元宇宙vs. 数字孪生:技术演化的视角

本文来源:数字孪生体实验室( 原创)
作者:段海波

近几个月来元宇宙概念的爆火,与近几年来数字孪生的大热,两种现象之间有哪些异同?

元宇宙究竟是概念炒作的科幻噱头、资本割韭菜的利器,还是代表了互联网的未来,亦或两者都有?

“脱胎于现实世界、又与现实世界相互影响、且始终在线的虚拟世界”的元宇宙,与“虚实映射、实时连接、动态交互”的数字孪生,貌似有很多相同点,但又不太一样,两者之间究竟是什么关系?

本文拟从技术演化的视角,对比分析元宇宙和数字孪生两个概念,并对这两项技术,特别是元宇宙的未来发展做一展望。

01、Metaverse的技术时间线

在进入正题之前,有必要梳理一下Metaverse元宇宙的时间线,特别是那些目前市面各种解读文章不太关注、却又有价值甚至很重要的技术相关事件,作为对投资收购上市等商业事件时间线的补充。

1992 年,Metaverse作为科幻概念被首次提出。美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森在其著作《雪崩》中给出一个赛博朋克式(Cyberpunk,极低生活水平和极高技术水平的结合)的设定,人类可以通过数字替身(Avatar),在一个使用现实世界隐喻的三维虚拟空间中与彼此和软件代理进行交互,现实世界的所有事物都可以被数字化复制到这一空间,作者将这个虚拟空间称为Metaverse。

1994年,纽约大学向美国专利局递交了《Method and system for scripting interactive animated actors》的优先权;1997年正式提交申请;2001年得到专利授权US6285380。这是全球第一个在专利说明书中提到尼尔·斯蒂芬森的《雪崩》和Metaverse的专利。目前全球大约有300个专利申请或授权在专利文本中提到metaverse,按专利权人分布如表1所示。

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表1 专利文本中提到metaverse的专利权人分布(数据来源:谷歌专利)

2003年,林登实验室推出了第二人生。该项目的既定目标是创建一个用户定义的世界,例如 Metaverse,人们可以在其中互动、玩耍、开展业务和进行其他交流。

2007年,加速研究基金会(Acceleration Studies Foundation)发布《Metaverse 路线图——通往三维网络的途径:一个跨行业的公共前瞻项目》报告。

2007年7月,瑞士洛桑举行的第81届MPEG会议上,韩国向MPEG工作组(原ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11)提交Metaverse案例提案。这是Metaverse首次进入国际标准化领域。

2007年,第一本元宇宙相关专著《The Second Life Herald: The Virtual Tabloid that Witnessed the Dawn of the Metaverse(第二人生使者:见证元界黎明的虚拟小报)》出版。

2007年底,IBM向美国专利局递交了《Rules-based profile switching in metaverse applications》专利申请,这是全球第一个专利标题中提到Metaverse的专利申请。该申请2009年公开,但未授权。目前全球有21个专利申请或授权在专利名称中提到metaverse,按专利权人分布如表2所示。

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表2 专利名称中提到metaverse的专利权人分布(数据来源:谷歌专利)

2008年初,IBM向美国专利局递交了《System and method for group control in a metaverse application》专利申请,2015年拿到授权US8990707,成为全球第一个专利标题中提到Metaverse的授权专利。该专利的PCT申请2009年初同时进入日本和中国,2015年拿到日本专利授权,但其中国申请《虚拟实境应用程序中群控制的系统和方法》(CN101482900A)一直未授权。

2008年10月至2011年3月,由飞利浦和以色列智库MetaverseLabs发起的欧盟ITEA项目Metaverse1成功运行。该项目的成果之一是ISO/IEC 23005系列标准,旨在真实物理世界和虚拟世界之间定义标准接口,以实现虚拟世界和现实世界之间的连接、信息交换和互用。

