元宇宙：虚拟世界的再升级
元宇宙（Metaverse）一词可追溯至 1992 年尼尔.斯蒂芬森的科幻小说雪崩（SnowCrash）。雪崩中针对元宇宙的描述为脱胎于现实世界的互联网人对于两个平行世界 的感知和认识。时至今日，有关元宇宙的定义繁多。根据 Roblox对其的定义，元宇宙 需具备八个关键特征：Identity（身份）、Friends（朋友）、Immersive（沉浸感）、LowFriction（低延迟）、Variety（多样性）、Anywhere（随地）、Economy（经济）、Civility （文明）。
据阿里达摩院定义，从技术构成角度，元宇宙可分为四层：全息构建、全息仿真、虚实 融合、虚实联动。全息构建即运用数字技术构建出整个虚拟世界的几何模型，目前 AR看房、AR购物即为第一层全息构建的应用。全息仿真则是在静态几何模型的基础上构 建出虚拟世界的动态过程，遵循现实世界的客观规律，从而使得虚拟世界更加接近于现 实世界。
元宇宙的第三层为虚实融合，即打破虚拟世界与现实世界的感知界限。在这一阶段，元 宇宙的创造者们需要构建出整个现实世界的高精度三维地图，叠加高精度定位功能，以 完成虚拟信息的精准叠加。第四阶段为虚实联动，即通过改变虚拟世界来改变现实世界， 即操作者在虚拟世界中的一系列操作，需要在现实世界中精准有效的执行。第四阶段是 元宇宙赋能和提升现实世界效率、降低成本、实现虚拟世界价值的关键所在。
游戏仅是元宇宙应用的冰山一角。2021 年 3 月，Roblox在美股上市，引爆了关于“元 宇宙”概念的浪潮。借助现有的 VR/AR等
设备，元宇宙在游戏领域发展相对迅猛。我 们认为，元宇宙是继互联网之后，对实体经济赋能的强大利器。 互联网本身即虚拟世界，但其所提供的虚拟世界仅能以 2D的形式提供给用户。元宇宙 将虚拟世界以 3D的形式呈现给用户，使人们可以体验到更加真实、高效、统一、系统 的虚拟世界，其既是对互联网的继承，又是对 2D虚拟世界的超越。
与互联网相比，元宇宙所呈现的虚拟世界更智能化，更关注用户体验。元宇宙深度融合 了人工智能技术，其在提供服务内容时会根据用户的具体情况和意图提供不同服务，其 角色从互联网时代的“被动执行者”进化为“主动思考者”，从“听懂指令”进化为“主 动理解”。此外，相比于互联网，元宇宙可提供更加多维的信息，并在交互方式上更多元 和便捷，从而显著改善用户体验。
虚拟世界的构建离不开实景三维建模等技术。元宇宙构建出的虚拟世界平行且独立于现 实世界，其既是现实世界的映射，又是在现实世界之上的再创造。考虑到元宇宙元素的 多元性，我们认为多种建模方法共存将是元宇宙模型构建的方向。实景三维、体素建模、 数字孪生等技术在各个阶段均有机会大放异彩。
实景三维：公共场景与基础设施构建
实景三维技术在“实景三维中国”建设计划的推动下快速发展。区别于传统三维模型“一 张皮”的缺陷，实景三维数据具备实体化、单体化、语义与结构化等特性，是非尺度、 全要素表达空间关系及属性信息的数据集。总结来看，常用的实景三维技术主要有三类： 三维建模、倾斜摄影测量、激光雷达测量。
三维建模主要分为人工建模和传统遥感卫星航测技术建模两类。 人工建模需利用 GNSS-RTK等硬件设备采集数据，对目标物体
轮廓、高度等信息进行 估算，再使用 3DSMax、AutoCAD、SketchUp等三维建模软件人工建模。其是在已有 平面信息的基础上构建三维模型，模型表面的纹理和细节需要人工拍照后进行贴附。缺 点在于工作量大，效率低，成本高，因此人工建模在游戏制作中使用较多，不适合用于 大面积建模。
