“元宇宙”概念下的虛擬空間構(gòu)建研究

孫弋戈，閆 楠，白樹(shù)亮

（河北大學(xué)中央蘭開(kāi)夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院，河北 保定 071000）

2021年10 月，隨著美國(guó)社交網(wǎng)絡(luò)公司臉譜網(wǎng)（Facebook）更名為“Meta”，“元宇宙”（Metaverse）這一概念迅速成為了互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)話題?！霸钪妗币辉~首次出現(xiàn)于美國(guó)科幻作家尼爾·斯蒂芬森于1992年出版的小說(shuō)《雪崩》中，它指在由人類創(chuàng)造出的一個(gè)高度模擬現(xiàn)實(shí)的三維虛擬世界，人類的大部分社會(huì)活動(dòng)將在虛擬世界中進(jìn)行。在之后的一些經(jīng)典影視作品中，如由沃卓斯基兄弟執(zhí)導(dǎo)的《黑客帝國(guó)》三部曲、細(xì)田守執(zhí)導(dǎo)的動(dòng)畫電影《夏日大作戰(zhàn)》以及由史蒂文·斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的電影《頭號(hào)玩家》，都對(duì)“元宇宙”這一概念進(jìn)行了藝術(shù)化的延伸。將“元宇宙”作為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向時(shí)，需要對(duì)其概念及形態(tài)進(jìn)行深入剖析，并對(duì)其技術(shù)需求進(jìn)行評(píng)估。其中，動(dòng)畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成了“元宇宙”的基本視覺(jué)內(nèi)容和體驗(yàn)形式。

1 打破虛幻與現(xiàn)實(shí)的壁壘——“元宇宙”的概念及特征

自人類文明發(fā)展以來(lái)，“現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)”是一個(gè)常被探討的問(wèn)題。柏拉圖在其著作《理想國(guó)》中提出了著名的洞穴理論，認(rèn)為人們所感知到的一切事物都并非是真實(shí)的，它們僅僅是人們?cè)凇岸囱ā敝兴吹降哪M，而現(xiàn)實(shí)則是存在于“洞外”的世界。莊子則以“莊周夢(mèng)蝶”，提出了夢(mèng)境（虛幻）與現(xiàn)實(shí)的關(guān)系問(wèn)題，即如何分辨虛幻與現(xiàn)實(shí)？虛幻與現(xiàn)實(shí)有何界限？之后隨著科學(xué)發(fā)展，人類對(duì)自身及自然的探索不斷深入，發(fā)現(xiàn)了人類對(duì)事物的感知是由感覺(jué)器官接收外界信號(hào)而產(chǎn)生的神經(jīng)模擬。普特南在其著作《理性，真理與歷史》中提出了著名的“缸中之腦”悖論，即如果將人類大腦所有神經(jīng)末梢連接到一臺(tái)能模擬一切事物的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)向大腦傳輸模擬信號(hào)，那么人類將難以分辨這世界是真實(shí)的，還是模擬的。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的誕生，人類社會(huì)發(fā)生了前所未有的變革。互聯(lián)網(wǎng)是人類創(chuàng)造出的不同于物質(zhì)世界的數(shù)字世界，是一個(gè)由數(shù)字信息所構(gòu)成的虛擬空間。圖像、聲音、文字以及人類社會(huì)的各類信息都可以通過(guò)某種形式進(jìn)行數(shù)字化模擬，并成為互聯(lián)網(wǎng)的組成部分。在此背景下，人類的生活場(chǎng)景逐漸與數(shù)字世界相融合，現(xiàn)實(shí)與虛擬的界限也逐漸模糊。當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人類個(gè)體及社會(huì)的延伸，手機(jī)及各類穿戴數(shù)碼設(shè)備則是人類與數(shù)字世界連接的工具，甚至可以視做人類感知數(shù)字世界的感官。然而當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的主要表現(xiàn)形態(tài)依舊限于二維的電子屏幕，與人類所處的三維空間各自獨(dú)立?！霸钪妗弊鳛槲磥?lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)方向，它基于各類數(shù)字技術(shù)、數(shù)碼設(shè)備的發(fā)展，意在打造一個(gè)高度擬真的三維空間形態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)，從而將虛擬與現(xiàn)實(shí)完全融合。

