分層模型描述的“元宇宙”及下一代互聯網

山 旭 馮 春

（媒體融合生產技術與系統國家重點實驗室，北京 100803）

“元宇宙”（Metaverse），最早是由美國科幻小說家尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）在1992年的科幻小說《雪崩》（Snow Crash）中提出的概念：人們通過“網絡分身”（Avatar）生活在一個脫胎于現實世界，又與現實世界平行、相互影響，并且始終在線的虛擬世界。2021年，因Facebook公司等國際大型互聯網公司的推動，“元宇宙”引起全球性的廣泛關注，并成為下一代互聯網的代名詞。而在此前后，不同企業、機構也曾提出“3D/三維互聯網”“全真互聯網”“平行宇宙”（Omniverse）等相似概念和產品，核心均指向以虛實結合、用戶生產內容（UGC）為特點的下一代互聯網。

本文嘗試利用網絡分層模型的方法，對“元宇宙”為代表的下一代互聯網的體系結構進行描述，并以此為基礎對當前中外“元宇宙”產業布局、力量對比的情況進行分析，指出中國在下一代互聯網競爭中的薄弱之處。

1.“元宇宙”與下一代互聯網共性特點

1.1 “元宇宙”及相關概念

1.1.1 “元宇宙”

Metaverse 一詞由 “Meta” 和 “Verse” 組成。“Meta” 表示超越，“Verse”代表宇宙 （universe）。 “元宇宙”是近年來計算機圖形技術、5G通信、云計算、空間信息技術等關鍵技術的突破和普及，“整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態”。它將數字世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和編輯。[1]

1.1.2 3D互聯網

3D互聯網，也稱三維互聯網。根據該理論，“一維互聯網”是主要以信息查詢、信息閱讀為主的Web1.0時代，用戶更多是向互聯網單向獲取信息、閱讀信息。PC門戶網站是“一維互聯網”的典型代表。2D/二維互聯網是指用戶普遍稱為互聯網內容創造者和互聯網平臺共同建設者的Web2.0時代，信息/數據在用戶和平臺之間雙向流動，不斷產生新的信息和數據。3D/三維互聯網則是通過高度仿真的三維互聯網空間實現用戶與平臺、用戶與用戶之間更為廣泛的信息/數據交流，而其三維架構也較Web1.0、Web2.0的平面架構可以容納和生產更多信息/數據，其上限無限接近真實世界。

1.1.3 全真互聯網

全真互聯網是由騰訊公司提出的下一代互聯網概念。由于從實時通信到音視頻等一系列基礎技術的進步，算力快速提升，推動信息接觸、人機交互的模式發生更豐富的變化，實現了一個從量變到質變的過程。“它意味著線上線下的一體化，實體和電子方式的融合。虛擬世界和真實世界的大門已經打開，無論是從虛到實，還是由實入虛，都在致力于幫助用戶實現更真實的體驗。”[2]騰訊公司認為，從消費互聯網到產業互聯網，應用場景也已打開。通信、社交在視頻化，視頻會議、直播崛起，游戲也在云化。隨著VR等新技術、新的硬件和軟件在各種不同場景的推動，全真互聯網帶來的變革，就像移動互聯網轉型一樣。

1.1.4 Omniverse

Omniverse是美國英偉達（NVIDIA）公司的“元宇宙”概念。它在狹義上是指為 3D 設計協作和數據孿生模擬而構建的開放平臺，旨在通過將圖形、AI、模擬和可擴展計算整合到一個平臺上，成為連接數字世界的基礎。通過Ominverse，藝術家、設計師和創作者可以使用其設計應用程序協作創建高仿真度的3D資產和場景。[3]在廣義上，通過廣泛而普遍地連接和構建物理級準確的數字世界或“數字孿生”，Omniverse最終將構筑從物品尺度到行星尺度，高保真、物理級準確、可擴展、實時的數字世界模擬。

2.1 下一代互聯網共性特點

“元宇宙”其實是對眾多類型未來數字世界的廣泛描述，是目前所知的一種網絡演變。數字世界在呈現、體驗和最重要的連接方式方面擁有共同的基礎，這些共同基礎是所有類型的世界必不可少的。它們主要包括：

2.1.1 真實

無論何種名稱，各個下一代互聯網平臺概念都建立在三維技術支持的高仿真度基礎上。這種高仿真度達到物理級別：也就是完全符合物理世界物體的外形、體積、顏色等特點，它既包括灰塵也包括行星，是高度仿真的自然世界也是高度仿真的人類社會。

