0 引 言
计算机科学与技术的发展推动着人类社会的变革，从第一台个人电脑的出现，到互联网再到目前的移动设备，人类的日常生活发生了翻天覆地的变化。而元宇宙的出现预示着第四次计算机浪潮的到来，当前教育、医疗、制造、游戏等行业都受到元宇宙深刻影响，各行业围绕区块链、人工智能、虚拟现实等元宇宙关键技术进行了一系列的融合发展。在这些新兴技术的支撑下，元宇宙正在构建高度沉浸的虚拟数字世界，人们可以在元宇宙中模拟现实世界中的各项活动，包括学习、生活、购物、旅游、社交。近几年，人们对非接触式社交活动的需求迅速增加，这也进一步推动了目前元宇宙的发展，有学者对元宇宙的发展进行了梳理和研究
[1]，也有学者对元宇宙涉及的相关技术做出介绍
[2]，与以往研究相比，本文从元宇宙的概念和特性出发，构建了元宇宙当前发展的技术组成架构，对目前元宇宙涉及到的一些关键技术和发展过程中的安全与隐私问题进行了研究。
1 元宇宙的概念与特性
1.1 元宇宙的概念
元宇宙的概念最早由斯蒂芬森在1992年首次提出，在他的小说中人类可以通过VR设备进入到一个虚拟空间，为我们展现了一个具有时空延伸和人机共生特点的元宇宙世界
[3]。斯蒂芬森的小说出现后，技术的发展使现实生活中的虚拟世界的实现成为可能，形成了更复杂、更广泛的元宇宙概念
[1]。
元宇宙是大量技术的集合体，目前学术界对于元宇宙还没有一个清晰的定义，不同的学者和组织对元宇宙都有着自己的描述
[3~10]，如
表1所示。
1.2 元宇宙的特性
从技术上来看，元宇宙本质上是多种技术融合的产物，具有异构性和可扩展性。元宇宙基于增强现实技术为用户提供身临其境的体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术构建经济体系，多种技术的融合需要解决不同设备和协议之间的区别，目前的ISO/IEC 23005是元宇宙网络虚拟环境的第一个标准化框架
[11]，用于标准化现实世界与虚拟世界之间以及虚拟世界内部的接口，体现了元宇宙的异构性；与目前Web2.0的互联网时代不同，元宇宙将使用Web3.0作为底层网络架构，这将解决目前互联网所存在的割裂问题
[12]。元宇宙是一个不断发展的概念，随着技术的不断进步，未来的元宇宙将融合更多的技术和规范，具有可扩展性。
从用户体验上来看，元宇宙具有沉浸性和超时空性。用户在阅读现实世界的文字和观看视频时往往将自己代入剧情之中而察觉不到时间的流逝，元宇宙能利用传感器传播视觉、听觉、触觉等信息，制造身临其境的感觉，因此元宇宙中的沉浸感将会更加强烈，而为用户带来沉浸式体验也是元宇宙所追求的目标之一；同时，元宇宙能够打破时间和空间的限制，在教育行业为学生提供实验的实际操作环境，使学生亲身体验书本里讲到的某个历史事件，并对用户进行安全培训等等。
从整体结构上来看，元宇宙所构建的虚拟世界具有与现实世界相同的环境与事物，尽管用户有很大的自由性，但是元宇宙世界会在一定的社会体系下运转，依然需要遵守一定的法律和社会制度，因此元宇宙具有社会性。
2 元宇宙架构
根据分层架构的设计准则，将元宇宙目前的应用场景以及相关技术按照用途和执行功能的不同划分为感知层、虚拟层、支撑层、连接层和安全层。感知层是元宇宙的入口，是元宇宙面向用户的接口，负责信息的采集和身份验证；虚拟层由元宇宙生成的现实世界的映射组成，是元宇宙的一系列应用场景；支撑层包括了目前元宇宙的关键技术，是元宇宙实现的重要途径；连接层负责元宇宙的底层网络通信，由现有的网络技术基础上组合而来；安全层代表元宇宙的用户信息、通讯和资产安全并贯穿整个元宇宙。元宇宙技术架构如
图1所示。
2.1 感知层
感知层在元宇宙的技术框架中负责信息的采集，是连接元宇宙与现实世界的通道，用户通过这一层的相关设备进入到元宇宙中。对于现实世界的人类而言，佩戴智能可穿戴设备进入到元宇宙虚拟世界是体验第二人生的一种方式
