元宇宙技术发展与应用综述

曹明伟，张迪，彭圣洁，李宁，赵海峰 安徽大学计算机科学与技术学院安徽合肥230601（ln@stu.ahu.edu.cn） 摘要元宇宙是一个结合虚拟现实、增强现实、人工智能和互联网技术的虚拟世界，不仅提供一个数字化的沉浸式环境，还代表一种新的社会互动和经济模式。随着一些科技巨头和创新企业的积极投入，元宇宙的快速发展在多个领域引起了广泛关注。本文着眼于元宇宙的起源、技术基础、当前应用以及对社会和经济的影响，探讨了其面临的隐私和安全问题，并展望了未来的发展方向。通过对元宇宙的多个方面进行深入分析，为理解和探索这一复杂前沿领域提供全面的理论框架，并为未来进一步对其进行研究和实践提供参考。 关键词：元宇宙；虚拟世界；应用技术；隐私安全；未来发展 中图分类号TP391.41 Surveyof Metaverse Technology Development and Applications CAOMingwei, ZHANGDi,PENGShengjie,LINingand ZHAOHaifeng Schoolof Computer Science and Technology, Anhui University, HefeiAnhui230601, China Abstract:The metaverse is a virtual world that integrates virtual reality, augmented reality,artificial intelligence,and internettechnologies, offering not only a digital immersive environment but also a new paradigm for social interaction and economicactivity. With the active investment of technology giants and innovative companies, the rapid development of the metaversehas garnered widespread attention across various fields. This paper reviews the origins, technological foundations, currentapplications, and socio-economic impacts of the metaverse, while also examining the privacy and security challenges it faces.By providing acomprehensive analysis of different aspects of the metaverse, this paper aims to offer a framework forunderstanding and exploring this complex frontier and to serve as a reference for future research and practice. Key Words：Metaverse,Virtualworld,Applicationtechnology,Privacy and security,Futuredevelopment 1引言 业纷纷在元宇宙中投入大量资源，致力于元宇宙相关技术和平台开发，力图在这一新兴领域中占据领先地位。例如，Facebook在2021年正式更名为Meta，标志着其转型为一家专注于构建元宇宙的公司，旗下的OculusVR设备为其元宇宙战略提供了硬件支持，并推出了如《Horizon Worlds》这样的虚拟社交平台，允许用户在虚拟空间中创建和参与各种活动。Microsoft在2021年推出了Microsoft Mesh平台，允许用户通过虚拟和增强现实技术进行跨平台的沉浸式协作。Mesh平台通过结合微软的云计算服务平台（Azure），为用户提供虚拟会议、 元宇宙（Metaverse）作为一个结合虚拟现实（VirtualReality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）以及互联网等多种先进技术的虚拟世界概念，描绘了一个融合现实与数字世界的全新社会和经济系统。近年来引起了广泛的关注和讨论，它是一个由数字技术创建的虚拟环境，用户可以在其中通过虚拟身份进行互动、交流、娱乐、工作和其他活动。元宇宙不仅仅是一个虚拟世界，它还代表了一种新的社会形态，许多科技公司和研究机构都在积极布局这一前沿领域，其具有广泛的应用前景和深远的影响。DUAN等[1]在研究中表明众多创新型企 这些技术已成为元宇宙沉浸式体验的核心支柱。VR与AR技术不仅为用户提供了视觉、听觉等多感官的沉浸体验，还通过改进的交互技术让用户与虚拟环境中的角色和物体实现了高度真实的互动。2021年Meta公司推出了更为轻便、性能更高的VR头显设备（Oculus），这标志着虚拟现实设备的技术瓶颈逐渐突破，进而推动了元宇宙的体验升级。区块链技术通过去中心化的方式，确保了虚拟资产的唯一性和安全性。区块链技术的发展不仅推动了虚拟艺术品、虚拟地产的交易，还为虚拟经济在元宇宙中的可持续发展奠定了基础。虚拟音乐会、虚拟演出等活动的流行使得文化创作与虚拟空间的结合成为一种趋势。 远程协作和混合现实体验。尽管Google没有像Meta那样大规模推广元宇宙概念，但其在AR和人工智能（Artificial Intelligence，AI）领域的研究为元宇宙奠定了基础。Epic Games宣布计划投入十亿美元用于推动元宇宙的发展，并与其他公司合作打造一个开放、互操作的元宇宙生态系统。元宇宙不仅是科技进步的展示，更代表了未来数字经济和社会互动的新模式。