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元宇宙之数字场景建设专题报告:核心要素、创新应用、未来展望

(报告出品方/作者:中信证券,王冠然)

1. 数字场景建设概要

1.1. 数字场景建设:元宇宙中的“基建施工”

数字场景建设可以类比为在元宇宙中的“基建施工”。元宇宙作为互联网的下一种形态,发展路径一方面可以由实向虚,作为物理世界 的复现和增强渲染,另一方面又可以由虚向实,通过元宇宙与现实世界的交互达到数实结合的全新阶段,而两种路径都需要打造与物理 世界相平行的虚拟场景,作为元宇宙的具象空间和内容承载。数字场景建设构建起元宇宙的基础空间和设施,相当于元宇宙空间中的 “基建施工”,而参与数字场景建设的相关公司相当于元宇宙“施工队”,其中算力是基本生产力,游戏引擎是增进效果和效率的工具 箱,数字创意是施工的图纸,构成了数字场景建设的三大核心要素。(报告来源:未来智库)

数字场景建设未来有望迎来发展机遇。数字场景已经在游戏、影视、工业建筑、设计等领域广泛应用,随着软硬件逐步完善、数字孪生 和全真互联网的发展、国家对数字经济建设的鼓励和扶持、VR/AR等新型终端设备的普及,对于数字场景建设的需求将会不断提高。长 期看,数字场景将成为元宇宙时代的基础设施,在全面数实融合的过程中拓展出广阔的发展空间。

1.2 数字场景建设近期热点事件

元宇宙概念第一股Roblox上市:游戏平台Roblox采用直接挂牌的方式在纽交所上市,作为全球最大的互动社区之一及大型 多人游戏创作平台,Roblox是首个将“元宇宙”一词写入招股书的公司。上市当天,Roblox估价涨幅达到54%,公司估值 比半年前融资时增长了7倍,达到近400亿美金。Roblox平台中拥有众多基于Roblox Studio自主搭建的UGC游戏和数字场景。腾讯发布“超级数字场景”战略:2021腾讯游戏年度发布会在线上举行,发布会以“超级数字场景”战略理念为核心,传 递对游戏认知、产业边界的建设性思考,并通过60余款游戏产品与内容集中发布,展现腾讯游戏为玩家带来的丰富体验与多 元价值。

英伟达在GTC大会展示虚拟场景:英伟达举办的GTC大会上,创始人兼首席执行官黄仁勋穿着标志性的皮夹克,在自家的 厨房里做了主题演讲,之后公布整场演讲的背景是由英伟达仿真建模、追光技术(RTX)和GPU图像渲染做出来的虚拟场 景,引起市场热议。虚拟土地交易量创历史新高:Dapprader数据显示,在11月 Decentraland、The Sandbox(沙盒)等平台出现前所未有的流 量和交易活动,虚拟土地交易量达到2.28亿美元,创历史新高,环比10月增长688%。虚幻引擎以《黑客帝国》为背景发布开放世界技术演示:Unreal以《黑客帝国》世界为背景,发布《黑客帝国觉醒:虚幻引 擎5体验》,其中的虚拟城市包括700万个实例化资产,其中有7000栋由数千个模块化部件组成的建筑、超过4万辆停放的车 辆、超过260公里的道路等,虚幻5能够以电影级的质量和超快的速度渲染。

百度发布元宇宙虚拟空间平台“希壤” :百度在Create大会揭开了“希壤”元宇宙的面纱,“希壤”基于AI原生云、空间声 场重建等技术,能够在国内率先实现了10万人同屏互动和“万人演唱会级”真实声效还原。风语筑与百度就希壤达成元宇宙生态共建合作伙伴关系:风语筑将作为百度希壤元宇宙3D虚拟建筑开发商之一,承接3D虚 拟建筑或数字空间的开发打造及内容运营业务。同时,风语筑与百度希壤计划将在希壤空间的核心区域打造元宇宙文化设施 集群,并率先推出风语筑数字艺术馆,由风语筑负责规划设计、内容引入和运营。

2. 核心要素一:算力是基本生产力

2.1 性质:算力是数字经济时代的新生产力

算力是数字经济时代的新生产力。2018年,诺贝尔经济学奖获得者William D. Nordhaus在《计算过程》一文中对算力进行定义:“算 力是设备根据内部状态的改变,每秒可处理的信息数据量”。自古代基于人力的算力起,每一次算力的提升,都带来了科技的突破和生 产方式的革命,对人类社会发展有深远的影响。在数字经济时代,数据是新生产资料,算力是新生产力,算法是新生产关系,构成了新 时代最基本的生产基石。随着5G、物联网、人工智能、VR/AR的发展,算力的重要性与日俱增。