传统遥感卫星航测技术建模使用遥感卫星、航测无人机等设备，利用快速影像匹配技术 构建模型素体，后期进行人工补充纹理细节。其优势在于使用遥感技术可以快速、大范 围、低成本的构建模型素体，但在建模过程中容易受到遮挡等问题的影响，且后期仍需 人工贴图，导致其在大范围建模过程中同样面临效率低和成本高的难题。
倾斜摄影建模使用无人机搭载多镜头相机从多个角度采集影像数据，通过配套软件可直 接基于影响进行高度、长度、面积、角度、坡度等参数的测量。倾斜摄影建模可大规模 成图，批量提取及贴附纹理细节，因此在大规模三维建模中的成本较低。此外，相比于 传统三维建模，倾斜摄影建模避免了大量人工参与的环节，显著提高了制图效率。由于 利用了摄影技术，其在测量过程中对天气、光线、像素等条件要求较高，且对于细小物 体的捕捉能力较差，难以完成精度要求较高的建模任务。
元宇宙对模型精度要求较高，激光雷达建模有望大规模应用。为了使虚拟世界更加接近 于现实世界，元宇宙中的模型必须有极高的仿真度和精度。倾斜摄影建模的精度较差， 难以满足元宇宙对精度的要求。遥感卫星航测建模则在制作过程中易受到遮挡影响，操 作难度较大。人工建模从前期素体的构建到后期细节的补充，均需要人工操作，其在细 节构建方面精度极高，但效率低、成本高，难以大范围使用，或仅用于某些特定物体的 构建。相较之下，激光雷达建模
可实现较高的精度，其设备成本在大范围建模时可有效 分摊，有望成为元宇宙前期构建虚拟世界中大量基础设施和公共场景的主流方法。
实景三维所建模型均为静态模型，且仅能模拟物体外壳。除人工建模外，其余实景三维 建模方法均使用传感器对物理世界物体数据进行采集，这导致其仅能采集到物体表面数 据，在此类数据基础上所建模型仅在外形上与物理世界物体相似，且其形态定格在数据 采集的时点之上，难以仿真出动态效果。
在基础设施建设阶段中，构建出与物理世界形似的数字模型、初步构建出元宇宙世界的 基础内容是其发展的关键。我们认为在这一阶段中，需要大范围构建诸多静态模型，实 景三维技术目前已经发展较为成熟，有望在第一阶段中成为模型构建的主力。由于此阶 段资金投入较高、建模难度较大，因此推动元宇宙第一阶段发展的主要力量更可能来自 于 B端用户，如高精地图厂商、在线旅游、在线购物、VR看房看店、地理测绘等。
体素建模：每个用户都是元宇宙的建造者
每个用户都是元宇宙世界的构建者，这对模型创造工具的易用性提出了较高要求。元宇 宙源于现实，但又超越现实，用户在元宇宙中可充分发挥自身主观能动性进行再创造， 每个人都可以成为元宇宙世界中一草一木的构建者。对于普通用户而言，采用实景三维 进行建模门槛较高，因此元宇宙世界中需要一种使用难度较低的建模方法。对此，Roblox和 Minecraft采用的的乐高式体素建模不失为一种易用型的建模手段。其通过三维像素 的堆叠对模型进行构建，使得用户可以轻松参与虚拟世界的模型构建中。
元宇宙中的虚拟世界所追求的是对现实世界的全面仿真。除视觉效果以外，元宇宙所构 建的虚拟世界在法则上亦追求与现实一致。实
景三维建模所用建模方法仅能满足视觉需 求，所建模型多为缺乏实体的空壳，且其整体型的架构难以反映出局部的变化。体素建 模使用三维像素进行堆叠建模，每个三维像素体都可作为独立的单元进行变换，从而可 对物理世界中的物理、化学、生物等变化细节进行仿真。
体素建模分辨率提升空间巨大。在 Roblox和 Minecraft中，采用体素建模方法构建的模 型当下视觉效果欠佳，主要原因在于组成模型的三维像素体积较大。随着硬件设备、芯 片算力、传输速度、存储能力等基础性设施性能的不断提高，体素模型中的基础组成方 块体积可逐渐缩小，从而大幅提高模型整体的像素水平。长期来看，体素模型的像素提 高具备可持续性，提升空间巨大。
