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美国官方研究如何定义“元宇宙”？关键技术与产业布局现状概览

百家作者：人工智能学家 2022-09-17 23:48:05

来源：学术plus

编译：学术plus高级观察员 TAO

元宇宙被认为是下一代移动互联网。当前，各国政府、互联网巨头纷纷布局元宇宙。2022年8月，美国国会研究服务局（CRS）发布题为《元宇宙：概念和国会应考虑的问题》（The Metaverse: Concepts and Issues for Congress）的报告，介绍了元宇宙相关概念、关键技术、重点企业布局，分析当下存在的风险与机遇。

本文主要内容及关键词

1.元宇宙概念：本文中，元宇宙只表示通用概念和相关技术，而非特定的设备、平台、应用和服务。元宇宙区别于二维（2D）在线应用的3个主要特征：沉浸式三维（3D）用户体验、实时持续网络访问、可与网络平台互操作

2.元宇宙的三个关键技术：扩展现实（XR）；5G/6G；区块链

3.美国元宇宙企业布局：Second life；Meta（Horizon Worlds-VR服务）；微软（协同和通信平台Mesh）；Alphabet（谷歌搜索引擎+AI+AR）

4.元宇宙风险挑战与机遇：元宇宙未来发展充满不确定性，有可能重现隐私、竞争和数字鸿沟等问题；美国政府发布政策文件支持元宇宙关键技术发展

5.评析：元宇宙被视为互联网科技行业的新风口，各国政府、互联网巨头纷纷展开技术研发投资与产业布局，技术发展的巨大不确定性中也蕴含着大量商机与政策监管挑战，但随着底层技术的发展，元宇宙产业路线也会进一步明晰。

2021年3月，美国游戏公司Roblox在纽交所上市，成为元宇宙第一股。2021年10月，扎克伯格宣布将把Facebook更名为Meta，同时还公布了打造元宇宙的计划，希望人们将其视为元宇宙公司。元宇宙被认为是下一代移动互联网。随后，全球各国政府、互联网巨头纷纷布局元宇宙，2021年也被称为元宇宙元年。

1.元宇宙概念

元宇宙（Metaverse）的概念最早见于1992年美国科幻作家的《雪崩》一书。目前，元宇宙表示沉浸式和持久的虚拟世界，用户可以在虚拟世界中与其他用户及其环境进行交互，参与社交活动，就像现实世界一样。

部分企业和技术人员认为，元宇宙并不是某个特定的技术，而是用户与在线技术、服务、平台等交互方式的变化。有批评人士认为，元宇宙的概念离我们还很远，其对未来互联网的重要性被夸大了。许多公司只是对人机交互技术和应用加上了元宇宙的标签，比如在线视频游戏。

因此，本文中元宇宙只表示通用概念和相关技术，而非特定的设备、平台、应用和服务。元宇宙区别于二维（2D）在线应用的3个主要特征是：沉浸式三维（3D）用户体验、实时持续网络访问、可与网络平台互操作。

2.关键技术

元宇宙三大关键技术项目与发展举措

元宇宙的许多方面都在不断涌现，支持沉浸式用户体验和其他潜在元宇宙概念的技术也在不断发展。当前支撑元宇宙的关键技术主要包括扩展现实（XR）、先进无线通信技术（5G/6G）和区块链。

2.1 XR

XR（扩展现实）是AR、MR、VR等技术的统称，通过计算机将真实与虚拟相结合，打造的一个可人机交互的虚拟环境。通过将三类视觉交互技术相融合，为体验者带来虚拟世界与现实世界之间无缝转换的“沉浸感”——沉浸式用户体验。→美国防部关键技术“扩展现实XR”的军用优势与发展现状

AR（增强现实）：即物理环境和数字对象的重叠。AR技术主要根据现实世界环境为用户展示信息，是用户对物理世界感知的增强而非替代，例如在用户视频或图像中过滤重叠的预设数字效果
MR（混合现实）：即物理环境和数字环境混合的环境。除了对物理环境进行数字投影外，MR技术允许用户与数字和物理对象进行交互。与2D展示相比，MR可以为用户提供更加自然、动态的数字对象可视化
VR（虚拟现实）：完全沉浸式的数字环境，可以创建沉浸式、3D、计算机生成的、人工环境，VR使用逼真的声音、图像和其他数字表示替换了用户的物理现实，例如将用户置于游戏虚拟世界的视频游戏。与AR和MR不同，VR并不融合用户真实的物理环境
脑机接口（BCI，brain-computer interface）：BCI技术可为用户与元宇宙的交互提供新的方式。与现有AR、MR、VR设备相比，BCI技术可为元宇宙提供更好的认知用户接口

2.2 5G和下一代无线网络（6G）

5G和下一代无线通信技术（6G）可为元宇宙提供所需的高带宽、低时延的互联网基础设施。4G无线通信技术已经无法满足元宇宙所需的带宽、延迟、可靠性，而5G和下一代无线通信技术可有效支持数据密集型的元宇宙应用。

5G：国际电信联盟（ITU）的数据表明，5G技术峰值下载速率可到140Gbps，峰值上传速率可到65Gbps。据3GPP数据显示，支持AR/VR应用的5G系统端到端延时要求控制在 5-10ms，且数据上传、下载速率不小于10Gbps，网络传输可靠性要达到99.9%
6G：6G是5G之后的下一代无线通信技术，目前6G仍在研发的早期阶段。美国、中国、印度、日本、韩国和欧洲国家已经启动了6G研究计划。6G的预期下载速率可达到1Tbps（1000Gbps），比5G快10-100倍，时延为10-100微秒，网络延可靠性可达到99.999%