随着这些企业的持续投入，元宇宙将继续演化，成为未来社会不可或缺的一部分。 2021年被广泛称为“元宇宙元年”，标志着元宇宙从科幻概念走向现实应用的转折点。随着虚拟现实和增强现实技术的不断成熟，学者们在相关领域的研究显示， Fig.1ApplicationScenes toMetaverse[2] 保护用户隐私和确保数据安全是亟待解决的重要课题。再次，法律与伦理问题也是元宇宙发展中的重大挑战。由于元宇宙虚拟世界的去中心化和跨国界特性，传统的法律体系和监管机制可能无法有效适用于这一新兴领域，如何在虚拟世界中保护用户权益、规范经济活动、解决纠纷等问题仍需要深入研究。元宇宙的构建和发展是当今数字智能技术积累与创新的集中体现，它的潜力不仅在于技术上的突破，还在于对人类社会未来生活方式的深刻变革。未来的研究和实践需要在技术发展与社会应用之间找到平衡，既要推动技术创新，又要考虑社会责任，确保元宇宙的发展能够带来广泛的社会效益并应对可能的风险与挑战。 图1展示了元宇宙一些典型应用场景。元宇宙不仅代表当前科技发展的新趋势，它还代表了一种新的社会互动和经济模式。通过提供一个沉浸式、持续存在的虚拟空间，元宇宙有望改变人们的社交、工作、娱乐和教育方式。用户可以在元宇宙中创建和定制虚拟身份，参与虚拟经济，购买和交易数字资产，这些活动的范围和深度远超出当前的互联网体验的范畴。然而，元宇宙的快速发展也伴随着诸多挑战和风险。首先，技术限制仍然是元宇宙大规模应用的主要瓶颈。尽管虚拟现实和增强现实技术已经取得了显著进展，但要实现大规模、无缝的虚拟世界体验，仍需解决计算能力、带宽需求以及硬件设备的普及问题。其次，隐私和数据安全问题在元宇宙中更加突出。用户在虚拟世界中的行为、交易和身份信息可能面临黑客攻击、数据泄露等安全威胁，如何 本文首先介绍元宇宙的历史背景和概念定义，然后探讨其技术基础和主要应用平台，分析元宇宙对社会和 经济的潜在影响，以及面临的隐私和安全问题。目前关于元宇宙的相关综述研究仅总结了相关技术的发展与趋势，并未深入分析这些技术的实际应用场景。与此不同，本文结合一些元宇宙的真实案例，着重强调各种技术可实现的应用场景，并深入探讨在实现过程中所面临的挑战。最后，本文旨在全面综述元宇宙的起源、技术基础及其应用场景、社会与经济影响，以及未来的发展趋势与挑战。通过回顾相关文献与研究，希望为理解与探索元宇宙这一复杂且前沿的领域提供一个更加全面的框架，并为未来的研究和实践提供有益的参考。 要参考和启示。 2.2元宇宙的起源 “元宇宙”一词最早来源于科幻文学。尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）在1992年出版的小说《雪崩》（SnowCrash）中首次提出了“Metaverse”一词，描述了一个由计算机生成的虚拟的、沉浸式的数字世界[3]。在这个世界中，用户可使用虚拟身份进行互动。威廉·吉布森（William Gibson）在1984年的小说《神经漫游者》（Neuromancer）中也描述了一个类似的虚拟现实世界，尽管他没有使用“元宇宙”这个术语。许多电影和电视剧也探讨了类似元宇宙的虚拟现实概念。《黑客帝国》（The Matrix，1999）展示了一个完全沉浸式的虚拟世界，人类被连接到一个虚拟现实系统中，而现实世界只是一个模拟。《头号玩家》（Ready Player One，2018）则描绘了一个名为“绿洲”（OASIS）的虚拟世界，用户可以在其中探索、游戏和社交，这与现代元宇宙的概念非常契合。 2元宇宙概述 2.1元宇宙的概念 元宇宙作为一个新兴的虚拟世界概念。最具有代表性的定义是：“元宇宙”是一个平行世界，又独立于现实世界的虚拟空间，是映射现实世界的在线虚拟世界，是越来越真实的数字虚拟世界。元宇宙在技术、社会和经济等多个领域引起了广泛关注和深入讨论。尽管元宇宙的概念尚未有统一的定义，但在学术界和社会中对其有不同的理解和阐述。 元宇宙的概念也为后续虚拟游戏的发展以及其他艺术作品中对元宇宙的畅想提供了重要的启发。2003年推出的《第二人生》是一个早期的虚拟世界平台，用户可以在其中创建虚拟身份，建造虚拟财产，进行社交和商业活动。这一平台展示了用户生成内容和虚拟经济的潜力，被视为元宇宙的早期雏形之一。之后更是开启了虚拟世界在线游戏的新潮流。诸如《魔兽世界》（World ofWarcraft）和《最终幻想14》（Final Fantasy XIV）等大型多人在线角色扮演游戏为元宇宙概念基础提供了重要支持。这些游戏允许数百万玩家在同一个虚拟世界中互动、合作和竞争，展示了元宇宙在社交互动方面的巨大潜力。 Meta公司创始人扎克伯格将元宇宙描述为一种“具象化的互联网”，一个3D虚拟空间，用户可以通过虚拟现实设备进入其中，体验比传统社交媒体更为丰富的互动方式。元宇宙领域的著名作者Matthew Ball认为，元宇宙不仅仅是一个或几个虚拟空间的组合，而是一个广泛的生态系统，其中包含了多个相互连接的虚拟环境。Epic Games创始人兼首席执行官Tim Sweeney，将元宇宙定义为一个没有边界的虚拟世界网络，用户可以在这些世界中自由探索和创造，任何人都可以参与其中，共同构建一个共享的虚拟空间。Meta公司元宇宙内容副总裁Jason Rubin将元宇宙视为一个虚拟的经济体，用户可以在其中创建、共享和交易各种数字资产，如虚拟物品、虚拟房地产和虚拟货币等。Second Life创始人PhilipRosedale表明，元宇宙不仅是一个虚拟环境，还代表了一个新型的社会结构。在这个结构中，用户不仅是消费者，还是创造者，他们的行为、创造和互动将塑造这个虚拟世界的规则和文化。国外著名计算机科学家JaronLanier认为[5]，元宇宙作为一个开放平台的重要性，用户在其中扮演了核心角色，通过创造和互动，元宇宙得以不断演化和扩展。 2021年3月，游戏公司Roblox找到了一本29年前出版的科幻小说里面的概念“Metaverse”