相比于实景三维的建模方法，体素建模操作更加简单，对无建模基础用户较为友好，有 望成为大多数普通用户参与到元宇宙虚拟世界建设之中的重要途径。此外，体素建模每 个三维像素体可独立操作的特征，使得其在模拟现实世界法则时更加得心应手，有望在 元宇宙发展的中后期大放异彩，是元宇宙在文娱传媒行业发展必不可缺的技术之一。
体素建模像素提升对基础设施要求极高。体素建模的组成单位为三维的立体像素，提升 精度的方法为缩小立体像素的体积。其精度每提升一倍，立体像素的数据量呈三次方式 暴涨。其精细化模型数据量过大，当前基础设施及设备难以支撑。 在全民参与阶段中，用户更多参与其中成为内容的创作者，并让虚拟世界的物体遵循物 理世界法则，实现内容从静到动的进阶。在此阶段中，体素建模技术凭借其在仿真模拟 方面的优势，以及极低的建模难度，有望受到大量不具备专业建模能力用户的青睐。
第 二阶段中，元宇宙的内容世界有望被极大丰富，内容的主要供给方从少数企业转变为了 广大用户群体，其去中心化的特征开始显现。 体素建模的像素与其构成的方块体积相关，方块体积越小，像素越高，而每次提升像素 都会导致数据量呈三次方形式暴增。数据量暴增导致其对存储、传输、算力、终端设备 等基础技术和产品提出了更高的要求，此阶段限制元宇宙发展的主要因素为基数设施的 发展水平。若要达到虚拟世界与物理世界的高度相似，则需着力强化上述各类基础设施， 此阶段的发展目标为在感知层面降低虚拟世界与物理世界的边界。
数字孪生：殊途同归，迈向工业元宇宙
实景三维和体素建模所构模型多作用于元宇宙的前两层：全息构建和全息仿真。在前两 阶段中，元宇宙赋能作用多体现在第三产业，其对第一、第二产业的赋能作用较为有限。 元宇宙第四阶段虚实联动，旨在通过改变虚拟世界控制物理世界，或为其赋能第一、第 二产业的关键所在。若要发展至第四阶段，使元宇宙真正可以赋能物理世界的生产，数 字孪生技术不可或缺。
数字孪生（DigitalTwin）是指为物理对象建立数字模型，通过实测、仿真和数据分析 来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态。该数字模型与其物理对象保持实时数据 同步，以实现二者的交互映射，从而在全生命周期中保持一致。实景三维以静态模拟外 形为主，体素建模优势在于其可模拟动态变化、世界内在法则等。与前述二者不同，数 字孪生旨在客观反映物理实体的实时状态、忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹， 并可通过数字孪生体的变化对物理实体的变化进行预测。
数字孪生应用需要在基础设施的支撑下实现。物理世界中产品、服务或过程数据也会同 步至虚拟世界中，虚拟世界中的模型和数据会和过程应用进行交互。向过程应用输入激 励和物理世界信息，可以得到包括优化、预测、仿真、监控、分析等功能的输出。数字 孪生能够理解、预测产品、设备或过程，乃至能对物理产品实施控制，改变产品的状态， 让很多原来由于物理条件限制而无法完成、必须依赖于真实的物理实体的操作变得触手 可及，从而实现对于产品、设备或过程的优化，进一步激发数字化创新。
数字孪生始于工业，应用广泛
数字孪生率先在工业领域实现应用，主要应用场景有产品研发、设备维护与故障预测以 及工艺规划。当前工业生产已经发展到高度自动化与信息化阶段，其会在生产过程中产 生大量信息。但信息的多源异构、异地分散特征易形成信息孤岛，导致其在工业生产中 没有发挥出应有价值。而数字孪生为工业产生的物理对象创建了虚拟空间，并将物理设 备的各种属性映射到虚拟空间中。工业人员通过在虚拟空间中模拟、分析、生产预测， 能够仿真复杂的制造工艺，实现产品设计，制造和智能服务的闭环优化。