[13]。尽管一切都是虚构的，但是由于感知层的存在，现实世界与虚拟世界的边界将会变得模糊。感知层负责为用户提供人体视觉、听觉、触觉等全方位的感官体验，这得到了许多硬件设备和技术的支持，包括扩展现实（multisensory extended reality， XR）终端设备、脑机接口技术和动感模拟技术等；其中，XR终端设备主要指虚拟现实（virtual reality, VR）、增强现实（augmented reality， AR）、混合现实（mixed reality， MR）等终端设备，也涵盖传统的电脑、平板、手机等终端产品。
2.2 虚拟层
虚拟层是现实世界的映射，数字世界可以由一系列互连的分布式虚拟世界组成，现实世界的游戏、体育、教育、旅游、艺术等行业都能在其中找到一个对应的虚拟场景，这些场景组成了元宇宙虚拟层。虚拟层主要包括虚拟实体、虚拟环境和虚拟服务三个方面。由于进入元宇宙的每个人都需要有一个虚拟人物和身份凭证作为自己的标志，因此建模技术和身份寻址技术将成为元宇宙时代构建虚拟实体的重要技术
[14]；虚拟环境是元宇宙的框架，是用户在此体验第二人生的平台，主要指的是通过建模技术模拟的3D数字真实环境，由于不受时间和地点的限制，元宇宙中的虚拟环境甚至可以在不同的时空维度下进行，这赋予了元宇宙极大的创造性；虚拟服务指的是元宇宙为人类社会提供的一系列沉浸式服务，例如虚拟购物、虚拟展览、虚拟聊天、虚拟旅行等等。
2.3 支撑层
支撑层是元宇宙搭建、运转、演化所采用技术的整合，主要包括区块链、人工智能、场景构建、交互技术四个板块。元宇宙结合了现有的区块链技术来保证元宇宙的安全和运行，例如共识机制、分布式存储和智能合约；其中，共识机制用于保证对分布式账本的安全更新，分布式存储使得区块链具有去中心化、不变性和可审计性
[15]，智能合约可以允许各方在不可信的条件下以规定的方式自动履行合约。元宇宙通过计算机视觉（computer vision， CV）、自然语言处理（natural language processing, NLP）、机器学习（machine learning， ML）等人工智能技术，实现用户与非玩家角色之间的智能交互，让用户拥有与真实世界相同的视觉和听觉感受。场景构建技术主要用于构建元宇宙的环境，例如数字孪生、3D建模、实时渲染等技术；其中，数字孪生通过人工智能技术的辅助，可以对现实世界中的物体和环境进行精准的模拟，在此基础上执行进一步的优化以及行为预测
[16]。作为元宇宙数据的来源，应用在感知层设备上的一系列交互技术也是十分重要的。其中，脑机接口技术通过算法将解读后的脑信号传播到设备，实现信息交换与控制
[17]；动感模拟技术为用户在虚拟世界中的移动提供运动感知
[18]，将从现实世界收集的体感数据作为元宇宙的数据输入，并通过传感器的数据和用户的行为来生成虚拟世界对象的初步特征。与动感模拟技术相比，体传感技术更注重用户与虚拟环境之间的交互，通过体传感技术，元宇宙可以模拟用户在虚拟环境中的身体感觉，使用户能够更真实地感受到虚拟世界的存在。
2.4 连接层
连接层是元宇宙底层网络技术的保障，无论是远程执行大规模计算任务、访问大型数据库，还是用户之间的信息交流都与网络和通信密不可分。连接层的5G/6G、物联网（Internet of Things, IoT）等网络技术保证了现实世界与虚拟世界之间数据传递的稳定和效率。其中，5G具有低时延、低功耗、万物互联等优势，为元宇宙的实现提供了可能；6G在此基础上将打破虚拟现实的限制，服务的对象从现实世界拓展到虚拟世界，为用户提供流畅的交互体验；IoT将元宇宙与现实世界联系得更加紧密，使得用户可以随时随地通过身边的设备访问元宇宙。此外，构建元宇宙还需要强大的计算系统，目前的算力架构还不能满足元宇宙低门槛、体验密集的需求，然而云计算、边缘计算等计算范式能够在一定程度上推动计算能力的发展
[19，20]，承担起连接元宇宙各个虚拟应用场景的责任。
2.5 安全层
在元宇宙高速发展的同时，其安全和隐私问题也需要得到相应的关注。我们将元宇宙的安全保障分为用户信息安全、网络通信安全和虚拟资产安全。用户在元宇宙中享受虚拟服务时，其数字化身是根据用户本身的身体数据构建而来，相关的生理、身体、生物特征和社交信息过于个人化，如果被泄露，将极大地危害用户的安全和隐私