2.1.2 同步

數字空間與真實世界保持互通互聯，并因此實現高度同步與更新。這其實意味著真實世界中的大部分變化（最終是全部變化）都將在數字世界中出現，用戶在數字世界中交互時推動的變化也最終將在真實世界中出現。這種同步的變化，既包括自然環境，也包括人類社會，如政治活動、經濟活動等。

2.1.3 創造

想要實現高保真、物理級準確、可擴展、實時的數字世界模擬非常困難。海量的數字資產創造和變化，需要讓每個用戶都能參與，特別是低門檻地參與高保真數字世界的創建。[4]這一方面是指用戶有意識的UGC創造活動，并通過這種活動在數字世界中獲取經濟利益；另一方面是指用戶通過無意識的交互活動推動數字資產的創造，比如用戶在數字世界中駕駛車輛產生的數字軌跡數據。

2.分層模型描述的“元宇宙”體系結構

2.1 分層模型的描述方法

分層（分級）模型是一種計算機網絡的設計方法，目前絕大多數計算機網絡都采取分層設計。所謂分層模型設計，就是按照信息/數據的流動過程將網絡的整體功能分解為不同的功能層。不同系統的同等功能層之間采用相同的協議，同一系統的相鄰功能層之間通過接口進行信息/數據流動。它的優點是：每層都實現一個相對獨立的功能，這樣就將復雜問題分解為若干個較為容易處理的“小問題”，從而減少網絡設計的復雜性。[5]

圖1 典型網絡分層體系結構

計算機網絡的各層以及其協議的結合，稱為網絡體系結構。它系統性地定義了計算機網絡應包括哪些層次，每層提供哪些功能。但不涉及這些功能是如何實現的，以及每層軟硬件的組成。1974年，IBM公司提出了世界上的第一個網絡體系結構“系統網絡體系結構SNA”。從那時起到現在，各種網絡體系結構幾乎都是用了分層模型。1981年，國際標準化組織ISO還提出了一個國際網絡體系結構標準——開放系統互連模型（Open System Interconnection reference model ）OSI/RM，簡稱OSI。OSI通過統一的分層模型設計，促進了整個網絡世界中信息和數據的流動和共享，推動了網絡通信的發展：對網絡的每層都制定相對嚴格的標準，并以此生產軟硬件，推動不同企業、主體網絡產品之間的兼容。

“元宇宙”為代表的下一代互聯網是技術進步后，高帶寬傳輸能力、海量新生信息/數據、超高算力的產物，其功能的實現更加依托不同層次之間信息/數據的有效流動。因此，分層模型也適用于對“元宇宙”為代表的下一代互聯網的結構描述與分析。

2.2 “元宇宙”的網絡體系結構

通過對“元宇宙”及相似概念的梳理，從實際操作出發總結下一代互聯網的網絡體系結構如下。

圖2 分層模型描述的下一代互聯網

2.2.1 基礎載體

基礎載體包括基本的軟硬件，是“元宇宙”的“大地”和“空氣”。主要包括：（1）云計算（及云存儲）。相當于數字世界的大腦，“元宇宙”的一切環境、變化都在云上實現。但是在一些真實世界和數字世界的連接樞紐——比如AR眼鏡——可能保留邊緣計算，從而更好對真實世界的環境和變化進行采集，然后傳遞給云。（2）渲染技術。三維渲染，即將現實中各種物質以各類曲線或多邊形的形式抽象出來，再通過計算機輸出最終圖像的算法實現的集合。雖然“元宇宙”需要多種計算技術，但渲染技術是其中比較特殊的一種。它是在前臺構筑整個數字世界的基礎能力，沒有渲染技術，即使有高帶寬傳輸和強大的算力，也無法讓用戶體驗到數字世界。渲染技術的趨勢，一是云渲染，二是實時渲染。只有實現實時渲染，用戶在數字世界中交互以及真實世界的變化才能立即在數字世界中變化出來。（3）高帶寬通信。它保障了端與云之間的傳輸，使虛實世界中的變化能夠互通。但是面向下一代互聯網的通信需求可能是最高百M級的5G傳輸無法滿足的，也許需要G級傳輸起步。（4）空間信息技術。包括基礎地理信息和定位系統等，實現數字世界和真實世界的映射和關聯。具體而言，數字世界內的自然環境和社會環境（如城市）來自真實世界，必須利用GIS、遙感等技術對真實世界的空間信息數據進行采集、處理，用于形成高仿真度的世界。在“元宇宙”建成后，真實世界的變化同樣需要空間信息技術進行感知，包括真實人/網絡分身的移動也需要定位技術的高精度反映。未來量產的XR硬件（如眼鏡）必然包括定位芯片，否則不可能指導用戶在環境中的行動。（5）人工智能。在從云計算到空間信息技術的一系列都有人工智能應用。對“元宇宙”，人工智能還有一些針對性的任務：比如會存在大量AI數字人，作為數字世界服務員、工人等，從事不同難度的工作，使真實人類在數字世界中更好的生活。

