“元宇宙”概念下的虚拟空间构建研究

孙弋戈，闫 楠，白树亮

（河北大学中央兰开夏传媒与创意学院，河北 保定 071000）

2021年10 月，随着美国社交网络公司脸谱网（Facebook）更名为“Meta”，“元宇宙”（Metaverse）这一概念迅速成为了互联网产业界的热点话题。“元宇宙”一词首次出现于美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森于1992年出版的小说《雪崩》中，它指在由人类创造出的一个高度模拟现实的三维虚拟世界，人类的大部分社会活动将在虚拟世界中进行。在之后的一些经典影视作品中，如由沃卓斯基兄弟执导的《黑客帝国》三部曲、细田守执导的动画电影《夏日大作战》以及由史蒂文·斯皮尔伯格执导的电影《头号玩家》，都对“元宇宙”这一概念进行了艺术化的延伸。将“元宇宙”作为未来互联网的发展方向时，需要对其概念及形态进行深入剖析，并对其技术需求进行评估。其中，动画技术与虚拟现实技术的结合，构成了“元宇宙”的基本视觉内容和体验形式。

自人类文明发展以来，“现实的本质”是一个常被探讨的问题。柏拉图在其著作《理想国》中提出了著名的洞穴理论，认为人们所感知到的一切事物都并非是真实的，它们仅仅是人们在“洞穴”中所看到的模拟，而现实则是存在于“洞外”的世界。庄子则以“庄周梦蝶”，提出了梦境（虚幻）与现实的关系问题，即如何分辨虚幻与现实？虚幻与现实有何界限？之后随着科学发展，人类对自身及自然的探索不断深入，发现了人类对事物的感知是由感觉器官接收外界信号而产生的神经模拟。普特南在其著作《理性，真理与历史》中提出了著名的“缸中之脑”悖论，即如果将人类大脑所有神经末梢连接到一台能模拟一切事物的计算机上，通过计算机向大脑传输模拟信号，那么人类将难以分辨这世界是真实的，还是模拟的。

随着互联网的诞生，人类社会发生了前所未有的变革。互联网是人类创造出的不同于物质世界的数字世界，是一个由数字信息所构成的虚拟空间。图像、声音、文字以及人类社会的各类信息都可以通过某种形式进行数字化模拟，并成为互联网的组成部分。在此背景下，人类的生活场景逐渐与数字世界相融合，现实与虚拟的界限也逐渐模糊。当今互联网已经成为人类个体及社会的延伸，手机及各类穿戴数码设备则是人类与数字世界连接的工具，甚至可以视做人类感知数字世界的感官。然而当今互联网的主要表现形态依旧限于二维的电子屏幕，与人类所处的三维空间各自独立。“元宇宙”作为未来互联网发展的一个方向，它基于各类数字技术、数码设备的发展，意在打造一个高度拟真的三维空间形态的互联网，从而将虚拟与现实完全融合。

“元宇宙”的概念在当前学界尚未有统一的描述，各领域学者都从不同角度进行了大量解读，但因其并未被完整地创造出来，从而缺乏统一的研究客体，导致其概念也在被不断杂糅。当前业界普遍认为，“元宇宙”并非是一套完全新颖的结构体系，而是基于以往概念的重构及延展，和对多项技术如虚拟现实、混合现实技术、区块链、云计算、5G通讯、数字货币、数字孪生等进行融合的产物。根据对互联网业界“元宇宙”布局愿景的解读，可以基本归纳出“元宇宙”的几点特征。

（1）高度拟真的三维数字空间。通过虚拟现实技术及三维模型渲染，构建出具有沉浸感的拟真世界。“元宇宙”运行设备需具备较高及连贯的帧率，以及高解析度的画面，并对观众视角变化做出即时反馈，从而使观众获得沉浸式体验感。同时，三维场景的视觉化表现风格可以是多样化的，但在多人共享时需具有统一的表现。

（2）多人共享的实时同步空间。“元宇宙”中的虚拟空间需做到可承载多人同时访问。虚拟空间中的所有信息都将实时同步到每台终端，对每个用户行为做到实时反馈。当用户（在权限范围内）添加或更改公共信息，此变化将即时同步至整体空间及其他用户终端。“元宇宙”具有时间上的连续性，它与现实时间同步，并持久存在。

（3）通过虚拟替身进行交互体验。在“元宇宙”的虚拟空间中，每个用户都将拥有虚拟替身作为个体的数字化延伸，虚拟替身可通过传声及行为指令进行人机交互和人人交互。交互行为也将实时同步至整个网络空间。虚拟替身将与用户形成绑定，使其作为“元宇宙”世界中的唯一身份。

（4）拥有与线下社会等效的经济系统。通过运用区块链技术及数字货币，在“元宇宙”世界中构建完善的经济体系。虚拟经济体系将至少包括数字生产、数字流通、数字消费三个部分。每个用户能够拥有长久的、可迁移的私有数字资产，并可通过数字货币对数字资产进行交易。同时，数字货币与现实货币具有等价性。数字资产的载体是数字信息，具有无限可复制的特性，因此系统需要构建出合理并统一的计划生产方案，以避免经济体系失效。

“元宇宙”在视觉空间上是以拟真的虚拟三维场景作为一切内容的载体，用户操控的数字替身和人工智能或人为生成的数字人组成的“居民”，共同构成“元宇宙”世界。打造“元宇宙”虚拟空间可利用当今三维动画及游戏制作技术，通过计算机图形学及人工智能算法的基础构架，模拟生成虚拟三维场景。“元宇宙”虚拟空间摆脱了现实物理空间的尺度约束，可在无限大的空间进行延展，从而使数字替身的活动范围与自由度远超现实世界。