[21]。在应用元宇宙的相关技术时，网络通信安全是一个基础性要求，网络通信信息包括用户之间的私人数据和元宇宙数据，保障网络通信的安全性可以防止这些敏感信息被未授权的对象进行访问和窃取。元宇宙中的虚拟资产类似于现实世界的用户财产，这些虚拟资产可以被交易，它们的安全性直接关系到用户的财产安全和资产价值，因此同样也需要得到保护。
3 元宇宙关键技术
3.1 区块链
区块链被认为是安全和隐私保护的突破性技术
[22]，并首先在加密货币上得到了最广泛的应用，近几年来各种加密货币的爆火也使得区块链得到社会和学界的更多关注。简单来说，区块链就是一种由多方共同维护的一个分布式账本，由一个个连续的区块储存。每个区块包括时间戳、随机数和交易数据，区块之间利用哈希值或者其他加密算法进行连接
[23]，能够保证数字资产交易在网络中的安全性和可信度。站在用户的视角看元宇宙，最为直观的就是各种身临其境的体感游戏或者眼花缭乱的视觉体验，但是作为与现实世界相对的一个虚拟平行世界想要平稳地运行和发展，必须有其科学稳定的底层经济逻辑。元宇宙经济体系由数字创作、数字资产、数字市场和数字货币四个模块组成。区块链作为去中心化技术的代表，在元宇宙的发展过程中起到了重要的基础支撑作用，利用其去中心化的特性可以将元宇宙经济体系的各个模块连接到一起保证元宇宙的开放、高效和可靠。
如
图2所示，传统的区块链架构包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。其中，数据层和网络层的数据传输以及验证机制保证了元宇宙经济生态系统中各种数据的采集和存储的可靠性。在区块链中，每个活动都被记录为一个事务，这些事务被收集并组成一个块，每个块都包含前一个块的哈希值、时间戳以及元数据
[24]，形成了一个链式的数据结构，因此在区块链中，参与者无法在不更改其他区块信息的情况下修改单个区块，这样使得区块链具有防篡改的特性
[25]。共识层的共识机制解决了元宇宙交易的信用问题，最有名的共识机制当属比特币所采用的工作量证明机制（Proof-of-Work， PoW），其要求矿工进行大量的计算来找出随机数学问题的答案
[26]，但PoW也导致了交易的低效和过多的能源消耗；权益证明机制（Proof-of-Stake， PoS）缓解了PoW的问题，PoS通过使用加密货币的持有量和持有时间取代计算能力来作为衡量参与者能否生产区块的标准
[27]；此外，还有在星际文件系统的基础上提出的时空证明机制（Proof of Space Time, PoST），其要求参与者提供一些存储空间并在指定的期限内存储数据来达成证明
[28]。激励层奖励的货币采用分布式存储的方式进行分发和管理，与共识机制相互补充，作为鼓励措施激励各个节点参与运算过程。合约层的智能合约技术提供了区块链上自动执行的脚本和算法，具有自治、自足和去中心化等特征，为元宇宙中的所有参与实体提供了可信环境。
3.2 人工智能
作为元宇宙的支撑技术之一，人工智能技术被广泛地应用在元宇宙的各个模块下，贯穿元宇宙整条生态链的内容生产、场景构建、人机交互等环节，是连接虚拟与现实的桥梁。
人工智能技术包括ML、NLP以及CV等。在元宇宙中，ML以及进一步的深度学习在与其他技术结合发展的方面取得了很好的效果，经过与AR/VR、区块链和网络等其他技术的结合能够在元宇宙创造更加安全和逼真的虚拟世界，在5G和未来的6G系统中，基于监督学习和强化学习的ML算法也将被用于自动资源分配、信道估计、网络故障检测等任务
[29]。
在元宇宙中，为了使数字角色能够正常的与用户进行语言交互，NLP发挥了重要的作用。例如，文献[
30]利用生成对抗网络来生成图像字幕和虚拟问答中的句子，并将词汇约束引入到语言生成模型中，有效地提高了句子生成的质量，该方法能确保元宇宙虚拟文本的语义通顺连贯，保证信息清晰的传达；文献[
31]提出了一种在元宇宙环境下基于用户情绪特征循环提取方法的3D文本生成器，该文本生成器能够作为目前元宇宙中语言生成模型的补充，提高元宇宙中虚拟助手的语言可靠性和灵活性。
在元宇宙的应用过程中，CV能帮助XR终端设备识别用户的活动信息，例如使用传感器进行人体姿势实时感知和预测
