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文/俊宏
來(lái)源/錦緞（ID：jinduan006）
2020年11月，騰訊一年一度的內(nèi)刊《三觀》里，馬化騰談到了“全真互聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念。作為整本刊物的前言，他這樣說(shuō)道:
”現(xiàn)在，一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)正在到來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)十年發(fā)展，即將迎來(lái)下一波升級(jí)，我們稱之為全真互聯(lián)網(wǎng)。從實(shí)時(shí)通信到音視頻等一系列基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，計(jì)算能力快速提升，推動(dòng)信息接觸、人機(jī)交互的模式發(fā)生更豐富的變化……我相信又一場(chǎng)大洗牌即將開(kāi)始。就像移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型一樣，上不了船的人將逐漸落伍?！?/p>
2011年4月，字節(jié)跳動(dòng)以一億元投資元宇宙概念公司代碼乾坤，打響了國(guó)內(nèi)大廠入駐的第一槍。8月，百度世界大會(huì)開(kāi)放VR會(huì)場(chǎng)，讓無(wú)法親歷會(huì)場(chǎng)的參與者們可以通過(guò)虛擬的方式參加。同月，國(guó)內(nèi)VR創(chuàng)業(yè)公司Pico在全員信中披露公司已被字節(jié)跳動(dòng)收購(gòu)；英偉達(dá)面向全球的工程師發(fā)布了全球首個(gè)為元宇宙建立提供基礎(chǔ)的模擬和協(xié)作平臺(tái)Omniverse。10月，F(xiàn)acebook和微軟相繼宣布進(jìn)軍元宇宙。
全球科技大廠如下餃子一般或進(jìn)入，或斥以重金搶奪元宇宙的“領(lǐng)土”。
今天，我們將撥開(kāi)元宇宙的面紗——從VR硬件、VR/AR交互、5G、物聯(lián)網(wǎng)這四項(xiàng)元宇宙基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析：進(jìn)入元宇宙，我們準(zhǔn)備的怎么樣了？
01
功夫深不深，要看桶短板
【1】體驗(yàn)元宇宙，首先要進(jìn)入元宇宙。
目前進(jìn)入元宇宙的路徑一般認(rèn)為是VR/AR，但VR在今天仍然被認(rèn)為是一項(xiàng)“不那么成熟的產(chǎn)品”。
1987年，美國(guó)“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”Jaron Lanier首次提出VR概念.其創(chuàng)建的VPL公司隨后研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括Data Glove頭顯和配套的Eye Phone手套。但直到2010年之前，VR大多數(shù)的應(yīng)用還停留在科研機(jī)構(gòu)和軍方實(shí)驗(yàn)室，難以通過(guò)商用的方式進(jìn)入廣大消費(fèi)者的視野。
直到2012年，Oculus Rift通過(guò)對(duì)成本、延遲、視域和舒適度等方面上做了大幅度的改善，VR才開(kāi)始被資本關(guān)注。在這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了以Google為首的多家科技巨頭進(jìn)軍VR領(lǐng)域，帶動(dòng)了第一波VR/AR熱潮。
2014年5月，Google在美國(guó)市場(chǎng)公開(kāi)發(fā)售Google眼鏡。同年7月，F(xiàn)acebook耗資30億美元完成收購(gòu)Oculus。次年3月，HTC發(fā)布了Vive頭顯。該產(chǎn)品在當(dāng)年被稱為“最好用的VR設(shè)備”之一。
但不幸的是，這一代VR價(jià)格對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴、芯片性能不足、VR佩戴插線限制行動(dòng)、體驗(yàn)內(nèi)容太少。以上種種原因?qū)е逻@波浪潮最終以少數(shù)人的體驗(yàn)而告終。
在顯示方面的原因是，當(dāng)時(shí)主要的顯示元件為了防止LED屏幕的余輝效應(yīng)和延遲而選擇OLED屏幕。但當(dāng)時(shí)中小消費(fèi)級(jí)OLED屏幕的生產(chǎn)商三星無(wú)法解決OLED產(chǎn)品良率的問(wèn)題，使得成本始終壓不下來(lái)，設(shè)備價(jià)格高成了限制體驗(yàn)的第一道門檻。
此外，受制于當(dāng)年移動(dòng)消費(fèi)級(jí)芯片對(duì)于視頻解碼的限制。以HTC VIVE為例，它采用的是對(duì)應(yīng)雙眼的兩塊1080p屏幕。雖然在當(dāng)時(shí)手機(jī)的分辨率大多是1080p，但這種分辨率應(yīng)用在近眼顯示的結(jié)果被吐槽“大果?！焙图喆靶?yīng)嚴(yán)重。對(duì)于芯片的解決方案，高通在2019年12月才首次發(fā)布XR專用高端芯片XR2。而在此之前，VR產(chǎn)品一直主要使用手機(jī)處理器。