“元宇宙”的基底空间主要是通过三维模型所构建，然而，其场景设计与传统的影视三维动画场景设计有所区别。首先，“元宇宙”三维场景中的大量图形数据将由用户端设备以及云端计算等方式进行实时渲染运算，而不是以影视三维动画中采用的离线渲染的方式制成，因此需要对场景模型进行特殊优化处理。因“元宇宙”中虚拟空间的最佳视觉表现需要使画面达到高帧率（如120fps以上）以及4k或8k以上分辨率，这对场景的三维模型优化以及图形图像算法提出了新的要求。当前通用做法是使用LOD（Level of Detail）技术对模型进行多级别分层，使场景模型的精度基于摄像机视角进行实时变化，根据摄像机与物体距离分配模型顶点数量精度，同时对用户视点外的三维模型进行渲染剔除。这种做法虽能够大幅降低场景图形运算量，但依然不足以实现完全拟真的效果。因此，若要实现“元宇宙”中的三维拟真场景，依旧需要计算机图形技术以及硬件性能的突破性革新。

其次，“元宇宙”三维场景中的摄像机视角将依据用户的行为所决定，无法继续沿用美学中的构图概念。例如在传统的三维动画中，三维场景的构建主要基于概念设计以及镜头的景别和构图，画面所呈现的视觉内容不以观众主观行为做出改变，因此在场景建设中，对于摄像机视角之外的场景模型可进行剔除，以减少建模工作量，提升场景渲染效率。而在“元宇宙”空间场景的设计中，设计师需要考虑用户行为和观看意图，以及用户在空间中所能自由移动的范围权限。虚拟现实场景可允许观众视点在三维空间中进行任意移动及浏览，如观众可全景环视整个场景，极近距离观察物体细节，或绕至物体后方观察背面等，因此在场景构建时，需制作出观众视点内完整的场景内容，以及近景处每个物体的全部细节，然而这也将极大地增加场景的三维模型承载量及数据信息。由此可见，“元宇宙”虚拟场景体验需要在保证高解析度及高帧率的同时，还要具备丰富的场景内容及各项物体细节，极高的计算量是打造“元宇宙”空间场景的一个难点所在。

基于以上“元宇宙”中三维场景的设计特点及所需技术可以得出，人们离实现类似《头号玩家》中的“元宇宙”还有很长一段距离。需要在计算机图形技术、信息传输技术、芯片技术等多个领域实现突破，才能够打造出具有高度拟真的虚拟现实场景。

（1）沉浸式数字艺术。当今数字媒体艺术主要是基于二维平面媒介放映，具有宽度和高度两个物理维度。观众自身视点与数字空间具有明确界限，视觉内容等同于“画中世界”，当观众视点移至画框以外，将被迅速拉回现实世界。用户视野中的遮挡物及周边环境都会影响虚拟空间体验中的沉浸感。

“元宇宙”的呈现形式是基于虚拟现实技术，创造出具有沉浸感的全景图像。观众的视点不会被外界所干扰或遮挡，从而形成完全的沉浸感体验。这项技术使得电影、动画等数字媒体艺术将不再被视框所约束，完整的戏剧场景得以表达。在此方面，三维动画技术将被广泛运用。不同于全景拍摄视频中的定点观影，实时渲染的三维动画场景可使观众自由在虚拟空间中进行移动，画面会根据观众视点位置实施调整，并使光影及透视等视觉信息做到实时匹配。这或将衍生出新的数字艺术形式。如沉浸式戏剧《不眠之夜》中，观众如同“幽灵”一样自由穿梭在戏剧场景中，突破空间的限制，体验沉浸式观影。这或将在“元宇宙”空间中成为普遍的艺术形式。

（2）数字替身与交互场景。在“元宇宙”概念下的虚拟世界中，社交功能是其核心要素之一。当今互联网的社交模式主要以文字、声音和视频为主，所有影像信息都是基于二维平面表达。在此交流方式下，人们无法获悉对方所处的环境以及全面的肢体信息，这对于生活在三维世界的人类来说，是非自然的。对此，“元宇宙”概念下的解决方案是使每位用户拥有一个虚拟角色作为替身进行社交活动，即数字替身。用户通过操纵数字替身，令其映射及传递本人肢体动作，从而在进行虚拟社交时，展现出更为完整的肢体语言表现力。数字替身通过拟真或卡通的人物形象进行设计创作，并以动画形式进行表演。

在虚拟空间中，人们可以构建虚拟交互设施，以适配各类场景功能需求。例如在虚拟教学场景中，通过设计虚拟教具及交互功能，可令教学示范和学生练习更加精确还原现实情景，并完全消除教学中对设备、仪器、耗材的损耗，也让很多具有较高教学条件及具有危险性的教学任务得以实施。

“元宇宙”系统下的虚拟空间源于对现实空间的模拟，但却能突破现实空间中存在的限制及壁垒。当“元宇宙”来临时，人们或从当今所处的社会空间中不断向虚拟空间迁移，或将面临一个高度融合的虚实空间。当数字空间生活成为社会主形态时，社会秩序或将产生巨大变革。目前来看，创造出理想的“元宇宙”依然需要漫长的时间，多方面技术的攻破以及规则的制定。