[32],以及结合用户目光的历史停留信息、VR设备提供的内容信息和用户头部旋转速度进行用户视觉的跟踪和预测
[33]，除此之外CV的图像增强方法已被广泛用于XR来解决图像传输过程中的质量下降问题，过去研究者通过应用图像处理技术研究了许多传统的图像增强方法，例如直方图分析
[34]和图像分解
[35]，而目前与卷积神经网络进行结合的图像处理技术在图片质量和计算速度上都有了较大的提升
[36~38]，这将增强虚拟世界中人类用户的体验，使物理世界中的用户能够与数字世界中的虚拟环境和人物进行更流畅的交互。
3.3 数字孪生
数字孪生不是一个简单的模型或者模拟，而是实体对象在虚拟世界的动态仿真。在元宇宙中，通过数字孪生技术能够对现实世界的诸多细节进行数字化展示，并通过XR等感知层设备将图像和模型可视化地显示在虚拟平面中，从而为用户提供沉浸式体验
[39]。
数字孪生技术通过对物理实体进行多角度、多维度的数字仿真模拟，将物理世界的信息映射到虚拟实体中，在不丢失物理实体细节的同时减少了实际构造的成本，对制造业、航空和医疗领域的产业发展有着十分重要的作用。而在元宇宙世界观下，数字孪生技术能够为大规模的场景渲染提供支持，例如使用数字孪生技术构建虚拟城市环境，目前已经有一些国家和地区朝着虚拟城市不断发展，实现城市的智能化管理。在文献[
40]中，印度安得拉邦的新首府Amaravati被认为是第一个数字孪生城市，采用了Smart World Pro软件构建城市3D模型，并通过城市中设置的传感器来实时监控城市建筑和环境数据的变化。在文献[
41]中，新加坡建立了一个城市运营模拟系统CityScope，完成了虚拟城市的规划布局，并通过数字孪生模型规划城市电能，识别和模拟道路交通。创建数字孪生城市能够帮助城市管理者在极端天气中进行有效的风险决策和基础设施管理。文献[
42]将现实视觉数据与三维虚拟城市建模相结合，再将更新后的城市模型输入虚拟现实仿真系统中来建立数字孪生虚拟城市。
3.4 云计算和边缘计算
云计算作为元宇宙的基础设施之一，负责为用户提供资源存储和计算服务。元宇宙的一系列基础技术都涉及大量的数据存储和计算，用户通过云计算服务商提供的无线连接和信号传输服务能够摆脱目前感受层物理设备的计算能力限制，享受元宇宙的服务。在过去的15年里，云计算的发展为整个计算机领域带来了一次突破和革命，未来也将有大量的工作负载转移到云端
[43]。云计算技术稳定的基础设施和全面的功能可以大大的补充元宇宙现有的基础设施，在元宇宙目前的发展阶段依靠云计算技术的计算、存储和数据安全服务能够有效地保证元宇宙信息的隐私、安全和可靠性。
由于感知层存在大量计算密集型设备，将所有数据传送到云端进行计算处理不仅给网络线路带来巨大的压力，也给用户与设备之间实时交互带来了相当的时延，比如当用户使用语音识别和AR/VR时，需要在进行高复杂计算的同时保持尽可能低的延迟
[44]。边缘计算的出现正好解决了这一问题，相比于云计算，边缘计算在更靠近数据源的地方处理计算，通过整合本地网络中的计算资源，借助边缘设备提供的额外的计算和存储能力解决原来需要上传到云端的计算任务，以此降低计算任务的延迟，减少对网络线路的负担。在边缘计算中，存在三种不同类型的设备：传感器、用户设备（例如智能手机）和服务器。原始数据在传感器中生成，由用户设备接收，然后传输到服务器进行处理。边缘计算将云计算扩展到更靠近物联网终端设备，通过分析和预处理这些节点上的数据，可以最大限度地减少延迟并减少带宽使用
[45]。
3.5 移动网络
要想实现元宇宙所提供的资源密集型服务，除了需要整合、分配相关计算资源之外，还需要有高可靠、大带宽和低延迟的通信系统，5G和6G网络都能提供这种技术支持。文献[
46]表明5G移动网络能够满足XR辅助远程操作系统的服务质量要求，首先5G通信标准增强了移动宽带服务，提供更高的用户数据速率链路，使数据速率比4G高出10到100倍
[47]；其次在一些极端情况下也能保证系统延迟小于5毫秒，保证了自动驾驶和VR/AR等许多实时系统的可靠性