顯示層面的門檻讓用戶尷尬，而內(nèi)容的匱乏才更為“坑爹”。目前主流VR內(nèi)容平臺(tái)只有Steam，截止到今天，VR內(nèi)容數(shù)量為四千多款。相比其他內(nèi)容，大多是以前已發(fā)售內(nèi)容的復(fù)刻，原創(chuàng)內(nèi)容數(shù)量少，且可體驗(yàn)地部分內(nèi)容不夠優(yōu)質(zhì)。這一切表現(xiàn)讓當(dāng)時(shí)嘗鮮和科技愛(ài)好者大呼上當(dāng)，沒(méi)什么內(nèi)容支撐讓這些價(jià)值不菲的設(shè)備難逃“吃灰”的命運(yùn)。
時(shí)間來(lái)到今天，VR整體市場(chǎng)隨著Oculus Quest 2的發(fā)布開(kāi)始重新回暖。加之被譽(yù)為迄今為止最好的VR游戲《半條命Alyx》發(fā)售，和如今鋪天蓋地的關(guān)于元宇宙的宣傳，這使得VR設(shè)備再次被推到風(fēng)口浪尖。這一波浪潮看似符合被稱為VR元年的2016年Ganther給出的科技成熟度曲線的預(yù)測(cè)，VR開(kāi)始由低谷期走向成熟期。但其實(shí)VR設(shè)備的缺陷和要補(bǔ)的功課還有很多。
在顯示領(lǐng)域，隨著市場(chǎng)需求日漸清晰，業(yè)界對(duì)VR顯示領(lǐng)域表現(xiàn)出更高的期待，但目前的產(chǎn)品表現(xiàn)仍然受限于核心光學(xué)器件與顯示方案的發(fā)展。在當(dāng)前，主流代表性VR采用的是快速響應(yīng)液晶的解決方案，如 Quest 2采用一塊改良后的Fast-LCD替換了上代產(chǎn)品中的兩塊AMOLED。這塊屏幕的特性主要表現(xiàn)為超高清（分辨率接近4K）、輕薄，同時(shí)兼顧了成本。
縱然有4K的分辨率，這塊屏幕在顯示效果上，還遠(yuǎn)稱不上“科學(xué)”。這是由于頭戴式設(shè)備屏幕距離眼睛非常近，研究表明合適的VR顯示器理想像素密度需要在2000ppi以上。但這已經(jīng)遠(yuǎn)超目前LCD和OLED顯示器可以達(dá)到的水平。
在顯示領(lǐng)域，Micro-LED將成為繼LCD和OLED后的下一代顯示技術(shù)。廣闊市場(chǎng)前景致使諸多行業(yè)巨頭加速戰(zhàn)略布局，蘋果（LuxVue）、Meta（InfiniLED）、谷歌（Glo）、英特爾（Aledia）等紛紛投資或收購(gòu)該領(lǐng)域初創(chuàng)公司。國(guó)內(nèi)主要面板廠商（京東方、華星光電、三安光電）目前也都在有緊跟布局。
Micro-LED具備低功耗、高亮度、高對(duì)比、反應(yīng)速度快、厚度薄等應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示的優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)階段由于LED外延片成本高，產(chǎn)品良率尚未達(dá)到可量產(chǎn)的水平，綜合當(dāng)前Micro-LED廠商量產(chǎn)計(jì)劃來(lái)看，可能要在2022年才能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。
在顯示方案上，VR頭顯作為以人眼為中心的光學(xué)結(jié)構(gòu)件。視覺(jué)質(zhì)量、體積重量、視場(chǎng)角、成本等之間的權(quán)衡是VR產(chǎn)品生產(chǎn)的重點(diǎn)指標(biāo)。這其中，頭顯的重量可以說(shuō)是用戶體驗(yàn)最直觀的感受。
目前的主流產(chǎn)品Oculus Quest 2的重量為503g，而HTC VIVE Focus 3的重量高達(dá)785g。頭戴一斤的顯示器先不說(shuō)舒適度，頭部重心前傾對(duì)頸椎的壓迫也不得不關(guān)注。目前關(guān)于VR頭顯主流方案是菲涅爾透鏡，這種解決方案要求透鏡與顯示面板之間必須保持一定距離。
通過(guò)這個(gè)方案能在一定程度上協(xié)調(diào)可視角度、畫質(zhì)、成本，但在顯示模組的大小和重量上就顯得“壓不住“了。（圖片來(lái)源GOROman拆解的Oculus Quest 2）
為了解決這個(gè)問(wèn)題，利用超薄VR（Pancake）的半透半反偏振膜的雙透鏡系統(tǒng)折疊光學(xué)路徑，可以將頭顯重量降至200g以內(nèi)，體積縮減至傳統(tǒng)終端的三分之一。在解決重量與便攜性的難題之余，還可保證較好的顯示效果及更大的視場(chǎng)角。但該方案的缺點(diǎn)也是由于需要處理透鏡界面的多次反射等原因造成的“鬼影“現(xiàn)象，在這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的亮度損耗。
這意味著，Pancake方案若想實(shí)現(xiàn)與菲涅爾透鏡方案頭顯相同的亮度，則需要采用更高亮度的顯示面板。而這部分缺陷在未來(lái)或?qū)㈦S著Micro-LED的量產(chǎn)進(jìn)而強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，形成最終解決方案。（圖片：Pancake顯示方案原理圖）
