南方日报发表周建英教授署名文章｜《元宇宙与3D互联网探究及发展路径分析》

日前（2022年2月16日），南方日报发表中山大学国家重点实验室原主任、中山大学理工学院第一任院长、中山大学激光与光谱学原所长、广州弥德科技有限公司董事长周建英教授署名文章《元宇宙与3D互联网探究及发展路径分析》。

全文如下：

元宇宙与3D互联网探究及发展路径分析

元宇宙，也称之为3D互联网，是采用3D显示与交互的网络社交技术。在此基础上，人们进一步拓展了元宇宙概念，加入了数字孪生、区块链、新一代移动支付、化身、虚拟资产等内容，使元宇宙成为一个包罗众多数字技术的现代信息技术的集成概念。目前业界普遍关注的问题是：1.元宇宙是否能带来生产力提升和生产方式改变？2.元宇宙发展遵循什么技术路线？3.元宇宙的发展阶段与介入时机？本文对这三个问题作出探讨。

3D显示与虚拟装置是元宇宙最基础的硬件设备，也是元宇宙的入口与先导技术。回顾3D显示以及虚拟现实的发展历程对元宇宙的发展趋势分析能起到一定参考作用。

由于显示产业在经济中的地位以及对人民生活的影响，欧美、日本、韩国以及我国都十分重视新型显示，尤其是3D显示技术的发展。对3D研究的重视程度在2010年3D电影《阿凡达》问世后达到了高峰。科技部一度将3D显示定义为未来发展的技术平台，并设立了多个科技项目强化支持3D显示研究。在国家计划指引下，东部发达省市持续跟进，一批3D领域的企业迅速发展起来；电视台设置了专门频道播放3D节目；众多3D网站纷纷创立，提供了大量3D片源供人们观赏。电视机制造商都各自推出了戴眼镜的辅助式3D电视。3D电视产品迅速进入千家万户。辅助式3D显示技术的发展催生了3D显示的产业与生态，裸眼3D显示技术也随之快速开展起来。大至估值接近1000亿元的国内某上市公司，小至雄心勃勃的中小微企业都在竞相进入3D显示领域。大量资金纷纷投入到这一行业。某公司研发3D眼镜的融资额度高达50亿美元。

眼镜辅助式3D显示经过2010年后的快速发展，技术逐步趋于成熟。但由于业界对3D显示的认知不足以及相应的商业应用生态发展滞后等原因。2015年后，3D显示产业与商业进入了衰退期。电视制造商逐步减少甚至停止生产3D电视；央视3D频道运营不久后关闭；3D节目网站先后下架；3D电视也逐步淡出市场。某上市公司由于对3D生态发展作出了误判，收支失衡，进而导致财务造假，最近已经退市，数百亿资产蒸发。除了少数研究机构，几乎所有裸眼3D厂家都暂缓、减少或中止了3D显示领域的研发活动。3D显示产业发展受到严重影响。同时期，国外3D技术与商业发展状况基本与国内相似。

然而，10年前的3D显示热潮对推动3D显示技术与生态的发展也起到了一定的推动作用。一些优秀3D影片，如《阿凡达》《功夫熊猫》等，为人们的文化与精神生活带来了新元素。3D电影时至今日仍然是电影业的重要增值点和影视票房的主要来源之一。3D电游（如任天堂）吸引了部分青少年的关注。大量与3D显示有关的教育、娱乐资源的出现为当下的虚拟现实与元宇宙的发展作出了必要的铺垫。

虚拟现实（VR）技术的发展历程与3D显示技术十分相似。由于计算机、电子信息、仿真技术的发展，VR创造的虚拟内容能给人以环境沉浸感。在国际头部公司的大力推动下，虚拟现实技术发展十分迅猛，进而延伸出增强现实（AR）、混合现实（MR）等技术。脸书、微软、苹果、三星、华为等头部公司都推出或拟推出新的虚拟现实产品，由此在国内外又掀起了新一轮产业与投资高潮，进一步改善了3D显示的应用生态。

时至今日，VR的主流显示技术以及头部公司的主打VR产品尚在发展过程中。目前，影响较大的是沉浸式头盔，如脸书、微软、三星的主打产品。AR产品则得到了苹果、谷歌等公司的重视。头盔式VR产品虽在产品的分辨率、响应速度等关键技术上取得了较大的改进，但这些产品在商业应用中都遇到困境，原因在于难以解决头盔用户黏度不够这一共性问题。VR头盔的近眼观看方式有悖于人类的视觉习惯，其它3D显示方式又一时难以产生如头盔般的沉浸感。而在一些应用场所，如车（机）载VR装置，由于安全原因，头盔或辅助式虚拟显示技术基本不适用，裸眼AR则可能成为基本选择。

元宇宙的基本要素之一，是利用3D交互产生必要的沉浸感。一方面，沉浸感可通过与外界的隔离来产生，如VR；或者与外界场景的结合来产生，如AR。另一方面，沉浸感需要给用户提供足够的视场角，而近眼显示恰好能满足这一需求。除此以外，大屏显示也可以给用户提供大视场，如imax影院。但对于应用范围最广泛的中短观看距离，如手持式装置（手机、Pad），屏幕尺寸通常不足以产生所需的沉浸感。台式显示可在所需视角内产生良好的沉浸效果，但目前一般只有2D效果。如果裸眼3D显示品质进一步提升，环绕式裸眼3D装置有可能成为未来元宇宙的主要输出装备之一。目前，业界普遍认为VR头盔或AR眼镜会成为未来的主流3D显示技术。笔者不完全认同这一观点。各种类型的3D显示技术都可以在各个不同应用场合发挥各自的优势。而裸眼3D显示技术由于其观赏便利性与符合人类视觉习惯，将成为重要的VR技术。