[48]；最后5G服务通过扩大其覆盖范围可以在设备上高效的传输有效载荷，以此支持比4G网络更多的无线设备。
随着5G的商业应用已逐渐完善，学术界和工业研究机构正在将注意力转向下一代移动网络。由于开发新的移动网络通常需要大约十年的时间，研究人员已经开始确定研究方向，为发展6G奠定基础
[49]。可以预见在6G时代，各种信息的交互将从增强现实、虚拟现实向扩展现实、混合现实，乃至全息影像通信进一步发展，这一转变依赖于XR设备充分调动用户的视觉、触觉、听觉等感官，让用户能够随时随地享受虚拟运动、虚拟旅行、虚拟游戏带来的沉浸式的全息体验。
3.6 物联网
从整体上来说，物联网由应用层、网络层和感知层组成
[50]，每一层都能为元宇宙的发展提供支持。应用层是物联网的最上层，它涵盖了元宇宙在不同场景的应用和虚拟体验，例如医疗物联网设备可以连接到用户的身体或装有传感器的穿戴设备上以检测用户在体验虚拟世界时现实世界的身体状态
[51]，智能家居设备可以使得用户远程监控和操作家用电器变得更加容易和方便
[52]。
网络层支持元宇宙的数据传输和连接，主要负责物联网设备之间的通信，它提供了数据传输的基础设施，使得感知层收集的数据能够在元宇宙中流动和共享。网络层的技术包括无线通信协议和互联网基础设施等
[53]，确保了元宇宙中的设备和系统能够实现高效的数据交互和实时的通信。
感知层是物联网的最底层，它支持元宇宙的数据收集和感知，主要利用各种传感器、设备和感知节点收集现实世界的数据
[54]。在元宇宙中，感知层的物联网设备可以捕捉环境、用户行为和生理数据等信息，并将其传输到元宇宙中，这些数据将成为构建虚拟环境的基础
[55]。
4 元宇宙的安全与隐私问题
4.1 元宇宙的用户信息安全
用户信息安全一直是涉及现代社会安全和隐私的一个非常重要和敏感的问题。为了构建元宇宙往往需要通过更多的传感器设备来收集大量的用户信息，用户的信息在元宇宙中将比以往的社交网络更加详细和透明。例如元宇宙相关的传感器设备能够记录我们的身体与周边环境产生的交互信息，包括身高、体重、脑电波等，而在目前的互联网上一般很难获得到这些关键信息，这导致用户的信息和隐私面临极大的风险。在虚拟世界中占据主流的图像和视频视觉多媒体包含了大量的敏感信息，也可以从中提取出很多准确的信息，例如健康和社会地位等
[56]。
目前元宇宙面临的用户信息攻击包括身份验证攻击和访问控制攻击
[11]。其中，身份验证攻击包括密码破解、社会工程和假冒身份；访问控制攻击包括未经授权的访问、物理攻击和提权攻击。为了保护用户的信息安全，可以将用户信息进行分类，其主要被可以分为三类：广义保护、白名单和黑名单。广义保护意味着用户希望保护一些可能存在隐私问题视觉内容；白名单保护是指除用户选择的信息外，对所有内容都进行处理和保护；黑名单保护意味着除了用户选择的内容之外，不会处理设备中的其他视觉内容。除此之外，还可以通过限定设备在不同场景下的信息收集权限来保护用户的信息安全，例如Beltran等
[57]提出的物联网平台将启用细粒度的设备访问控制规则来决定应用是否可以拥有用户的设备数据；区块链可以提供去中心化的身份验证和授权机制，减少对中心化身份验证服务的依赖，增加用户信息的安全性，因此还可以将用户数据存储在区块链上，确保数据的完整性和不可篡改性
[58]。
4.2 元宇宙的网络通信安全
用户在元宇宙中体验丰富的虚拟生活并与周围的事物和人物进行密集交互时会产生包括文字、语音、图像等大量的通信数据，因此网络通信安全是确保用户的数据和隐私得到保护的关键之一。
对于元宇宙中的文字、语音和图像可以通过加密传输来确保网络通信过程中的机密性。文献[
59]中提到，即使数据在存储、传输或处理过程中被攻击或泄露，采用密码技术对这些数据进行加密也能保持数据的安全，进一步证明了采用密码技术进行数据加密的必要性。Varol等
[60]研究了用于加密特定文本或语音的对称加密，在这项研究中受保护的内容首先被转换为加密算法无法识别的密文。在数据传输的过程中，往往有第三方采用窃听特定信道攻击、差异攻击、推理攻击等方式来获取原始数据
