图像渲染需求以及高拟真的用户体验,这些计算能在不同的环境和场景中提供不同的功能,是元宇宙发展中不可或缺的一环。

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网络相关硬件

虚拟世界与现实世界相连接的桥梁已经初具模型,但是虚拟世界的呈现还需要更强大的基建技术作为保障。一台电脑的运行离不开硬件为其提供物质基础,中央处理器(CPU)、存储空间、图形处理器(GPU) 等硬件都从不同程度上对电脑的性能产生影响,以及进入元宇宙入口必不可少的 VR/AR/MR 技术的实现,同样依赖于这些复杂却又功能强大的 CPU、GPU,从而进一步强化用户的真实感。当然不止于此,想要在元宇宙中获得良好的体验,强大的传感器、超长续航的电池、更加拟真的画面、丰富的触觉反馈都需要性能更佳的硬件作为支撑,它们对用户在进入元宇宙入口后的沉浸感起到了关键的一步。

Display (显示)

VR/AR/MR

虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)和介导现实(Mediated Reality,MR)实际上并不是指某种技术,而是一种概念。代表了真实的物理世界和虚拟的数字世界共同组成的时空连续体。我们可以简单的将其理解为,VR 是纯虚拟数字画面,AR 是裸眼现实+虚拟数字画面,MR 是数字化现实+虚拟数字画面。

也就是说,VR 代表的是单纯的用户可以感知的虚拟数字画面,比如说 Oculus Rift、HTC 头显设备为我们带来的 VR 游戏、过山车等仿佛身临其境般的体验,让用户获得更高标准的虚拟现实体验。

而 AR 在实现 VR 技术的同时,满足了对裸眼现实的融合。在真实环境中增添或移除由计算机实时生成的可以交互的虚拟物体或信息。

在普通用户端,最常见可能是轻量 AR 设备,比如 Google Glass、Facebook 的 Ray-Ban Stories,在小范围显示数字信息,实现通过分布在每个人身上的相机来构建社会的文明进步。重量级 AR 则是在现实中叠加 3D 数字模型,比如微软的 Hololens。

而 MR 增将现实世界和虚拟环境相互融合,通过全息图,打破了物理世界和虚拟世界的分界。今年 4 月,英伟达发布会上的 CEO 黄仁勋竟然是计算机生成的,而时隔几个月都无人发现这一「骗局」。

那么如何用一句话概括 VR、AR 和 MR 之间的关系,网络上流传着这样的说法「梦见鬼,看到鬼,和鬼在一起的区别。」

VR/AR/MR 是元宇宙重要的基础设施,是其实现的基础,并为 Game 提供了更多的可能性。VR/AR/MR 的实现意味着「Avatar」可以与真实存在的人或物进行交互,并用根本上实现用户心目中的「理想世界」。

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体感技术

体感技术指的是人们直接的使用肢体动作,与周边的装置或环境互动,而无需使用任何复杂的设备,支撑起了用户在互联网中的立体沟通。当前主流的体感技术依照体感方式和原理的不同,可以分为三大类:惯性感测、光学感测以及联合感测。

当前在体感游戏中应用最广泛的是联合感测,通过在手柄中添加重力传感器以及红外线传感仪和动感 IR 照相机,识别物体的大小和形状,实现具有增强效果的体感游戏功能。其代表厂商为任天堂与索尼。

这其实是一个非常重要的方向,体感技术和 VR/AR/MR 技术的结合可能会使得《头号玩家》的出现不再需要 VR 跑步机,用户可以通过一种更加简便易得的方式进入到元宇宙的世界。同时肢体动作可以更好的反映到虚拟世界当中,实现本体与「化身」的完美适配。

全息影像

我们在介绍 MR 的时候提到了全息影像。全息影像是通过光学的手段呈现物体真实的三维图像的记录和再现技术。

早在电影《钢铁侠》中,就有钢铁侠托尼利用全息投影检修自己的设备。而在 2018 年,「The Escape」在美国《达人秀》上首次亮相,演员通过选择全息投影的「另一个世界」在舞台上进行起飞、坠落和翻转。这场精彩的表演由 Front Pictures、Red Rabbit Entertainment 和 PROFI LTD 三个创意团队联合创作完成。是一种视频、交互、软件工程共同提供的创新性的视觉解决方案。

然而全息影像对于元宇宙的意义也就不言而喻了,这项技术模糊了物理世界和虚拟世界的边界,也许有一天,我们会化身蝴蝶呈现在亲朋好友的身旁,真正意义上的领略庄周梦蝶的肆意。

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物联网与智能硬件

物联网与智能硬件在 Display 中构成了不可或缺的一环,它通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术,实时的采集需要监控的物体或互动的事物的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,实现物与物、物与人、人与人之间的广泛链接,实现物品的智能化管理。它是泛互联的重要组成部分,也是未来元宇宙世界不可或缺的一部分。

当前小米旗下智联万物的 AI 虚拟助理「小爱同学」已支持控制 70 个品类,2400 个设备,拥有超过 1400 个功能。现在我们回到家就可以通过呼唤「小爱同学」播放喜爱的音乐,查询快递、食谱、控制各类家居设备。当元宇宙和物联网与智能硬件结合,我们能够在元宇宙中对物理世界的设备进行指令,想象一下,你和你远在地球另一端的好友的化身坐在自家的沙发上观看国际顶级乐队的演出。或者一边控制物联网设备准备煮红酒,一边和千里之外的「女友「过圣诞节。会是怎样浪漫的一种场景。

脑机交互

脑机交互的开端实际上源于人类的遗憾,当我们眼睁睁的看着霍金先生逐渐失去了行动的能力,非常具有天赋的人因为病症失去的不仅仅是现实的行动力,还有非凡的想象力。很多人由于肢体的残疾而导致生活品质的极具下降,引发了人性中的善良与悲悯,也推动着脑机交互的发展。

科学家试图通过人或动物与设备之间的某种联系,让信息得以传递和表达。将想法转化为行动,将感觉转化为知觉。当前已经有很多公司在这些领域获得了成功,马斯克的 Neuralink 在脑机接口技术方面取得了重大突破,找到了高效实现脑机接口的方法。而法国里昂的一位高位截瘫患者在经过 20 多个月的训练后,依靠介入头部的 2 个传感器,实现了操控外骨骼设备来助力行走。然而未来的脑机交互可能会为我们带来更多。

借助脑机交互可以让用户无需 AR/VR 设备,就可以在视觉皮层感受到元宇宙。用户可以通过意念对元宇宙进行控制,而无需额外的设备和操作。毫无疑问,脑机交互的出现和落地应用会是元宇宙升级版的基础。

展望未来

元宇宙有如此多的技术作为基础,从另一个侧面也可以看出,元宇宙很难靠单一的技术突破而实现,现阶段的元宇宙项目更多的是停留在元宇宙最初级的阶段,要么是元宇宙的雏形,要么是解决了元宇宙某个方面的一些问题,所以元宇宙如此庞大的体系,要真的能实现到我们能够感知到虚拟世界的魅力时,一定是需要多个技术协同发展达到一定程度后才能实现。

不过好在,现在这个元宇宙正在被刚刚列举的各个技术领域顶尖的公司所接纳,也让资本认可了元宇宙的潜力,许多技术相关的公司也因为元宇宙的概念而获得了新的融资。有了资本的介入,元宇宙的发展便得到了新的助力,希望能够再坚持几年的发展后,元宇宙的应用能够带来比较广泛的造福效应,并真正传递到每个人,早日触达我们心中所期望的真的元宇宙。

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