数字孪生可加快工业设计的验证、调整过程，降低其成本。传统规划过程只能依靠人工 模拟或在真实产线中进行验证。在数字孪生体的协助下，工业产品、产线的设计过程可 以在虚拟的三维数字孪生空间中进行一系列可重复、可调整、可加速的仿真实验，以检 验产品在不同情况下的表现，从而大幅降低产品验证工作和提高装配可行性，大幅减少 迭代过程中设备的制造工作量、工期及成本。此阶段数字孪生与数字仿真的作用相似。
数字孪生可应用于工艺规划和生产过程管理，从而对资源配置、工艺管理、生产排期等 多个流程进行优化。随着产品制造过程越来越复杂，多品种、小批量生产的需求越来越 强，企业对生产制造过程进行规划、排期的精准性和灵活性，以及对产品质量追溯的要 求也越来越高。大部分企业信息系统之间数据未打通，依赖人工进行排期和协调。利用 数字孪生的技术，企业可实时监控生产工况，及时发现和应对生产过程中的各种异常和 不稳定性，日益智能化实现降本、增效、保质的目标和满足环保的要求。
数字孪生可对生产设备进行实时监测，有助于及时发现意外故障、降低安全风险。在高 度信息化和集成化的工业生产模式下，单个生产线发生意外很容易致使全产线停产。对 于特殊工艺生产线，比如高温高压下的化工生产线，甚至面临严重的安全风险和衍生灾 害。在传统设备运维模式下，通常为生产人员发现故障汇报给技术人员后，技术人员再 到场进行维修。通过数字孪生提供的虚拟映射，技术人员可实时监测设备的运转情况， 从“被动售后”转变为“主动预检”以减少意外和损失的发生。
起步工业，多点开花。随着物联网的应用更加广泛，各个领域越来越多的企业开始计划 数字孪生的部署。Gartner的研究显示，截至 2019 年 1 月底实施物联网的企业中， 已有 13% 的企业实施了数字孪生项目，62% 的企业正在实施或者有计划实施。工业 互联网是数字孪生的延伸和应用，而数字孪生则拓展了工业互联网应用层面的可能性。
携手元宇宙，共创工业元宇宙大时代
娱乐传媒产业仅是元宇宙的起点。模型构建丰富了元宇宙的内容，但其仅模拟出了视觉 中的物理世界，用户在虚拟世界中得到的更多
是视觉上的满足，其难以将虚拟世界中的 行为反向映射入物理世界，此时的虚拟世界与物理世界关联互动是单向的。因此，在元宇宙发展的前两阶段“全息构建”和“全息仿真”中，元宇宙的赋能效果被极大限制， 使其难以迈出第三产业，赋能第一、第二产业。
数字孪生与元宇宙殊途同归，二者协同有望共建工业元宇宙大时代。元宇宙率先应用于 娱乐传媒产业，其去中心化的特性允许用户成为内容创作者，赋予元宇宙世界巨大的创 造力。借助数字孪生技术，元宇宙应用有望突破娱乐传媒的界限，将其去中心化所衍生 出的创造力优势全面赋能工业等应用场景。数字孪生起步于工业应用，追求物理与虚拟 世界的一致性，注重提高物理世界的生产和效率的优化等。借助元宇宙，数字孪生可以 大幅降低部署成本，进一步优化和使用工业数据，使资源配置效率更高，参与资源配置 的对象更多，范围更大。
元宇宙更多的价值将体现在对第一、第二产业的赋能上。元宇宙在前述三大方向中，主 要赋能的为第三产业，其对物理世界的物质生产作用有限。在工业元宇宙阶段，数字孪 生将与元宇宙协同发展，二者相互融合，扬长避短，共同赋能物理世界的物质生产过程。
投资分析
总结来看，从内容角度，我们认为元宇宙的发展阶段可以划分为：基础设施建设、全民 参与、精细化、工业元宇宙四大阶段。上述四大阶段在发展的过程中并无明显分界点， 其或有先后、或有交叉，而实景三维、体素建模技术、数字孪生等均有望大放异彩。
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