[61]，为了防止通信数据在传输过程中被第三方篡改或损坏，可以采用消息完整性校验、数字签名等技术，验证数据的完整性，并防止中间人攻击和数据篡改。
在用户与其他用户、虚拟物体或虚拟环境进行交互的过程中，使用身份认证和授权机制能保护用户的网络通信安全。身份认证使用加密算法、数字证书、双因素认证等方法对用户进行身份验证
[62]，访问控制机制确保用户只能访问其具备权限的资源。Harn等
[63]提出了使用广义数字证书进行用户身份验证，只有正确响应证书验证计算的用户才被认为可以通信。Chachapara等
[64]研究了云计算中与密码学的安全共享，并展示了一个使用RSA加密算法和高级加密标准(advanced encryption standard, AES)等密码算法的框架，可以为具有不同权限的用户生成访问其文件的密钥。而目前基于区块链的元宇宙通信通过将实体与本地的区块链加密地址结合起来，将虚拟地址进行重映射来支持元宇宙的通信，能从另一个角度解决身份验证与鉴权的问题
[65]。在区块链或其他存储介质上记录的数据都可以被视为元宇宙中的一个实体，通过生成的加密地址可以在区块链上找到每一个实体，实体之间在进行连接前都应该相互认证。未来元宇宙服务提供商将允许用户使用其加密身份和地址来进行交互，而不是为他们提供某个虚拟账户，这样可以实现最大的用户隐私和匿名性以及端到端的安全
[66]。
4.3 元宇宙的虚拟资产安全
在元宇宙中，虚拟资产包括虚拟货币和数字资产等。虚拟货币是元宇宙的通用货币，可用于购买各种数字资产和虚拟服务。数字资产包括虚拟房屋、服装、装备、武器、宠物，以及数字艺术品、音乐和图片等。这些货币和物品由元宇宙的创作者花费时间或者现实世界的金钱创造出来，具有一定的经济价值，因此在元宇宙中对虚拟资产的保护也是十分重要的。
与现实世界中的货币一样，元宇宙中的虚拟货币也面临安全威胁。虚拟货币存储在数字钱包中，面临的安全问题包括私钥泄露、钱包被黑客攻击或恶意软件感染等。Ebrahimi等
[67]将虚拟货币钱包分为冷钱包和热钱包，当冷钱包持有用户存款时，热钱包负责处理提款请求，通过使用本地多重签名方案来管理冷钱包资产，这样能够确保私钥不会被泄露。Liu等
[68]利用随机种子和密码短语生成钱包私钥，在本地存储中仅保留一个随机种子列表，而不是完整的私钥，增加了攻击者窃取比特币的难度。
对于元宇宙中数字资产的安全问题，确认数字资产的所有权是关键。目前元宇宙采用的非同质化代币（Non fungible token, NFT）是一种区块链的数据编码，它使用区块链技术中的智能合约来记录和验证数字物品的所有权链条，代表数字资产独一无二的所有权，用户在购买NFT时将生成数字密码私钥，而这也是转移和出售数字资产的凭证
[69]。尽管NFT不能被元宇宙的其他用户盗用，但是仍然存在具有一定相似度的伪造品，某些个人或者组织可能会试图假冒已经发售的作品，破坏原来购买者的数字资产价值。与现实生活中交易的生活必需品不同，虚拟物品的价值更多地取决于它们的附加属性，物品的原创性和稀有性成为其定价的重要因素，因此确保其唯一性和原创性也是数字资产的安全问题之一。解决方案包括采用数字水印技术、去中心化的存储和溯源机制来保护数字物品的真实性和版权。通过在数字物品中嵌入唯一的数字水印标识符，可以将每个NFT与其创作者和所有权关联起来，这个标识符可以包含元数据、加密哈希或其他形式的信息，以验证NFT的真实性和来源
[70]。在文献[
71]中，嵌入数字水印之前使用二进制伪随机序列对水印进行加密，增强了水印算法的安全性，可以被应用在元宇宙的NFT加密上。
5 元宇宙的典型运用
5.1 教育行业
元宇宙的出现为教育行业带来了新的选择。元宇宙在教育行业的应用之一是虚拟教室。虚拟教室继承了传统教学环境下物理教室的所有教学模式，并且在此基础上增添了更多的功能。虚拟教室替代了传统线上课堂的非面对面教育，在VR等传感器设备的帮助下，即使身处异地，也能给人一种空间的真实感。Fernandes等
[72]提出了一个用于软件工程教育的元宇宙架构Meta SEE，推动了元宇宙技术在软件工程教育中的应用。Braud等
