自從Facebook被重新命名為Meta之后，關(guān)于什么是元宇宙（Metaverse），它是如何工作的，以及利用它的可能方法，大量的關(guān)注、辯論和探索都在加劇。

預(yù)計(jì)元宇宙將是一個(gè)快速出現(xiàn)的技術(shù)、用例、能力和體驗(yàn)的連續(xù)體，將彌補(bǔ)互聯(lián)網(wǎng)的下一次演進(jìn)。

為此，來(lái)自愛(ài)爾蘭東南理工大學(xué)對(duì)AI、6G以及兩者在實(shí)現(xiàn)元宇宙的沉浸式體驗(yàn)中的作用進(jìn)行全面和深入的綜述。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2208.10921

首先，作者介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)和空間計(jì)算的背景和進(jìn)展，然后介紹了AI和6G的技術(shù)方面。然后，作者通過(guò)回顧深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和邊緣AI的最先進(jìn)技術(shù)調(diào)研了AI在元宇宙中的作用。

接下來(lái)，作者調(diào)研了B5G/6G對(duì)元宇宙有前景的服務(wù)，隨后確定了AI在6G網(wǎng)絡(luò)中的角色，以及AI在6G網(wǎng)絡(luò)中支持元宇宙應(yīng)用的角色。最后，作者描述了現(xiàn)有的和潛在的應(yīng)用、用例和項(xiàng)目來(lái)突出元宇宙中進(jìn)展的重要性。

此外，為了向研究人員提供潛在的研究方向，作者列舉了從上述技術(shù)的文獻(xiàn)綜述中發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)、研究差距和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

引言

2021年，元宇宙開(kāi)始影響現(xiàn)實(shí)世界，原因有: i) 疫情的生活方式，以及 ii) Meta、亞馬遜、蘋(píng)果、Netflix和谷歌（MAANG）為他們的用戶發(fā)布了與元宇宙相關(guān)的功能和項(xiàng)目。

自那以后，元宇宙獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的絕對(duì)關(guān)注。在當(dāng)前的時(shí)間點(diǎn)上，元宇宙可以被普遍視為一個(gè)擴(kuò)展的現(xiàn)實(shí)(XR)空間池，其中人類(lèi)和他們的數(shù)字對(duì)等體以完全沉浸式的方式交互。

根據(jù)最近的一項(xiàng)調(diào)研，大多數(shù)技術(shù)專(zhuān)家認(rèn)為，到2040年，元宇宙的運(yùn)行將更加完善和無(wú)縫，世界各地的人們將能夠充分參與到它的全沉浸式能力中，作為他們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)組成部分。

從本質(zhì)上講，元宇宙預(yù)計(jì)將整合網(wǎng)絡(luò)空間或萬(wàn)維網(wǎng)的所有重要方面，如B5G/6G、云計(jì)算和邊緣計(jì)算、社交媒體、在線游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、加密貨幣以及人工智能(AI)/機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)/深度學(xué)習(xí)(DL)平臺(tái)和應(yīng)用，讓用戶虛擬地進(jìn)行交互。

元宇宙的一些早期應(yīng)用，如Roblox、VRChat、Zepeto或Second Life，已經(jīng)允許用戶生活在「不同的」或模擬的生活中，比如交朋友和與新的虛擬人物社交。這些平臺(tái)已經(jīng)將AR、VR和MR作為元宇宙的幾個(gè)元素。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用頭戴式顯示器（HMD）等各種軟件和通信設(shè)備，用計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字場(chǎng)景取代用戶周?chē)恼鎸?shí)世界。而在AR中，虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)縫連接，以創(chuàng)造新的互動(dòng)體驗(yàn)。最后，MR作為AR和VR及其底層技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)。

值得注意的是，這些技術(shù)的普及使得AR和VR設(shè)備以合理的價(jià)格普及，同時(shí)不斷提高用戶體驗(yàn)的質(zhì)量（QoE）。

然而，為了達(dá)到VR服務(wù)所需的處理能力和通信速度，以提供流暢和沉浸式的體驗(yàn)，大多數(shù)HMDs仍然要求用戶連接到PC或游戲控制臺(tái)。唯一能夠擺脫這種束縛的設(shè)備是Meta的Oculus Quest。在接下來(lái)的幾年里，隨著處理器變得更快，無(wú)線通信技術(shù)變得無(wú)延遲，視覺(jué)內(nèi)容和移動(dòng)設(shè)備的無(wú)連接體驗(yàn)將會(huì)有許多改進(jìn)。

特別是隨著5G的存在，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將會(huì)激增，這將對(duì)元宇宙的增長(zhǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。5G以低延遲實(shí)現(xiàn)了所有連接設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信和信息交換。

顯然，5G比4G提供更快的速度，但最重要的是，它提供了各種各樣的其他好處，超出速度。具體來(lái)說(shuō)，元宇宙開(kāi)發(fā)者將能夠通過(guò)創(chuàng)建應(yīng)用，近實(shí)時(shí)地傳輸360?的內(nèi)容，從而受益于5G的低延遲。

元宇宙還將促進(jìn)以人為中心/數(shù)據(jù)為中心的智能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。這一趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)有的5G通信系統(tǒng)造成了許多限制，使其效率降低，不可靠。

例如，考慮到基于觸覺(jué)的元宇宙應(yīng)用如隱形傳態(tài)或遙操作的0.1ms延遲要求，5G只能提供小于1ms的空中接口延遲，這對(duì)于這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是微不足道的。

此外，根據(jù)思科，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量在過(guò)去5年增長(zhǎng)了17倍，并有望繼續(xù)增長(zhǎng)。特別是，到2022年，5G流量將占全球移動(dòng)流量總量的12%。