2011年,ISO/IEC 23005-1(Media context and control — Part 1: Architecture)第一版发布,是第一个在标准文本中提到Metaverse的国际标准。2020年,ISO/IEC 23005-1第四版发布。

2019年,IEEE标准协会发起P2888项目(Interfacing Cyber and Physical World),迈出了开发连接物理世界和虚拟世界、构建同步元宇宙的标准体系的第一步。作为ISO/IEC 23005系列标准的补充,IEEE 2888包括四个部分:传感器接口(Specification of Sensor Interface for Cyber and Physical World)、执行器接口(Standard for Actuator Interface for Cyber and Physical World)、数字化同步(Orchestration of Digital Synchronization between Cyber and Physical World)和六自由度虚拟现实灾害响应训练系统架构。前三部分旨在为数字孪生空间或元宇宙提供通用技术,第四个标准是特定领域的应用。

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图1 IEEE 2888系列标准架构(来源:IEEE SA)

2021年,韩国成立全国元宇宙联盟,目标是建立统一的全国VR和AR 平台。

把上述专利、标准、开源项目等Metaverse技术研发相关的时间线,与谷歌趋势反映的结果相比较,我们看到,虽然近一年和近五年的Metaverse的谷歌趋势都是中国贡献的流量第一,但把时间放长,2004年至今的谷歌趋势(图2)是韩国独占鳌头,而且2007前后的相对高坡与上述技术时间线反映的情况基本一致。

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图2 2004年至今的Metaverse谷歌趋势

02、Metaverse术语及其定义解读

目前大部分人都人云亦云地把Metaverse直译为元宇宙,相信meta就是“元“的意思,认为verse就是universe是宇宙的意思。要知道,meta-这个前缀在英文中有两、三种意思,包括:

改变,例如metabolism新陈代谢、metamorphism变形/变性、metaphor隐喻等;

超出,继/位于/接着…之后,更高级形式的,二阶的,例如metaphysis形而上学、metadata元数据、metamodel元模型等。

在化学里,meta-还有“介”、“间(位)”、“偏”的意思。

中文用“元”(指本源、本质)来翻译meta-,并不能覆盖所有情况,Metaverse就是如此。元宇宙,听上去是个理论物理学或宇宙学概念,是关于宇宙本质本源或多重宇宙的宇宙。但Metaverse不是关于宇宙的宇宙,而是超越现实的虚拟世界。所以,“超界/超世界”才是更准确的翻译。由于VR/AR/MR技术的发展,我们在现实世界外,构建了一个虚拟世界,它延展或超越了现实世界,即“超世界”,叫成“超宇宙”也可以。把Metaverse译为元宇宙,是个容易误导人的不理想的翻译。由于市场的力量足够大,我们只能暂且延用元宇宙的说法。

目前,维基百科对Metaverse的定义是比较公认的定义之一,它来自上文提到的2007年发布的《Metaverse 路线图》。《Metaverse 路线图》给出了Metaverse的五个定义,其中第一个被维基百科采纳。今年5月,美国技术未来学家凯茜·哈克尔访谈了20位专业人士,收集发布了20个Metaverse的新定义。表3整理了从2007年至今的部分元宇宙定义。

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表3 元宇宙定义的演变

关于Metaverse的内涵,正如大家现在看到的,三十年来,Metaverse早已脱离了早期科幻小说赛博朋克的设定,通过严肃认真的科技研发投入和商业运作,首先进入了与大众生活密切相关的游戏娱乐领域,其概念内涵一直处于不断的演变过程中,各种说法层出不穷,尚没有权威统一的定义。

我们知道,一个规范的术语条目定义,是区别特征加上上位概念。先来看元宇宙的区别特征。距离元宇宙最近、与元宇宙最相关的概念,肯定是虚拟现实、增强现实和混合现实,或者说是这些技术的应用,比如元宇宙和多年前的大型多人在线角色扮演游戏——第二人生有什么区别?目前各大厂和游戏厂商推出的元宇宙应用,与虚拟现实+社交、虚拟现实+游戏和虚拟现实+购物究竟有什么区别?