[73]通过考察香港科技大学校园环境和可用的传感器平台，研究了在校园元宇宙上使所有参观者共享大规模和持久体验的可行性，这些技术为未来我国大学校园元宇宙的建设奠定了基础。除了线上教学以外，元宇宙可以为教育行业提供不受时空限制的教学体验，学生可以在元宇宙空间里经历各种不同的新奇事物，这不仅能提高学生的学习兴趣，还能带来更好的学习效果。在元宇宙中，学生可以自己进行涉及危险化学反应的实验
[74]。Khan等
[75]提出在户外环境中使用VR、Kinect传感器和Unity游戏引擎对儿童进行安全培训，这也有利于安全教育的发展。
元宇宙近年来被国内外的高校逐渐接受并且使用，各种不同的教育活动也可以从线下转到元宇宙中。在国内，北京理工大学推出了元宇宙的数字校园交互空间，对校园环境实现了一比一的还原，学生们可以通过扮演虚拟角色来体验丰富的元宇宙校园生活，这也是国内元宇宙技术在教育领域的第一次大规模应用。Virbela公司为加州大学圣地亚哥分校量身定制了虚拟校园，复制了其校园内的会议室和实验室等环境，为学生提供了丰富的虚拟现实体验
[76]。可以预见未来的教育活动将越来越多地与数字设备结合到一起，而元宇宙能够摆脱时间和空间的限制，作为培养学生自主创新能力，丰富学习体验的教学方法之一将会得到教育行业更多的关注。
5.2 建筑行业
元宇宙与建筑信息模型（building information modeling， BIM）技术的结合在建筑行业中具有重要的应用前景。BIM技术是建筑行业用于建筑设计和施工阶段一种常用技术手段，它通过对建筑物进行精准的数字模拟和建模来调控建筑项目在不同生命周期所产生的数据与信息，指导建筑项目的规划、设计和建造
[77]。目前建筑和施工部门越来越多地采用BIM进行资产管理，然而BIM对运营和维护阶段的资产管理还有不足，通过将BIM数据与元宇宙平台结合，可以实现对建筑设备、维护计划和能源消耗等信息的可视化管理和监控，提高设施管理的效率和精度。Lu等
[78]为与数字孪生结合的智能资产管理的未来发展提出了一个框架，并倡导在运营和维护阶段广泛采用数字孪生资产管理。元宇宙结合BIM技术还可以实现更逼真的建筑模拟和虚拟现实体验。Delbrügger等
[79]设计了一个支持人类和自主机器人运动的导航框架，包括工厂的建筑物、工程环境和工厂数字孪生的内部设备，为使用寻路和路径跟踪功能的数字孪生化身提供参考。
元宇宙还为智能建筑的规划和实施提供了相应的技术支持。在建筑的建造过程中保证建筑物内部布局的合理性是一个重要的问题，例如在事故发生时建筑物内部紧急标志的设置能够很大程度上决定被困者能否快速地逃离建筑物，在元宇宙技术的帮助下，目前采用的动态出口标志能够实时监控建筑物的环境，动态地设计在紧急事件下的逃生路径
[80]。在建筑后期保养和维护方面，元宇宙中的数字建筑模型能够实时地反映建筑内部的健康状况。通过使用现实世界的传感器来收集信息，再对建筑数据进行综合的分析能够及时发现基础设施存在的问题，例如墙面破裂、水电故障、设施老化等
[81]。
在城市规划方面，传统的城市规划活动需要调查人员实地考察，消耗大量的人力物力收集城市发展信息。而元宇宙的数字孪生技术对城市建筑进行虚拟镜像，再通过连接层的物联网设备传输城市实时数据，能够准确地模拟城市的建筑和道路状况
[82]。城市的规划者和建设者能根据城市实时的环境状态和数据制定更加科学的城市规划方案，优化城市的治理。
5.3 医疗行业
医疗行业的发展关系到居民的健康，而元宇宙的发展将给医疗行业带来新的一轮革命。在元宇宙提供的虚拟环境中可以克服物理因素带来的限制，实现远程医疗、医学教育和医疗保健，为医学研究带来新的研究视角。Yang等
[83]提出了利用医学元宇宙的三大基本功能，即全面感知、可靠传输和智能处理来辅助医生临床实践，并为目前医疗元宇宙存在的问题提出了一些可行的解决方案，深入研究了如何通过全息构建、全息模拟、虚实融合、虚实联动实现元宇宙医学。Skalidis等
[84]提出描述心血管医学元宇宙概念的术语，强调了元宇宙在辅助心血管治疗中的可行性和重要性。
元宇宙的技术包括区块链、人工智能、场景构建和交互技术，其中区块链通过智能合约构建去中心化世界，并记录数字世界中所有数据的所有权