5G網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)成能夠覆蓋大范圍的頻譜，如毫米波(高達(dá)300 GHz)，因此可以處理大量的無(wú)線流量。

由于元宇宙將帶來(lái)一些可能需要高于Tbps的數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，而mmWave系統(tǒng)則不太可能出現(xiàn)這種情況，如全息臨場(chǎng)感(HT)、觸覺(jué)感覺(jué)通信、腦機(jī)接口(BCI)和XR。因此，為了實(shí)現(xiàn)Tbps數(shù)據(jù)速率的目標(biāo)，研究人員開(kāi)始探索太赫茲(THz)頻段(0.1-10 THz)。

6G通信系統(tǒng)有望提供1Tbps的數(shù)據(jù)速率，運(yùn)行在3Thz的帶寬下，以支持在線游戲、高清視頻直播、全息內(nèi)容傳輸、實(shí)時(shí)化身互動(dòng)等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。6G還將提供無(wú)處不在的覆蓋和超低延遲(小于1ms)，并通過(guò)集成空間、空中、地面、海洋網(wǎng)絡(luò)，支持約100公里/小時(shí)的機(jī)動(dòng)能力。

然而，虛擬教育和培訓(xùn)、精確導(dǎo)航和定位、沉浸式游戲和遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用等元宇宙應(yīng)用都將通過(guò)AI和6G實(shí)現(xiàn)，使元宇宙更加成功。特別地，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的尖端技術(shù)可以用來(lái)提供三維動(dòng)畫(huà)人體模型或逼真的動(dòng)畫(huà)人臉，甚至可以用來(lái)創(chuàng)建全息圖。

然而，將3D內(nèi)容用于元宇宙服務(wù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的可擴(kuò)展性。因此，元宇宙的崛起使得開(kāi)發(fā)關(guān)鍵工具和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，使元宇宙開(kāi)發(fā)者能夠構(gòu)建更好、更可擴(kuò)展的3D/AR/VR體驗(yàn)，而不管平臺(tái)或目的。

原則上，研究人員需要從人工智能的監(jiān)督學(xué)習(xí)范式中邁出一步，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自監(jiān)督學(xué)習(xí)等多樣化的學(xué)習(xí)策略，以便在元宇宙環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)展。此外，6G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算能力可以與AI相結(jié)合，提供邊緣智能，從而減少元宇宙中增強(qiáng)的QoE的網(wǎng)絡(luò)延遲和隱私問(wèn)題。

受現(xiàn)有技術(shù)和可預(yù)見(jiàn)的挑戰(zhàn)的驅(qū)動(dòng)，作者在元世界的背景下調(diào)查了AI和6G的最先進(jìn)技術(shù)，以回答以下問(wèn)題: 如何利用AI、6G和兩者之間的持續(xù)進(jìn)展提供更好和可持續(xù)的元世界體驗(yàn)？

從上述討論可以清楚地看出，現(xiàn)有的一些調(diào)研集中在AI、6G和相關(guān)技術(shù)的非常狹隘的視角，而其他一些調(diào)研了元宇宙在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和數(shù)字價(jià)值方面的作用。與之相反，在本綜述中，作者提供了以下關(guān)鍵貢獻(xiàn):

• 作者描述了元宇宙的底層組件，即VR、MR、AR和空間計(jì)算。本文介紹了上述技術(shù)的詳細(xì)背景，以便讀者了解技術(shù)方面和最先進(jìn)的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)完全沉浸式的元宇宙。
• 作者對(duì)人工智能的最先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的綜述，并研究了人工智能在實(shí)現(xiàn)元宇宙中的作用。從本質(zhì)上講，作者定義了人工智能在元宇宙分層架構(gòu)中的角色，其次是計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用的最先進(jìn)技術(shù)，學(xué)習(xí)范式和元宇宙的邊緣人工智能。
• 作者通過(guò)首先回答以下關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)解釋B5G/6G在實(shí)現(xiàn)元世界中的作用: i) B5G/6G需要一個(gè)小時(shí)嗎? ii) B5G/6G能給元宇宙帶來(lái)哪些服務(wù)?接下來(lái)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)考慮5G-NR、URLLC、mmWave、MEC、thzcomm及其相互作用，作者回顧了沉浸式體驗(yàn)和無(wú)線全息遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的最新技術(shù)。
• 作者還考慮AI和6G在實(shí)現(xiàn)元宇宙方面的綜合作用。原則上，作者研究了AI用于6G網(wǎng)絡(luò)和6G網(wǎng)絡(luò)用于AI支持元宇宙的潛力。接下來(lái)，作者將在前面提到的技術(shù)環(huán)境中調(diào)研元宇宙的可持續(xù)性，然后是潛在的應(yīng)用和用例以及正在進(jìn)行的項(xiàng)目。最后，作者提出了挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向以及從這次調(diào)研中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。?

術(shù)語(yǔ)「Metaverse」是前綴「meta」（意思是「超越」)和后綴「verse」（「宇宙」的縮寫(xiě)）的組合。因此，它指的是物質(zhì)世界之外的宇宙。這個(gè)「超越宇宙」暗指一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境，而不是形而上學(xué)或神秘的概念領(lǐng)域超出物理現(xiàn)實(shí)。

元宇宙是完全沉浸式的三維數(shù)字環(huán)境，與網(wǎng)絡(luò)空間不同，網(wǎng)絡(luò)空間指的是所有在線空間。

元宇宙指的是物理現(xiàn)實(shí)向數(shù)字領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，所以它可以是物理現(xiàn)實(shí)和數(shù)字領(lǐng)域的混合，如AR、VR、MR。

可持續(xù)元宇宙

參考資料：https://arxiv.org/abs/2208.10921