梳理表3的各种定义,我们可以总结出(未来的)元宇宙和上述技术或应用的三个区别特征:

持久性。元宇宙将与人类文明共存,必须能永远存在,即表3多个定义提到的persistence一词。不能因为某个公司的破产,而影响了元宇宙的存续。

去中心化。类似互联网的HTTP协议,接入元宇宙,必须有一个开源共享协议。这一协议和相关规则的制定权、解释权不能属于某个公司或者国家。

协同进化。类似于数字孪生系统中的数字孪生体及其对应的物理实体之间是实时连接、动态交互的关系,从元宇宙中的虚拟人物和现实世界的真实人个体,到两个世界的群体组织,都需要相互连接、相互影响、协同进化。

上述三个区别特征,既是元宇宙与其他现有技术和应用的本质区别,实际上也是人类未来构建元宇宙所要满足的需求指标。

那元宇宙究竟是一种什么东西?它的上位概念是什么?是维基百科定义中的虚拟共享空间吗?亦或脸书、腾讯等大厂心目中的下一代互联网?对这个问题的回答,实际上涉及到人类构建元宇宙的终极目的。例如,为什么人类需要游戏?为什么人类需要虚拟空间?元宇宙究竟解决了人类的什么问题和需求?科普作家汪诘认为,元宇宙的本质是一场现实世界与数字世界的接口革命。这一观点正好应和了IEEE 2888系列标准要解决的问题。

03、技术系统分析

有了上述元宇宙的三个区别特征或需求指标,我们就可以开始为元宇宙这个未来的复杂体系进行技术系统分析。

Beamable公司创始人Jon Radoff提出了元宇宙的七层架构(图3):基础设施、人机交互、去中心化、空间计算、创作者经济、发现和体验。

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图3 元宇宙的七层架构(来源:Jon Radoff)

元宇宙的最底层是基础设施。包括支持我们的设备、将它们连接到网络并提供内容的技术,如5G/6G、芯片、电池、图像传感器等等。

第二层是人机交互层。这一层主要是智能可穿戴设备。目前索尼、微软、Oculus、三星等公司生产VR/AR用头盔好比移动互联网早期的大哥大。很快我们将拥有:可以执行智能手机所有功能以及AR和VR应用程序的智能眼镜;集成3D打印的可穿戴设备的服装;印在皮肤上的微型生物传感器;甚至脑机接口。计算机设备越来越接近我们的身体,将我们变成半机械人——赛博格(cyborg)。

第三层是去中心化层。这一层是构建元宇宙人与人关系的重要转折,通过这一层,可以把元宇宙的所有资源更公平的分配。分布式计算和微服务为开发人员提供了一个可扩展的生态系统,让他们可以利用在线功能而无需专注于构建或集成后端功能。围绕微交易进行优化的NFT和区块链技术将金融资产从集中控制和托管中解放出来。远边缘计算将使云以低延迟启用强大的应用程序,而不会给我们的设备带来所有工作的负担。

第四层是计算层。这一层将真实计算和虚拟计算进行混合,以消除物理世界和虚拟世界之间的障碍,提供了3D引擎、手势识别、人工智能等等,都是一些提供算法的企业。

第五层是创作者经济层。这一层包含创作者每天用来制作人们喜欢的体验的所有技术,以去中心化和开放的方式为独立创作者提供一整套集成的工具、发现、社交网络和货币化功能,使前所未有的人数能够为他人创造经验。

第六层是发现层。类似于互联网的门户网站和搜索引擎,这一层提供将人们引入新体验的推和拉。这是一个庞大的生态系统,也是许多大企业最赚钱的生态系统之一。

第七层,也就是顶层,是体验层。这里是用户直接面对的游戏、社交平台等。许多人把元宇宙想象成是围绕我们的三维空间;但元宇宙不必是 3D 或 2D 的,甚至不一定是图形的;它是关于空间、距离和物体等物理空间的非物质化。