在2021年的今天，VR頭顯技術(shù)和產(chǎn)能上開(kāi)始逐漸成熟，價(jià)格也逐漸降至一般玩家比較容易接受的區(qū)間。根據(jù)調(diào)查顯示，在2021年的雙十一期間，各大國(guó)內(nèi)電商合計(jì)銷售VR頭顯設(shè)備超過(guò)90000臺(tái)。這代表了消費(fèi)者目前對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的認(rèn)可，但未來(lái)的細(xì)節(jié)上的修補(bǔ)，還有很多可以進(jìn)步。
【2】元宇宙體驗(yàn)的爽不爽，得看交互“暢”不“暢”。
當(dāng)通過(guò)了體驗(yàn)VR/AR進(jìn)入元宇宙世界的門檻之后，要想深度體驗(yàn)就要靠交互。在被稱為VR元年的2016年，小米跟隨潮流做了小米VR眼鏡玩具版。該產(chǎn)品是一個(gè)VR盒子配套一個(gè)APP聯(lián)合手機(jī)使用。該應(yīng)用在初期只支持手機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)擺放，如果沒(méi)有旋轉(zhuǎn)正確，該應(yīng)用會(huì)一直停留在把手機(jī)放進(jìn)盒子的界面。如此“智障”的交互體驗(yàn)讓部分用戶不知所措。甚至一些用戶卡在這個(gè)界面之后一怒之下便放棄了體驗(yàn)。
壞的交互體驗(yàn)相當(dāng)于給用戶設(shè)置了不必要的“門檻“。同時(shí)限制了開(kāi)發(fā)者在元宇宙中精心勾勒世界的能力。交互決定了元宇宙能被用戶接受的下限，但同樣，好的交互能給用戶參與這個(gè)世界帶來(lái)無(wú)限可能。由于VR和AR的形式不同，我們分別來(lái)看這兩個(gè)入口的硬件和軟件交互。
VR硬件，滿足基本需求容易，擴(kuò)展很難。VR的基本設(shè)計(jì)思路是產(chǎn)生人工刺激從而打造虛擬的感覺(jué)。電影《黑客帝國(guó)》的腦機(jī)接口和電影《頭號(hào)玩家》的VR加上體感衣的組合就是這樣的暢想。但目前的VR硬件的主流配置還是在頭顯上做文章。
由于用戶需要帶著遮蔽雙眼的頭顯來(lái)體驗(yàn)VR，保證在移動(dòng)過(guò)程中的安全和設(shè)置游玩邊界就顯得至關(guān)重要。定位追蹤技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上主要分為兩類，即“Outside-in”和“Inside-out”。Outside-in追蹤定位技術(shù)需要在房間里放置傳感器。消費(fèi)者需要額外在定位設(shè)備上多花一筆錢之外，該方案還對(duì)布置空間的大小做了要求。
2017年微軟Hololens采用Inside-out方案后，這種擺脫外部設(shè)備的追蹤技術(shù)便迅速開(kāi)始取代之前的方案。Inside-out追蹤定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的無(wú)繩化。隨著機(jī)器視覺(jué)算法的逐步成熟，Inside-out方案僅靠VR頭顯上的攝像頭即可準(zhǔn)確定位，有效降低了硬件成本。Inside-out方案是使用相應(yīng)的算法計(jì)算出物體的位置信息（包括三軸及旋轉(zhuǎn)共六個(gè)自由度，這就是6DOF的含義）。
隨著算法及算力的成熟，VR設(shè)備從初期的3DOF向6DOF演進(jìn)。如Oculus推出首款6DOF一體機(jī)Oculus Quest；Pico將其3DOF的Pico小怪獸升級(jí)為6DOF的Pico Neo。在用戶輸入端，手柄控制依然是目前主流，方式是融合Inside-out 6DOF頭動(dòng)+6DOF手柄交互。代表廠商包括Oculus Quest、Pico、Nolo（凌宇智控）、Ximmerse（燧光）等。（圖片：Outside-in原理示意圖）
VR手柄的設(shè)計(jì)在不同廠商的設(shè)計(jì)上有較大不同，但通常都會(huì)以搖桿、觸摸板、操作按鈕，配合握柄傳感器進(jìn)行交互的方式作為解決方案。但手持控制器的操作方式在內(nèi)容開(kāi)發(fā)者的適配和用戶的學(xué)習(xí)上，仍然存在門檻。裸手交互，放棄采用控制器的方案便逐漸被提到臺(tái)前。
該方案需要識(shí)別出手部骨架的關(guān)鍵點(diǎn)，輔以算法來(lái)識(shí)別手部的姿態(tài)和位置。裸手交互的硬件方案包括RGB攝像頭、3D攝像頭（TOF、結(jié)構(gòu)光、雙目視覺(jué)）和數(shù)據(jù)手套等。
目前業(yè)界在該領(lǐng)域仍然是探索的姿態(tài)，Leap Motion、uSens采用的是雙目紅外相機(jī)方案，但在操作精度上還不能令人滿意。Meta公司提出的是智能手套的解決方案，同時(shí)通過(guò)每個(gè)手指上放置執(zhí)行器（actuator）來(lái)實(shí)現(xiàn)擬真觸覺(jué)。雖然該方案保證了精度，但成本（原型機(jī)成本約5000美元）是個(gè)大問(wèn)題。