“元宇宙”的概念在當(dāng)前學(xué)界尚未有統(tǒng)一的描述，各領(lǐng)域?qū)W者都從不同角度進(jìn)行了大量解讀，但因其并未被完整地創(chuàng)造出來(lái)，從而缺乏統(tǒng)一的研究客體，導(dǎo)致其概念也在被不斷雜糅。當(dāng)前業(yè)界普遍認(rèn)為，“元宇宙”并非是一套完全新穎的結(jié)構(gòu)體系，而是基于以往概念的重構(gòu)及延展，和對(duì)多項(xiàng)技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、5G通訊、數(shù)字貨幣、數(shù)字孿生等進(jìn)行融合的產(chǎn)物。根據(jù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)界“元宇宙”布局愿景的解讀，可以基本歸納出“元宇宙”的幾點(diǎn)特征。

（1）高度擬真的三維數(shù)字空間。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及三維模型渲染，構(gòu)建出具有沉浸感的擬真世界?！霸钪妗边\(yùn)行設(shè)備需具備較高及連貫的幀率，以及高解析度的畫面，并對(duì)觀眾視角變化做出即時(shí)反饋，從而使觀眾獲得沉浸式體驗(yàn)感。同時(shí)，三維場(chǎng)景的視覺(jué)化表現(xiàn)風(fēng)格可以是多樣化的，但在多人共享時(shí)需具有統(tǒng)一的表現(xiàn)。

（2）多人共享的實(shí)時(shí)同步空間?！霸钪妗敝械奶摂M空間需做到可承載多人同時(shí)訪問(wèn)。虛擬空間中的所有信息都將實(shí)時(shí)同步到每臺(tái)終端，對(duì)每個(gè)用戶行為做到實(shí)時(shí)反饋。當(dāng)用戶（在權(quán)限范圍內(nèi)）添加或更改公共信息，此變化將即時(shí)同步至整體空間及其他用戶終端?！霸钪妗本哂袝r(shí)間上的連續(xù)性，它與現(xiàn)實(shí)時(shí)間同步，并持久存在。

（3）通過(guò)虛擬替身進(jìn)行交互體驗(yàn)。在“元宇宙”的虛擬空間中，每個(gè)用戶都將擁有虛擬替身作為個(gè)體的數(shù)字化延伸，虛擬替身可通過(guò)傳聲及行為指令進(jìn)行人機(jī)交互和人人交互。交互行為也將實(shí)時(shí)同步至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間。虛擬替身將與用戶形成綁定，使其作為“元宇宙”世界中的唯一身份。

（4）擁有與線下社會(huì)等效的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)及數(shù)字貨幣，在“元宇宙”世界中構(gòu)建完善的經(jīng)濟(jì)體系。虛擬經(jīng)濟(jì)體系將至少包括數(shù)字生產(chǎn)、數(shù)字流通、數(shù)字消費(fèi)三個(gè)部分。每個(gè)用戶能夠擁有長(zhǎng)久的、可遷移的私有數(shù)字資產(chǎn)，并可通過(guò)數(shù)字貨幣對(duì)數(shù)字資產(chǎn)進(jìn)行交易。同時(shí)，數(shù)字貨幣與現(xiàn)實(shí)貨幣具有等價(jià)性。數(shù)字資產(chǎn)的載體是數(shù)字信息，具有無(wú)限可復(fù)制的特性，因此系統(tǒng)需要構(gòu)建出合理并統(tǒng)一的計(jì)劃生產(chǎn)方案，以避免經(jīng)濟(jì)體系失效。