04、技术演化分析

从上述元宇宙的七层架构可以看出,元宇宙是个比数字孪生更庞大、更复杂的体系。如果数字孪生还算是个复杂技术体系的话,元宇宙从一开始就是个复杂的技术-社会体系。两者有不同的技术发展和演化路径。数字孪生是起源于复杂产品研制的工业化,正在向城市化和全球化领域迈进;而元宇宙起源于构建人与人关系的游戏娱乐产业,正在从全球化向城市化和工业化迈进(图4)。

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图4 元宇宙和数字孪生不同的技术演化路径

虽然元宇宙和数字孪生都关注现实物理世界和虚拟数字世界的连接和交互,但两者的本质区别在于它们的出发点完全不同。元宇宙是直接面向人的,而数字孪生是首先面向物的。

虽然Metaverse这个词比Digital twin的概念原型的出现早了十年,但数字孪生技术体系的成熟度和国际标准化工作进展远高于或快于元宇宙(图5)。数字孪生技术在经历了技术准备期、概念产生期和应用探索期后,正在进入大浪淘沙的领先应用期,即图5高德纳技术炒作曲线的谷底期;而元宇宙还处于技术准备期和概念产生期的早期阶段,即图5高德纳技术炒作曲线左边爬坡段的起点,还有至少二三十年漫长的技术研发、标准体系、道德和法律监管、乃至大国博弈等漫长的道路要走。

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图5 元宇宙和数字孪生技术成熟度对比

虽然和VR/AR技术的亲密关系相比,数字孪生与元宇宙两大技术体系的距离没那么近,虽然《元宇宙通证》一书给出的元宇宙六大技术全景图中压根儿没提数字孪生,但是可以预见,数字孪生将很快成为元宇宙技术体系中的基础技术。

像《头部玩家》、《堡垒之夜》这样的所谓元宇宙环境是与现实空间完全分离的科幻世界。即使它们是以现实世界为模型的,在元宇宙中发生的事情不会反映在现实中,反之亦然。而数字孪生技术为元宇宙中的各种虚拟对象提供了丰富的数字孪生体模型,并通过从传感器和其他连接设备收集的实时数据与现实世界中的数字孪生化(物理)对象相关联,使得元宇宙环境中的虚拟对象能够镜像、分析和预测其数字孪生化对象的行为,将极大丰富数字孪生技术的应用场景(从物联网平台到元宇宙环境)和数字孪生系统的复杂程度(从系统级向体系级扩展)。

05、结语

虽然最近元宇宙的概念(股)被爆炒,但它确实代表了下一代、下下一代互联网的发展方向。加上数字孪生技术的加持,两大技术体系将在未来第四次工业革命中相得益彰、大放异彩。

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图6 约翰·惠勒的万物源自比特

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图7 目前对时空关系、现实和虚拟的一种认识(来源:INRS)

笔者在《新一轮科技产业革命视角下的数字孪生体》一文中提到,理论物理学家约翰·惠勒提出了万物源自比特,如果未来这一论断被证明或验证,或泰格马克的数学宇宙被证明或验证的话,我们都将对虚拟和现实、物理和数字(化)有更本质的认识。到那时,Metaverse一词,也将从超越现实的虚拟世界——超界,回归其关于宇宙的宇宙——元宇宙的本来面目,也将是一件幸事。

作者介绍

元宇宙vs. 数字孪生:技术演化的视角

安世亚太公司标准化总工程师,数字孪生体联盟标准工作组组长;INCOSE CSEP(2017),MATRIZ三级认证(2005);ISO/TC184/SC4、ISO/IEC JTC1/SC7注册专家;SAC/TC159/SC4、SAC/TC28/SC7、SAC/TC28/SC41委员,IEEE智能制造标准委员会委员。

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