除了這些控制器的改良，VR座艙、萬(wàn)向跑步機(jī)等等一系列VR交互配件的研究才剛剛開(kāi)始。VR頭顯配合控制器的解決方案目前只是僅僅的把VR設(shè)備從“不好用”提升到了“能湊活用”的水平。未來(lái)在交互硬件上的研究和發(fā)展還有很長(zhǎng)的路。
VR軟件，走出“虛擬桌面”，身臨其境還有多遠(yuǎn)？虛擬現(xiàn)實(shí)的操作優(yōu)化同樣是交互的重要技術(shù)方向。結(jié)合VR的顯示特性使得虛擬現(xiàn)實(shí)OS有望成為首個(gè)3D化操作系統(tǒng)，但目前對(duì)于虛擬OS的應(yīng)用開(kāi)發(fā)是建立在移動(dòng)端OS樣態(tài)的繼承之上的。虛擬現(xiàn)實(shí)OS在操作系統(tǒng)和底層軟件上繼承了移動(dòng)端特性。
視覺(jué)上，用戶目之所及即為操作界面。好處是在3D圖形渲染、內(nèi)容傳輸、顯示上相比平面顯示器存在巨大優(yōu)勢(shì)。但受限于視野，虛擬顯示仍無(wú)法逃脫以操作對(duì)象為導(dǎo)向的呈現(xiàn)方案。這導(dǎo)致使用VR的控制臺(tái)雖然擁有著控制器的多功能，但在交互上仍然要受限于“桌面應(yīng)用”的尷尬境地。
在VR軟件交互需要結(jié)合感知交互，凸顯穩(wěn)態(tài)、實(shí)時(shí)等特性。虛擬現(xiàn)實(shí)OS不論用戶主動(dòng)操作與否，從姿態(tài)到渲染需保持實(shí)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。此外多方位呈現(xiàn)效果要配合用戶的來(lái)回切換觀看，現(xiàn)實(shí)延時(shí)同樣也是其中的核心技術(shù)挑戰(zhàn)，不然會(huì)直接導(dǎo)致眩暈。在圖形渲染方面，由于復(fù)雜合成系統(tǒng)將帶來(lái)高渲染延遲，虛擬現(xiàn)實(shí)OS不能照搬移動(dòng)端的2D圖層疊加的渲染方式，虛擬現(xiàn)實(shí)OS必須找到自己的優(yōu)化方式。
在畫面呈現(xiàn)與傳感器的交互上，虛擬現(xiàn)實(shí)OS同樣要找到比移動(dòng)端的手指滑動(dòng)和打開(kāi)菜單更便捷的操作方式。除了呈現(xiàn)效果之外，解決用戶無(wú)意識(shí)操作失誤等誤判問(wèn)題，也是接下來(lái)要不斷優(yōu)化的方向。例如手抖，或同時(shí)打開(kāi)太多界面切換觀看所導(dǎo)致的眩暈等。
如今，3D 開(kāi)發(fā)工具在2D面板上的應(yīng)用早已成熟，開(kāi)始逐步走向簡(jiǎn)單化、輕量化、可視化。目前市場(chǎng)上是以虛幻、寒霜、起源引擎等為3D圖形開(kāi)發(fā)引擎為代表，主要應(yīng)用于游戲、影視等內(nèi)容生產(chǎn)。
虛擬空間的圖形交互和開(kāi)發(fā)要比在2D面板上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但虛擬現(xiàn)實(shí)OS目前的易用性還不足以支持開(kāi)發(fā)者身臨其境的創(chuàng)造。創(chuàng)造在元宇宙，借用這些圖形引擎已經(jīng)極為便利。但在元宇宙中的創(chuàng)造，或許還要再等等。
AR硬件，光學(xué)顯示，多重路徑艱難大亂斗。2012年的google glass讓眾多科幻愛(ài)好者直呼未來(lái)已至；2016年《Pokemon Go》的火爆也讓大眾第一次直觀感受到AR的魅力。目前比較成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的光學(xué)顯示方案主要分為棱鏡方案（Google Glass）、birdbath方案（聯(lián)想Mirage AR）、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和光波導(dǎo)方案。
其中棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案這三種方案中都存在視覺(jué)效果和設(shè)備體積的矛盾，即視場(chǎng)角越大，光學(xué)鏡片就越厚，體積響應(yīng)的就大。這種矛盾導(dǎo)致這三種方案在智能穿戴上受限。
離軸全息透鏡方案雖然能夠減小裝置體積，但是需要定制且視域小和分辨率低，也稱不上實(shí)用。在微軟（HoloLens）、Google、Megic Leap、DigiLens等廠家的推進(jìn)下，光波導(dǎo)技術(shù)逐漸成為AR硬件顯示的主流方案。雖然光波導(dǎo)的方案雖然相對(duì)其他較好，但是仍然有極其鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)。
光波導(dǎo)方案目前主流采用的是幾何光波導(dǎo)中的偏振陣列光波導(dǎo)方案和衍射光波導(dǎo)中的表面浮雕光柵波導(dǎo)方案和體全息光柵波導(dǎo)方案。光波導(dǎo)方案的基礎(chǔ)原理是通過(guò)在顯示區(qū)域材料中放入夾層的方式，把光源發(fā)出的光通過(guò)夾層的控制，把光源直接反射到人眼，從而實(shí)現(xiàn)可視化。