總體而言，“元宇宙”為代表的下一代互聯網是基于海量計算的實時三維世界，三項關鍵技術是：計算（包括渲染）、傳輸、感知。

2.2.2 工具層

主要是生成數字世界的資產和推動數字世界的運行。主要包括：（1）三維渲染引擎：渲染技術工具，能夠通過低門檻、“人人參與”的方式進行數字場景的生產和編輯。（2）三維掃描：偵測并分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）。搜集到的數據常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。[16]（3）AIGC：即人工智能生成內容，相對于UGC、PGC（機構生成內容），是利用人工智能在“元宇宙”內生成資產的主要方式。（4）低代碼平臺：廣義上的低代碼平臺包括低代碼平臺和零代碼平臺，可通過自動代碼生成和可視化編程，只需要少量代碼就可快速搭建各種應用零代碼平臺：零開發經驗的業務人員通過拖拽等方式，無需編寫代碼，即可快速搭建各種應用。（5）程序化生成：依據某種規律和算法自動生成數字內容和資產，或者推動場景等數字世界的變化。（6）AI視覺：主要是利用圖像識別、語義分割等算法依據畫面生成數字內容和資產，以及對真實世界、數字世界的運行進行感知，是計算的信息/數據采集環節。

支撐整個“元宇宙”運行的底層載體和工具都由創造者（運營者）提供。但是到最后，工具將具有UGC的特點：比如程序員高手將創造者（運營者）提供的“蓋房工具”優化，使其他用戶能夠更快、更好地蓋房子，并且可以通過銷售這種工具獲利。

2.2.3 資產層

資產層主要是“元宇宙”中沉淀的資產以及推動這些資產共享的平臺與渠道，與目前站酷、ArtStation甚至網絡文學、網絡漫畫的邏輯類似。從實踐中看，工具往往自帶資產庫。資產創作者是“元宇宙”的第一批用戶。他們基于愛好或興趣，UGC生成內容。這些內容就是“元宇宙”本身：比如一位用戶創建和自己線下家庭一模一樣的房間，并且（通過一定的規則）改變自己家附近的環境。隨著用戶的不斷擴張、不斷低門檻化，整個世界中沉淀的、來自用戶的數字資產越來越多、越來越豐富（當然其中很多是數字垃圾）。用戶可以更容易地利用這些資產再創造更多內容。

2.2.4 應用層

實際上就是“元宇宙”的社會活動，以及與之相關的數字環境變化。包括：

（1）三維交互內容。它由用戶在真實世界、虛擬世界中生活、工作而產生的即時性變化，以及與這些交互匹配的應用場景和程序。它也包括了數字世界中的人類活動規律和制度，比如法律、倫理、社會運行、經濟活動等等。它產生數字世界的主要內容、活動和資產，以微觀的形式構筑了精彩的數字世界。

（2）三維線性內容

不因用戶交互而發生的變化和內容，或者因用戶交互內容累積到一定程度才會發生的變化和內容。相當于真實世界的自然規律和宏觀世界變化。

（3）二維互聯網內容

Web1.0、Web2.0內容進入“元宇宙”，部分三維化、部分仍然以二維的形式存在。但隨著“元宇宙”的不斷發展，絕大多數不能實現三維化轉化的二維資產都將被淘汰或失去實際意義。

3.基于分層模型的產業分布分析

利用分層模型對“元宇宙”的體系結構進行描述后，就可以以此為基礎對于“元宇宙”進行多種分析。本文嘗試以此為基礎，對當前“元宇宙”產業鏈上中外（互聯網/IT）優勢企業的分布進行分析。需要強調的是，目前資產層還沒有獨立產生較強的企業，而是寄生于工具層或應用層企業之下，如資產工具自帶強大的資產庫，或者在應用平臺、產品中沉淀了大量數字資產。

圖3 分層模型描述的下一代互聯網產業優勢企業分布

3.1 中國企業在“元宇宙”產業的優勢企業分布

中國企業在“元宇宙”產業中主要分布在兩端：基礎設施與應用。首先基礎設施方面，擁有高帶寬通信和云計算。這主要是華為在5G方面的強大技術優勢和市場占有率，以及中國快速、迅猛的數字化進程，龐大的用戶規模所帶來的云計算基礎。目前，阿里巴巴公司、騰訊公司、百度公司都擁有世界領先的云計算和云存儲能力。其次應用方面，以游戲企業為代表的應用能力。目前公認最接近“元宇宙”的數字形態，羅布樂思（ROBLOX）、“我的世界”等平臺和產品也是公認的最接近“元宇宙”形態的數字平臺和產品。游戲是實施渲染、云計算的率先應用者，也有數字世界社交、管理等經驗。目前騰訊公司、網易公司等都在全球游戲產業占有龍頭地位，其他中國大型互聯網公司和內容平臺也在積極進入游戲領域。但需要指出的是：中國在支撐云計算的底層硬件，如CPU、GPU等都處于發展過程中，還受到國外企業的明顯制約。