2.3 区块链

区块链和基于区块链的数字资产，如NFT，可用于元宇宙中的贸易和交易。区块链是一种分布式账本技术，依赖分布式网络验证系统来预防错误。元宇宙支持者认为元宇宙的成功依赖于成功的虚拟经济，其中包含虚拟产品、商品、服务的生产、交易和投资。这些活动都需要金融基础设施来支持贸易和交易。

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基于区块链的数字货币可以作为元宇宙中的支付方式。此外，区块链还可以帮助元宇宙在没有中心化监管主体的情况下实现快速、安全、可信、透明的在线交易。此外，去中心化元宇宙支持者认为区块链可以在元宇宙中作为构造去中心化、分布式应用、服务、平台和社区的技术基础。

NFT是区块链上记录的包含相关元数据的唯一的数字ID。在与特定资产关联后，NFT可以用于验证资产的真实性、所有权、使用权和复制权。NFT和其表示的资产还可以在线交易，支持元宇宙中虚拟商品的交易。

3.企业布局

美国元宇宙企业布局

美国科技巨头积极布局元宇宙，进行元宇宙投资、技术开发和收购，旨在获得技术优势。

Second life公司：是一家成立于2003年的3D虚拟世界公司。创建了在线多人游戏、角色游戏、多媒体、3D平台，可用来在虚拟空间中进行游戏、交友、参加社交活动，并创建虚拟商品和服务，参加在线课程和会议，就像在虚拟世界中有另一个生命一样
Facebook：2021年10月，Facebook更名Meta，同时还公布了打造“元宇宙”的计划，表明Facebook对元宇宙的雄心。除了社交媒体APP外，Meta还聚焦AR/VR相关硬件、软件、内容以开发沉浸式社交技术和计算平台。此前，Facebook早在2014年就斥资20亿美元收购了一家AR/VR技术公司——Oculus VR。Meta目前正在开发名为“Horizon Worlds”VR服务，用户可以在该平台上创建虚拟家庭和办公空间，并与其他用户进行交互
微软：微软将沉浸式、交互式虚拟游戏空间作为其元宇宙平台开发的关键部分。微软正在开发协作和通信平台——Mesh，用户通过该平台上可以穿戴MR googles来使用3D形象来进行线上会议
Alphabet（谷歌）：Alphabet投资了AR技术，并计划将其融入谷歌的基于互联网的导航、在线协作、视频内容服务中。谷歌的元宇宙融合了其搜索引擎、人工智能、AR
其他开发元宇宙相关的硬件、软件、服务、平台的公司还包括苹果公司、Roblox、Epic Games等游戏公司

4.风险与挑战

风险、挑战与机遇

4.1 风险与挑战

专家表示了对于元宇宙沉浸性、持续性，及其实时环境的关注，元宇宙中大规模虚拟平台可能重现现有在线平台、服务和应用的已有问题，比如内容审核、隐私、竞争和数字鸿沟。国会议员已经表示了对当前在线平台中这些问题的关注，并可能在元宇宙特定环境下解决这些问题。

也有专家认为支持元宇宙的技术基础设施目前还不存在，元宇宙相关的政策制定也具有挑战，因为其发展趋势目前还不确定。比如，元宇宙在未来的存在形式究竟是一个可互操作的全球性的元宇宙还是多个专有的元宇宙平台现在也难以确定。

4.2 机遇

元宇宙融合了在线游戏、社交媒体、用户生成内容，因此研究人员认为元宇宙对于在线游戏和社交媒体公司来说具有很大的机遇，比如可通过在线娱乐、软件和服务、AR/VR/MR设备和其他XR硬件、数字广告和其他活动等途径增加营收。

美国第117届国会制定了一系列促进元宇宙技术发展的政策，比如：

《21世纪就业法案》（21st Century Jobs Act）提出建立独立的联邦技术研究所（Federal Institute of Technology），并提供联邦资助以支持区块链、通信、VR、AR等特定技术领域的研究。

《美国创新和竞争法案2021》（United States Innovation and Competition Act of 2021）提出将先进通信技术与沉浸式科技作为关键技术领域，用来加强美国在全球经济的竞争优势和领导地位。该法案还要求对相关关键技术的研发、教育和培训、转移和商业化提供联邦资助。

2022年4月，拜登政府联合61个国家和地区发布《未来互联网宣言》（Declaration for the Future of the Internet），目标打造开放、免费、全球、可互操作、可靠且安全的互联网。宣言强调互联网是单个、去中心化的网络，不应该分割、促进全球通信和贸易，促进竞争、隐私、尊重人权，支持创新、信任和自由。未来或将开发一个类似的政策框架指导元宇宙的开发。

5.评述

元宇宙被视为互联网科技行业的新风口。当前，各国政府、互联网巨头纷纷布局元宇宙。从当前发展来看，元宇宙具有沉浸式三维（3D）用户体验、实时持续网络访问、可与网络平台互操作等特点。支撑元宇宙的关键技术包括扩展现实（XR）、先进无线通信技术和区块链。XR可为用户与元宇宙的交互提供新的方式，5G和下一代无线通信技术可为元宇宙提供所需的高带宽、低时延的互联网基础设施。区块链和基于区块链的数字资产可用于元宇宙中的贸易和交易。

美国科技巨头积极布局元宇宙，进行元宇宙投资、技术开发和收购，旨在获得技术优势。同时，美国政府也发布了支持元宇宙关键技术发展的政策文件。但元宇宙未来的发展仍然具有不确定性，此外元宇宙平台还有可能重现现有在线平台、服务和应用的问题，如内容审核、隐私、竞争和数字鸿沟。相信随着底层技术的发展，元宇宙的发展方向和路线会进一步明晰。

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