光波導(dǎo)能夠通過(guò)一維和二維技術(shù)增大動(dòng)眼眶，從而適應(yīng)更多人群，進(jìn)而推動(dòng)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。但由于光在材料內(nèi)部反射和輸出的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致能量損失，使得該方案的光學(xué)效率較低。對(duì)于幾何波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，冗繁的制造工藝導(dǎo)致當(dāng)下產(chǎn)品良率低。而衍射波導(dǎo)容易使得輸入光源產(chǎn)生色散，設(shè)計(jì)門檻較高。
短期來(lái)看，AR顯示設(shè)備在工藝和路線上還有很多可以完善進(jìn)步。但同時(shí)，高壁壘和潛在廣闊的市場(chǎng)空間也帶給這個(gè)賽道大把的機(jī)遇。目前已有產(chǎn)品的光波導(dǎo)AR頭顯企業(yè)有亮亮視野、理光、Rokid、Vuzix等。
光學(xué)元件在AR終端成本中占據(jù)約一半的成本。暫且不論其他部分，顯示作為用戶接觸設(shè)備的第一步，還有很長(zhǎng)的路要走。
圖片來(lái)源：中信建投
AR軟件，SLAM開(kāi)始普及，各大廠紛紛布局。SLAM (simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖)，該系統(tǒng)可以向陌生地方的用戶回答你在哪、周圍有什么、接下來(lái)該怎么走。通過(guò)整合的地圖繪制、場(chǎng)景建模、路徑規(guī)劃，SLAM同樣也在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域大放異彩（特斯拉的FSD就是純視覺(jué)的SLAM）。
SLAM是AR必備的核心技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，在任意元素的定位和虛擬延展上都需要SLAM進(jìn)行定位。目前蘋果（ARKit）、華為（AR Engine）、Google（ARCore）推出的AR SDK均采用的是單目視覺(jué)+IMU融合定位的技術(shù)路線。目前也出現(xiàn)了各小公司在關(guān)鍵細(xì)分領(lǐng)域如傳感器、軟件、算法、硬件等方向的分化。各大巨頭在不斷投入研發(fā)之外，也在作出布局和收購(gòu)的動(dòng)作。
SLAM的應(yīng)用由于需要接收外部信息和精細(xì)化處理的需求，這使得SLAM對(duì)傳感器的質(zhì)量極其依賴。雖然該領(lǐng)域由巨頭分別逐步的進(jìn)行推進(jìn)，但目前SLAM的產(chǎn)品和硬件總體仍體現(xiàn)呈高度差異化。同時(shí)，移動(dòng)端硬件的算力還不夠，這使得SLAM的豐滿還需期待。
02
開(kāi)拓元宇宙技術(shù)的先驅(qū)者們
【3】5G的上限，元宇宙來(lái)“接招”
2019年被視為全球5G元年，經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，普通人對(duì)5g的認(rèn)識(shí)也還只是停留在用上了手機(jī)，網(wǎng)速快一點(diǎn)而已。除此以外對(duì)于5G的最大認(rèn)識(shí)就是容易與各種“大詞”結(jié)合在一起了。例如“5G賦能產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“5G讓萬(wàn)物生長(zhǎng)”等等。
事實(shí)上是，5G的潛能在今天還完全沒(méi)有被廣泛使用。在今天5G是老虎逮兔子——有勁使不出。在說(shuō)元宇宙和5G配合的可能性之前，我想先簡(jiǎn)短的說(shuō)下5G有多牛。一句話概括，5G是人類結(jié)合這一百多年所有通信科學(xué)技術(shù)之力，所能實(shí)現(xiàn)的集大成者。
現(xiàn)代通信技術(shù)科學(xué)從理論到實(shí)踐轉(zhuǎn)化，起源于安東尼奧·梅烏奇偶然間發(fā)現(xiàn)震動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為電流進(jìn)而可以傳遞聲音的現(xiàn)象。后面貝爾“剽竊”了梅烏奇的成果開(kāi)設(shè)了世界第一家電話公司。從這里開(kāi)始，如何把客觀現(xiàn)實(shí)的信息轉(zhuǎn)化成不同電信號(hào)，就成了現(xiàn)代通信技術(shù)研究的起點(diǎn)。
但在這個(gè)時(shí)期的通信設(shè)備必須和電線相連，這跟今天的無(wú)線通訊完全不一樣。在麥克斯韋預(yù)言和定義了電磁波的存在之后，便逐漸生發(fā)出來(lái)今天我們使用的通訊技術(shù)形態(tài)。到今天為止，我們的無(wú)線通訊技術(shù)仍然服從香農(nóng)定理。
該定理給出了幾條通信技術(shù)的基本法則：
1、我們可以在有噪聲干擾的無(wú)線電波中傳遞信息；
2、在某個(gè)無(wú)線電波頻段我們能夠架設(shè)多少條信息通路；