2 “元宇宙”中的三維空間構(gòu)建

“元宇宙”在視覺(jué)空間上是以擬真的虛擬三維場(chǎng)景作為一切內(nèi)容的載體，用戶操控的數(shù)字替身和人工智能或人為生成的數(shù)字人組成的“居民”，共同構(gòu)成“元宇宙”世界。打造“元宇宙”虛擬空間可利用當(dāng)今三維動(dòng)畫及游戲制作技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及人工智能算法的基礎(chǔ)構(gòu)架，模擬生成虛擬三維場(chǎng)景?！霸钪妗碧摂M空間擺脫了現(xiàn)實(shí)物理空間的尺度約束，可在無(wú)限大的空間進(jìn)行延展，從而使數(shù)字替身的活動(dòng)范圍與自由度遠(yuǎn)超現(xiàn)實(shí)世界。

“元宇宙”的基底空間主要是通過(guò)三維模型所構(gòu)建，然而，其場(chǎng)景設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的影視三維動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)計(jì)有所區(qū)別。首先，“元宇宙”三維場(chǎng)景中的大量圖形數(shù)據(jù)將由用戶端設(shè)備以及云端計(jì)算等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染運(yùn)算，而不是以影視三維動(dòng)畫中采用的離線渲染的方式制成，因此需要對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行特殊優(yōu)化處理。因“元宇宙”中虛擬空間的最佳視覺(jué)表現(xiàn)需要使畫面達(dá)到高幀率（如120fps以上）以及4k或8k以上分辨率，這對(duì)場(chǎng)景的三維模型優(yōu)化以及圖形圖像算法提出了新的要求。當(dāng)前通用做法是使用LOD（Level of Detail）技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行多級(jí)別分層，使場(chǎng)景模型的精度基于攝像機(jī)視角進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，根據(jù)攝像機(jī)與物體距離分配模型頂點(diǎn)數(shù)量精度，同時(shí)對(duì)用戶視點(diǎn)外的三維模型進(jìn)行渲染剔除。這種做法雖能夠大幅降低場(chǎng)景圖形運(yùn)算量，但依然不足以實(shí)現(xiàn)完全擬真的效果。因此，若要實(shí)現(xiàn)“元宇宙”中的三維擬真場(chǎng)景，依舊需要計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)以及硬件性能的突破性革新。

其次，“元宇宙”三維場(chǎng)景中的攝像機(jī)視角將依據(jù)用戶的行為所決定，無(wú)法繼續(xù)沿用美學(xué)中的構(gòu)圖概念。例如在傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫中，三維場(chǎng)景的構(gòu)建主要基于概念設(shè)計(jì)以及鏡頭的景別和構(gòu)圖，畫面所呈現(xiàn)的視覺(jué)內(nèi)容不以觀眾主觀行為做出改變，因此在場(chǎng)景建設(shè)中，對(duì)于攝像機(jī)視角之外的場(chǎng)景模型可進(jìn)行剔除，以減少建模工作量，提升場(chǎng)景渲染效率。而在“元宇宙”空間場(chǎng)景的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需要考慮用戶行為和觀看意圖，以及用戶在空間中所能自由移動(dòng)的范圍權(quán)限。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可允許觀眾視點(diǎn)在三維空間中進(jìn)行任意移動(dòng)及瀏覽，如觀眾可全景環(huán)視整個(gè)場(chǎng)景，極近距離觀察物體細(xì)節(jié)，或繞至物體后方觀察背面等，因此在場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，需制作出觀眾視點(diǎn)內(nèi)完整的場(chǎng)景內(nèi)容，以及近景處每個(gè)物體的全部細(xì)節(jié)，然而這也將極大地增加場(chǎng)景的三維模型承載量及數(shù)據(jù)信息。由此可見(jiàn)，“元宇宙”虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)需要在保證高解析度及高幀率的同時(shí)，還要具備豐富的場(chǎng)景內(nèi)容及各項(xiàng)物體細(xì)節(jié)，極高的計(jì)算量是打造“元宇宙”空間場(chǎng)景的一個(gè)難點(diǎn)所在。

基于以上“元宇宙”中三維場(chǎng)景的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及所需技術(shù)可以得出，人們離實(shí)現(xiàn)類似《頭號(hào)玩家》中的“元宇宙”還有很長(zhǎng)一段距離。需要在計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、芯片技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，才能夠打造出具有高度擬真的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