3.2 中國企業在“元宇宙”產業的劣勢

中國企業在“元宇宙”產業布局中的“工具層”有明顯缺失。主要表現在兩方面：一是在作為“元宇宙底盤”之一的渲染技術方面落后比較嚴重，直接表現為沒有強勢的引擎工具。目前國外的U3D（Universal 3D）、虛幻（Unreal）等三維引擎不僅持續降低門檻，還進行開放，促進生態的形成。這與Windows、Android等操作系統的情況十分相似，最終使全球用戶很難脫離它們豐富的應用而轉為試用自己國家的軟件。國內騰訊公司等自研的三維引擎還處在代碼界面到可視化界面的過渡中，仍需要具有一定專業背景的人員才能使用。二是其他工具軟件的缺失。目前中國幾乎還沒有能在國內外廣泛使用的內容創作軟件，比如Adobe系列軟件，或者MacOS系統的設計、視頻軟件。從實際調研來看，專家和行業人士認為中國在“工具層”的整體產業力量占比可能小于5%，而且存在明顯的代際鴻溝。

3.3 國外“元宇宙”產業分布的趨勢

從全球角度，目前在“元宇宙”為代表的下一代互聯網產業分布中出現了明顯的“全產業鏈”趨勢，誕生了英偉達公司、Epic Games公司這樣即將覆蓋從底層載體到應用層全產業鏈的超級企業。首先以英偉達公司為例說明。英偉達公司是全球最大的計算機顯卡制造企業之一，是創造性的GPU的發明者。目前，全球的人工智能計算和產業都依靠GPU技術。基于GPU的算力和生態，英偉達公司以自研為主，其布局已經從底層硬件延伸到內容創造層。Omniverse其實是完全基于和匹配英偉達公司GPU顯卡技術特點的內容生產平臺，既包括與英偉達公司GPU顯卡高度適應的引擎工具，也將通過提供資產工具生成、沉淀海量資產庫。而在Web2.0時代，英特爾公司、AMD公司等硬件企業幾乎不向軟件延伸，而是通過與微軟公司等軟件企業合作。英偉達公司可能是桌面計算機領域第一家在軟硬件領域都有強大能力的企業。在移動互聯網領域，則是蘋果公司。再以Epic games公司為例。Epic Games公司是一家游戲公司，利用旗下的三維實時渲染引擎Unreal Engine制作游戲產品。2015年，Epic Games公司宣布將Unreal Engine開放使用，游戲公司只有營業額達到一定規模后，才需要交付5%左右的版權使用費。這立刻推動Unreal Engine在全球游戲行業中的使用，并且極大擴展了它在各領域的應用。同時，Epic Games公司也不斷推進Unreal Engine的低門檻化，通過優化和完善可視化的編輯界面使用戶更加直觀、便捷地制作三維產品。到今天，Unreal Engine已經在數字城市、數字工廠等幾乎所有數字孿生領域都得到了深度應用，并且擴展到影視、智能汽車等多個領域。Epic Games公司本身就是游戲企業，開發的《堡壘之夜（Fortnite）》也具有較強的“元宇宙”形態。它通過不斷收購和控股在工具層和應用層進行布局，比如2015年它收購了影視與游戲資產工具制造商Quixel。

結語

下一代互聯網不是簡單的技術問題、科技問題，通過對“元宇宙”為代表的下一代互聯網的體系結構分析，能更加清晰、明確地認知下一代互聯網的特點、功能、趨勢。“元宇宙”產業鏈上，有較強競爭力的企業分布，實際代表了當前各國在下一代互聯網競賽中的位置和力量。從前文分析看，我國在“元宇宙”為代表的下一代互聯網產業分布方面還有較為明確的短板。特別是在涉及數字資產生成的應用軟件工具領域，較為薄弱。同時，從全球規律看，在5G、云計算、游戲等領域具有一定競爭力的中國企業應適當向產業鏈其他環節延伸，特別是利用開放生態的方式擴大以“元宇宙”為代表的下一代互聯網產業鏈上的覆蓋度，從而適應目前“全產業鏈”覆蓋的“元宇宙”趨勢。

*本文主要基于對騰訊公司、英偉達公司、Epic Game公司等相關產業人士和研究人員的調研訪談。