3、我們能在一條信息通路里面最多“塞”入多少信息。從1G到2G再到3G和4G，現(xiàn)代通訊技術(shù)通過(guò)使用蜂窩通信、CDMA、TDMA等對(duì)通信頻段和增加信息密度的方式，不停的使信息傳遞量逼近那個(gè)時(shí)代的香農(nóng)極限。直到4G-LTE，LTE采用了正交頻分多址技術(shù)(OFDMA)，在信道利用上，基本達(dá)到了極致。但5G可以說(shuō)在服從香農(nóng)定理之下，顛覆了前面的一切。
起因是以iPhone為代表的智能手機(jī)加上物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。這使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)發(fā)生了根本變化，它不再是僅僅滿足人們的日常通信、娛樂(lè)、信息服務(wù)的需求，還要廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)因此從滿足單一的數(shù)據(jù)傳輸，演變成需要滿足不同類型的廣泛連接?？傊褪?G用起來(lái)感覺(jué)“卡”了，因?yàn)椴粌H需要的流量會(huì)更多，還有連接到網(wǎng)絡(luò)的“物”在和你“搶網(wǎng)速”。
5G的搭建大概體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：大規(guī)模天線陣列與波束賦形、毫米波通信、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)。
大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)與波束賦形(Beamforming)，是5G多特征極化的重要支撐。前者允許天線有很多的天線頭。每個(gè)天線頭可以與設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立通信，這相當(dāng)于為基站和終端之間建立了眾多通道，天線頭越多，通信信道就越多。
在5G時(shí)代，天線可以擁有256個(gè)天線頭，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于4G時(shí)代MIMO的16個(gè)天線頭。這提升了單位網(wǎng)絡(luò)面積能夠支撐的設(shè)備容量。波束賦形技術(shù)可以使得天線頭的載波頻率能夠以極小的扇區(qū)夾角以幾乎直線的方式對(duì)準(zhǔn)通信終端建立無(wú)線通信通道。這幾乎可以說(shuō)天線能夠沖著終端設(shè)備進(jìn)行通信。
不僅如此，這些通道還可以聚合，或者獨(dú)占，使通信的帶寬和可靠性得到不同的結(jié)果。就像是一條極寬的馬路，通過(guò)靈活動(dòng)態(tài)規(guī)劃車道的能力，5G的通信網(wǎng)絡(luò)可以按照?qǐng)鼍暗男枨?，?shí)現(xiàn)大規(guī)模通信設(shè)備連接、超穩(wěn)定低延遲連接或是超高帶寬連接的能力。
毫米波擁有極高的帶寬，可承載200G以上的數(shù)據(jù)量，能夠承載已知的任何應(yīng)用。毫米波的元器件小，因此通信設(shè)備更容易小型化。軟件定義網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化則在信息傳輸和互聯(lián)徹底從架構(gòu)上徹底推翻了此前的模式。甚至可以說(shuō)，如果此前的網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)備不停的進(jìn)行信息交換的話，那么5G想要的就是不存在這種網(wǎng)絡(luò)。
SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃信息發(fā)送路徑，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率，也可降低了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）使得原來(lái)各種不同專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以以軟件形式整合在一個(gè)硬件設(shè)備中。這能降低網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和運(yùn)維成本。原來(lái)線路復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)只需要對(duì)數(shù)據(jù)提供IT解耦即可。這些技術(shù)的靈活性，為5G未來(lái)應(yīng)用奠定豐富而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
普通用戶目前對(duì)5G的感知不深，甚至有些對(duì)目前5G應(yīng)用表達(dá)不滿的聲音。但回想在4G時(shí)代，同樣的資費(fèi)高、3G網(wǎng)速足夠、沒(méi)什么實(shí)際感覺(jué)等等聲音也曾出現(xiàn)。隨著4G后續(xù)促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)大爆發(fā)，視頻直播、短視頻、數(shù)據(jù)互傳等新事物隨后涌現(xiàn)。