3 “元宇宙”虛擬空間的應(yīng)用

（1）沉浸式數(shù)字藝術(shù)。當(dāng)今數(shù)字媒體藝術(shù)主要是基于二維平面媒介放映，具有寬度和高度兩個(gè)物理維度。觀眾自身視點(diǎn)與數(shù)字空間具有明確界限，視覺(jué)內(nèi)容等同于“畫中世界”，當(dāng)觀眾視點(diǎn)移至畫框以外，將被迅速拉回現(xiàn)實(shí)世界。用戶視野中的遮擋物及周邊環(huán)境都會(huì)影響虛擬空間體驗(yàn)中的沉浸感。

“元宇宙”的呈現(xiàn)形式是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)造出具有沉浸感的全景圖像。觀眾的視點(diǎn)不會(huì)被外界所干擾或遮擋，從而形成完全的沉浸感體驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)使得電影、動(dòng)畫等數(shù)字媒體藝術(shù)將不再被視框所約束，完整的戲劇場(chǎng)景得以表達(dá)。在此方面，三維動(dòng)畫技術(shù)將被廣泛運(yùn)用。不同于全景拍攝視頻中的定點(diǎn)觀影，實(shí)時(shí)渲染的三維動(dòng)畫場(chǎng)景可使觀眾自由在虛擬空間中進(jìn)行移動(dòng)，畫面會(huì)根據(jù)觀眾視點(diǎn)位置實(shí)施調(diào)整，并使光影及透視等視覺(jué)信息做到實(shí)時(shí)匹配。這或?qū)⒀苌鲂碌臄?shù)字藝術(shù)形式。如沉浸式戲劇《不眠之夜》中，觀眾如同“幽靈”一樣自由穿梭在戲劇場(chǎng)景中，突破空間的限制，體驗(yàn)沉浸式觀影。這或?qū)⒃凇霸钪妗笨臻g中成為普遍的藝術(shù)形式。

（2）數(shù)字替身與交互場(chǎng)景。在“元宇宙”概念下的虛擬世界中，社交功能是其核心要素之一。當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的社交模式主要以文字、聲音和視頻為主，所有影像信息都是基于二維平面表達(dá)。在此交流方式下，人們無(wú)法獲悉對(duì)方所處的環(huán)境以及全面的肢體信息，這對(duì)于生活在三維世界的人類來(lái)說(shuō)，是非自然的。對(duì)此，“元宇宙”概念下的解決方案是使每位用戶擁有一個(gè)虛擬角色作為替身進(jìn)行社交活動(dòng)，即數(shù)字替身。用戶通過(guò)操縱數(shù)字替身，令其映射及傳遞本人肢體動(dòng)作，從而在進(jìn)行虛擬社交時(shí)，展現(xiàn)出更為完整的肢體語(yǔ)言表現(xiàn)力。數(shù)字替身通過(guò)擬真或卡通的人物形象進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作，并以動(dòng)畫形式進(jìn)行表演。

在虛擬空間中，人們可以構(gòu)建虛擬交互設(shè)施，以適配各類場(chǎng)景功能需求。例如在虛擬教學(xué)場(chǎng)景中，通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬教具及交互功能，可令教學(xué)示范和學(xué)生練習(xí)更加精確還原現(xiàn)實(shí)情景，并完全消除教學(xué)中對(duì)設(shè)備、儀器、耗材的損耗，也讓很多具有較高教學(xué)條件及具有危險(xiǎn)性的教學(xué)任務(wù)得以實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

“元宇宙”系統(tǒng)下的虛擬空間源于對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的模擬，但卻能突破現(xiàn)實(shí)空間中存在的限制及壁壘。當(dāng)“元宇宙”來(lái)臨時(shí)，人們或從當(dāng)今所處的社會(huì)空間中不斷向虛擬空間遷移，或?qū)⒚媾R一個(gè)高度融合的虛實(shí)空間。當(dāng)數(shù)字空間生活成為社會(huì)主形態(tài)時(shí)，社會(huì)秩序或?qū)a(chǎn)生巨大變革。目前來(lái)看，創(chuàng)造出理想的“元宇宙”依然需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，多方面技術(shù)的攻破以及規(guī)則的制定。