在各种3D显示技术中，辅助式3D显示技术业已成熟，将是多用户3D显示的重要载体。头盔VR在显示器分辨率、视角大小以及响应速度方面将持续改进，沉浸式VR最终的用户接受程度还有待时间的检验。AR装置会在很多不同场所找到新的应用，是一个值得关注的技术。而裸眼3D显示技术所具备的舒适、方便功能，将逐步成为未来的元宇宙基础显示技术。

裸眼3D显示技术归纳起来可分为真三维显示、视差式裸眼技术、光场显示、全息显示等基础技术。真三维显示能产生较为舒适的立体感，但是由于其较小的观看视差，导致其观赏临场感略显不足。光场3D显示是目前科技部支持的重要研究方向，而全息显示是科技部与国家基金委长期支持的研究方向。然而，就目前显示技术水平、所需数据流量、显示分辨率、流畅度以及数据传输能力等而言，这两种技术要达到目前人们视觉习惯的超高清需求，至少还需要十多年、数十年乃至近百年时间。这种技术进步速度明显不能满足元宇宙的发展需求。而具有瞳孔跟踪功能的视差式裸眼3D在未来时间里，无论是在技术成熟度、分辨率还是在信息传输流量方面，将有望成为相当长一段时间内的主流显示技术。视差式裸眼3D显示具有全面兼容平面显示功能、产品质量与成本可控、数据处理速度与传输带宽适用于当今网络水平，以及与主流3D片源兼容等优点，更易被用户接受。

交互过程在VR以及元宇宙中将扮演一个极其重要的角色。以往3D显示技术发展过程中的一个重要教训，是开发者通常将用户作为一个信息被动接受者，而没有让用户积极参与到交互过程。目前所谓智能显示是加了简单遥控或语音控制功能，离元宇宙所需的交互程度尚有很大距离。触摸屏技术将交互过程向前大大推进了一步，但尚未达到主动积极交互的应用目标。目前，国际上非常关注先进交互设备研制，我国也应该大力支持交互装置的研发。

业界有关元宇宙在虚拟支付、区块链、电游等领域的发展应用讨论得比较充分，本文不再赘述。笔者认为，以下领域的发展将成为元宇宙概念与产业发展的重要推手。

元宇宙作为未来互联网平台，主要关注用户的社交属性。然而，未来终端除了是一个信息处理终端，也将成为健康保健终端。我们不妨分析手环的发展历程。刚开始手环只是作为手机信息显示的一种延伸，后来被不断添加了诸如运动状况、脉搏、心跳、血压、血糖、睡眠监控等功能，最终手环逐步演变为具有保健作用的智能装备而被用户接受。而基于3D显示的智能终端可以采用强大的人机交互功能，辅之以人工智能技术，将逐步演化为强大的个人健康管理终端。近期研究成果表明，裸眼3D显示与交互技术相结合，在视力筛查与诊疗、中风康复、心理诊疗、口腔矫正乃至显微外科等医学领域大有作为，已显示出众多重要刚需应用的雏形。尤其是进一步结合强大的光学透视、手势识别、智能传感以及人工智能技术，3D交互终端有可能承载“望闻问切”等多种医学数字化功能，成为监测与改善人类健康的强大终端。在此基础上通过人工智能方式自适应改进升级数据逻辑与显示内容，人们将能感受到不断改进的有利于视觉、肢体、心理与精神健康的虚拟场景，从而有效实现保健功能。这种智能互动也可能存在消极功能，需要关注并加强监管。

通过人机交互与智能传感，终端设备能读取人体的生理甚至精神指标。在虚拟3D物体运动目标牵引下，功能远红外能读出视神经关联，功能核磁能读出脑部活动，从而了解人们的精神意向。以先进电子装备为辅助，意念控制物体移动与送达也将逐步成为可能。此时，需要对物质与精神属性予以重新审视，相应的哲学、伦理、信仰等问题也将成为研究内容。人机交互将与脑部芯片植入的功能一样对受体实施控制。相比于脑部芯片植入，由于人机交互的信息读取与信息使用不具备物理侵入将更易被用户接受。

元宇宙将跨越人类双眼瞳孔所观察的真实与虚拟世界的界限，从而构造一个“化身”或者“第二种生活”。元宇宙用户将自由选择生活在不同的世界，小至细胞，大到宇宙，都可以身临其境地参与并感受。如何跨越虚拟与真实世界的边界是元宇宙的关键技术挑战。3D虚拟旅游能以航拍、飞天等不易到达的视角体验观赏3D风光。这种美轮美奂的实时实地虚拟体验能激发政府、景区、企业以及用户兴趣并产生共振，进而推动线下旅游活动与消费。

元宇宙概念将使得先进的显示技术、人机交互技术、大数据技术以及人工智能技术高度结合，这将为科技企业创造前所未有的发展机遇。我国具有完整、先进与独立的显示产业链，数字互联网普及程度高，用户基数大，元宇宙发展在我国有诸多便利优势。然而，元宇宙技术、产业与商业发展要吸取3D显示与虚拟现实的经验教训，避免出现一拥而上、一哄而散的人力物力财力资源浪费。发展核心技术、创造差异化应用场景以及培植商业生态，营造一个技术研发与商业收益相互促进是造就健康发展模式之关键。准确把握3D交互、互联、大数据、人工智能这几个要素，找准突破点与刚需应用，是企业切入到元宇宙领域的基本条件。在发展元宇宙产业过程中形成我国自主的技术体系与数字平台，进而创造出全新信息交互终端与交互方式是完全可能的。

（本次发布已获作者授权）