伴隨這些直達(dá)用戶的紅利，人們才開(kāi)始逐漸接受生活在4G時(shí)代。但5G的進(jìn)步與4G甚至不在一個(gè)量級(jí)，現(xiàn)有的消費(fèi)和工業(yè)通信需求還遠(yuǎn)不能達(dá)到應(yīng)用5G的水平。而為了實(shí)現(xiàn)元宇宙的構(gòu)想所需要的海量數(shù)據(jù)傳輸、邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛、智能制造等等恰恰就極度依賴5G的網(wǎng)絡(luò)特性。5G技術(shù)雖然在當(dāng)下仍還在推廣和發(fā)展，但要發(fā)揮它目前可用的實(shí)力，亟待元宇宙來(lái)“接招”。
【4】將現(xiàn)實(shí)“搬”進(jìn)虛擬，物聯(lián)網(wǎng)已等候多時(shí)
今年4月，英偉達(dá)CEO黃仁勛宣布Omniverse開(kāi)始落地。同時(shí)計(jì)劃打造全球最強(qiáng)大的人工智能超級(jí)計(jì)算機(jī)，專門用來(lái)預(yù)測(cè)氣候變化，該系統(tǒng)名為Earth-2或E-2，它將在Omniverse中創(chuàng)造一個(gè)地球的數(shù)字孿生。
數(shù)字孿生是物理對(duì)象、系統(tǒng)或流程的虛擬。20世紀(jì)60年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了這一概念。最開(kāi)始是制造一個(gè)微縮模型，用來(lái)推斷和檢測(cè)可能發(fā)生的問(wèn)題。
后來(lái)，物理模擬逐漸被全數(shù)字模擬所取代。在數(shù)字模型中，軟件應(yīng)用程序可以獲取與該物理對(duì)象或系統(tǒng)相關(guān)的真實(shí)世界信息，并產(chǎn)生預(yù)測(cè)或模擬。數(shù)字孿生好處在于通過(guò)創(chuàng)建物理對(duì)象或系統(tǒng)的副本，可以更輕松、快速且經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行測(cè)試。例如在汽車行業(yè)，車輛的數(shù)字孿生甚至可以用來(lái)追溯了解事故發(fā)生的原因。
在數(shù)字孿生的模型建構(gòu)的過(guò)程中，精準(zhǔn)把握目標(biāo)物體的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是核心任務(wù)。而組成物聯(lián)網(wǎng)的連網(wǎng)設(shè)備和傳感器能夠精確收集構(gòu)建數(shù)字孿生所需的要求。
在“萬(wàn)物互聯(lián)”技術(shù)趨勢(shì)下，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)容量持續(xù)擴(kuò)大，全球物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備出貨量增長(zhǎng)迅速。根據(jù)IoT Analytics，全球物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量2015-2020年保持了30%的復(fù)合增長(zhǎng)率。未來(lái)由于基數(shù)的增大，仍將保持較高的增長(zhǎng)速率。根據(jù)IoT Analytics預(yù)測(cè)，2020-2025年將保持21%復(fù)合增長(zhǎng)率。
由于國(guó)內(nèi)創(chuàng)新環(huán)境較好，共享單車、移動(dòng)支付等“爆款應(yīng)用”的出現(xiàn)以及政策加持，近年來(lái)連接數(shù)增速高于海外。根據(jù)三大運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)為13.51億個(gè)，占全球一半以上。
2022年NB-IoT、車聯(lián)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將繼續(xù)受益于《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》、《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃》等國(guó)家政策的助推。我國(guó)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增速仍將超過(guò)全球平均水平。
下游應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)將成為需求不斷增長(zhǎng)的動(dòng)力，因此物聯(lián)網(wǎng)通信模組整體出貨量有望在未來(lái)幾年內(nèi)保持20%左右的增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)支付、車聯(lián)網(wǎng)等是重要的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)在新應(yīng)用的推動(dòng)下，5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速，2022年智慧工廠、智慧城市、智慧交通、智慧礦山等新應(yīng)用場(chǎng)景有望加速落地。