[85]，针对目前医疗行业中患者个人身体或者疾病信息的隐私泄露问题，利用区块链技术防篡改性和匿名性，能从根本上提升医疗系统的信息安全性。而AR技术可以帮助医疗专业人员进行有效地规划和诊断疾病
[86]。2020年，约翰霍普金斯医院的神经外科医生使用Augmedics开发的增强现实设备从患者的脊柱上切除了一个癌性肿瘤
[87]。除此之外，越来越多的临床教学开始尝试利用虚拟现实技术进行线上教学与培训，元宇宙的沉浸式体验和互动性为临床医学教育开辟了新的途径。对于医学学生，在教室学习到的知识与实践总有一定的差距，往往需要通过长时间的规范化培训来获得临床经验，而通过元宇宙的虚拟现实技术，学生有机会在课堂上就可以获得实际操作的经验，甚至可以以第一人称视角观察手术过程，这对学生的帮助无疑是巨大的
[88]。在牙科教育时使用触觉手套，让学生在练习缝合或进行神经阻断时感受虚拟牙齿，能显著提高学生的技能
[89]。通过MR和AI的结合使用，学生甚至可以进入虚拟人体，从而获得心血管系统的全尺寸视图或模拟实际的心脏手术
[84]。
5.4 游戏行业
在2021年Facebook更名为Meta之前，就已经有一些公司参与到元宇宙游戏行业的建设中来了。例如Epic Games在2017年发布了多人射击游戏堡垒之夜，玩家在里面扮演不同的英雄角色，在不断缩小的游戏环境下利用各种道具和武器决出最后的胜者。微软在2014年收购了Minecraft，玩家可以控制虚拟化身在类似积木的世界环境中移动，还可以通过挖掘收集各种材料，制作工具、房屋、道路，建立属于自己的世界。
目前的元宇宙游戏融合了虚拟现实、直播、加密货币和社交媒体，一些元宇宙游戏除了在为用户带来丰富的虚拟世界生活体验的同时，还基于区块链技术开发了支撑游戏经济系统的交易货币，其中比较有名的元宇宙游戏有Decentraland、Axie Infinity、Sandbox、Illuvium等。其中，Decentraland使用MANA加密货币，玩家可以在虚拟空间中创建头像、购买可穿戴设备和房产。游戏中的土地所有者可以出租地块或上面房屋、酒店、公园等等。在Decentraland的虚拟世界中，虚拟土地作为数字资产被存储在区块链上，是玩家交易的主要对象
[90]。
Sandbox是2012年推出的手机游戏，并在2018年推出了区块链版本，将游戏体验从过去的2D移动像素环境提升到3D。在Sandbox虚拟世界中，用户可以通过游戏内的VoxEdit创建3D对象并为其设置动画，游戏创作者可以在Marketplace中与他人通过SAND代币进行交易
[91]。
Axie Infinity也拥有以区块链技术为基础的去中心化的经济系统，这款游戏的灵感来自于口袋妖怪，游戏中生物被称为Axies，玩家可以饲养、收集和交易宠物，还可以寻找游戏内的宝藏或与其他Axies战斗。Axies生物和其他虚拟资产可以在游戏内的市场以NFT的形式进行买卖和交易
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6 结 语
元宇宙是多种技术融合的产物，它符合人们对目前互联网更深层次的需求，即不受时间和空间的限制追求身临其境的体验。目前元宇宙的发展还处于早期阶段，在技术实现方面，多种技术的结合需要解决异构的问题，还要规范虚拟世界到现实世界的信息传输接口；在社会影响方面，尽管在多个行业已经有了相应的应用，但元宇宙还存在着一系列的安全性问题和社会问题。本文介绍了元宇宙的相关概念和特性，从技术角度提出了元宇宙五层架构，阐述了元宇宙的几大关键技术，分析了目前元宇宙在用户信息与隐私方面存在的一些问题，介绍了元宇宙在目前教育、建筑、医疗、游戏行业的应用。元宇宙未来的实现和发展仍然依托于相关技术的进步，我们希望这项研究能为学术界和产业界建立对元宇宙技术架构的总体认知，推动元宇宙与社会各个行业的融合发展。
京公网安备11010202008535号
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