智慧工廠利用機(jī)器視覺(jué)、視頻物聯(lián)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的工廠管理。智慧工廠可以提質(zhì)、降本、減存、增效，最終加快國(guó)產(chǎn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)鏈自動(dòng)化。
智慧城市是指在城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理等領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等數(shù)字化手段感測(cè)、分析整合城市數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化城市管理。
物聯(lián)網(wǎng)在產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)的應(yīng)用隨著時(shí)間在逐步推廣，但在數(shù)據(jù)協(xié)同和串聯(lián)上仍需要元宇宙在虛擬世界中進(jìn)行展開(kāi)。在未來(lái)，元宇宙所具有的獨(dú)特創(chuàng)造環(huán)境會(huì)伴隨著數(shù)字孿生反哺回現(xiàn)實(shí)世界的創(chuàng)新。
物聯(lián)網(wǎng)在今天伴隨著雙碳政策和降本增效的原則，逐漸向產(chǎn)業(yè)滲透。在未來(lái)，搭配5G能夠連接每平方公里1000000臺(tái)設(shè)備的能力，加上傳感器種類和精度的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)能夠通過(guò)數(shù)字孿生直接把現(xiàn)實(shí)物體“傳送”進(jìn)元宇宙。不需要建模和設(shè)計(jì)就能直接從現(xiàn)實(shí)世界調(diào)用物品，元宇宙的未來(lái)可以更加的充分發(fā)揮特性，專注做更多。
03
第二個(gè)大航海時(shí)代
1492年8月3日，西班牙冒險(xiǎn)家哥倫布的船隊(duì)從帕洛斯港拔錨啟航。在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的海上漂流之后，不見(jiàn)海岸，人心惶惶。10月6日，哥倫布在旗艦上召開(kāi)會(huì)議，決定再向前航進(jìn)五天，不見(jiàn)陸地則返航。10月11日夜22時(shí)，哥倫布的船隊(duì)發(fā)現(xiàn)前方有亮光，于是確信陸地已近。
10月12日凌晨2點(diǎn)，平塔號(hào)船員確鑿地看見(jiàn)陸地。上午，哥倫布一行終于抵達(dá)并登陸了西半球的第一塊陸地。這是一個(gè)珊瑚島，哥倫布把它命名為圣薩爾瓦多島。
如今，元宇宙或許是這個(gè)虛擬世界的圣薩爾瓦多島，發(fā)現(xiàn)元宇宙或許預(yù)示找到了改變未來(lái)世界形態(tài)的新大陸。
元宇宙的完善需要很多技術(shù)作為底層支撐，普遍對(duì)于元宇宙的六大技術(shù)要求是區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。這六大技術(shù)有不少是新興的，同時(shí)又幾乎囊括了全部人類現(xiàn)代科技。擴(kuò)展元宇宙的全部實(shí)力，需要這六大技術(shù)通力合作。雖然部分技術(shù)仍需進(jìn)步，但進(jìn)入元宇宙和設(shè)計(jì)元宇宙在今天已經(jīng)成為可能。
羅馬不是一天建成的，如本文所見(jiàn)，在這些技術(shù)上或許部分上還不成熟，有些則已經(jīng)開(kāi)始形成相關(guān)產(chǎn)業(yè)。但是新的機(jī)會(huì)永遠(yuǎn)不是成熟之后才能被把握，元宇宙概念從《雪崩》小說(shuō)到今天的爆發(fā)也一定不是巧合。燎原之勢(shì)總要有星星之火；未雨綢繆是因?yàn)槎匆?jiàn)了未來(lái)。新的概念往往在還未被大眾享受到之前所批判，但有朝一日，入住元宇宙同樣會(huì)和今天網(wǎng)上購(gòu)物一樣順其自然，甚至無(wú)可替代。
未來(lái)永遠(yuǎn)不是自然而然，探索未來(lái)的路上或許充滿不確定，但開(kāi)拓者們卻會(huì)收獲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越這個(gè)時(shí)代的回報(bào)。哥倫布至死都還認(rèn)為他發(fā)現(xiàn)的新大陸是亞洲，但他的后繼者們?cè)谶@條充滿危險(xiǎn)又激情的道路上卻找到了文明的繁榮。
人類歷史上的第二個(gè)大航海時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟，第一次是以木為舟，這次則是以數(shù)據(jù)為穿梭機(jī)。
本文是錦緞研究院“元宇宙三部曲”的第二篇文章。獲取后續(xù)內(nèi)容，以及人工智能、新能源、大消費(fèi)、新醫(yī)療基建等領(lǐng)域的最新訊息、觀點(diǎn)，請(qǐng)點(diǎn)擊關(guān)注本公眾號(hào)，以確保您隨時(shí)獲得相關(guān)信息。