现阶段算力规模主要包括基础算力、智能算力和超算算力三部分。目前的算力主要应用于通用计算、人工智能和科学工程领域,对于芯 片硬件和算力水平的要求有所不同,网络环境和算力投入为算力发展提供坚实保障,而消费和行业具体应用与算力规模相互促进。

2.2 需求:未来虚拟场景搭建所需算力必然以指数级提升

未来虚拟场景搭建所需算力必然以指数级提升。特别是元宇宙场景的搭建,当前算力资源远远不能达到需求,英特尔高级副总裁 Raja Koduri估计“实现元宇宙所需的算力将是现在全部算力的 1000 倍”。我们认为数字场景建设所需算力的提升主要来自以下方面:

高并发用户:未来元宇宙将渗透入绝大部分物理世界的活动,而实现高并发下的实时交互仍然是极大的难点。直到2015年,消费级设备上才能运行100名 真实玩家参与的游戏,而且对于处理功能较弱的设备无法加载其他玩家的定制装备。(报告来源:未来智库)

多模态体验:VR/AR等新型终端设备比平面场景展示所需算力更高,而未来触觉、嗅觉、脑机接口等新型人机互动形式成熟,将对算力资源提出新的挑战。

高渲染精度:随着对沉浸感和细节的不断追求,对于虚拟场景和人物的渲染精度逐渐提高,需要强大算力的支持。比如2018年虚幻发布的演示短片 《Siren》首次亮相时便产生了轰动,其引入了一套完整的毛发着色器和渲染系统,通过光源多重散射效果和光线追踪阴影,实现了逼真的渲染效果。

建模方式:当前场景建模以空心外表面多边形模式为主,不符合现实世界的物理规律,未来元宇宙有可能转向体素建模,巨量的粒子对算力提出更高要求。

2.3 现状:我国算力规模约占全球31%

2020年全球算力总规模429Eflops,同比增长39%。其中,中国算力规模135Eflops,约占全球的31%,位居世界第二。从行业上看,互联网是需要算力最大的行业,总规模占全国算力的47%,其次是政府和服务行业,分别占比14%和9%。

3. 核心要素二:游戏引擎是工具箱

3.1 架构:游戏引擎是搭建数字场景的工具箱

游戏引擎是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些互交式实时图像应用程序的核心组件。这套系统为游戏设计者提供所需的各 种工具,来快速地做出游戏程序而不用由零开始。游戏引擎的基础架构包括客户端、服务器和自动化部署运营系统,而通常所指的游戏 引擎是客户端引擎,比如Unity、Unreal等,包含渲染引擎、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络 引擎以及场景管理等功能。

游戏引擎核心在于算法积累和优化。丰富和先进的算法能够在平台中不断积累、复用和迭代,从而推动游戏、影视等行业的开发效率提 升,也是游戏引擎主要的差异化方向。除此之外,各大游戏厂商开发过程中往往存在独特的需求,也会在商业化引擎之外选择自研。

游戏引擎是元宇宙时代搭建虚拟数字场景的工具箱。在构建超级数字场景进而打造元宇宙的过程中,需要对现实进行测度并在数字世界 重绘、统筹声音画面场景等资源,游戏引擎是最贴近这一能力的工具。

3.2 发展:伴随主流游戏平台变化不断迭代

游戏引擎发展伴随主流平台变迁。1)90年代之前的主机时代,以任天堂、索尼为代表的主机厂商都是根据主机机型进行定制开发,但是 已经有了复用素材的游戏引擎逻辑,减少底层代码的重复开发。2)在PC时代,ID Software推出的Quake I引擎被认为是第一个完全支持 多边形模型、动画和粒子特效的真正意义上的3D引擎,随后主流的Unreal、Unity等引擎相继问世。3)移动游戏时代,随着移动设备不 断智能化,移动游戏的质量和开发难度不断提高,跨平台部署成为关键战略,Unity、Unreal4和COCOS2D-X脱颖而出。

中国游戏引擎以大厂自研为主。由于政策限制,中国游戏市场跳过了主机阶段,在端游和移动时代几乎与海外市场同步发展,腾讯、网 易、完美世界、西山居、畅游等游戏大厂均有自研游戏引擎,商业引擎包括触控科技Cocos、白鹭科技Egret Eng、蓝亚盒子Layabox等。

3.3 应用:多场景打造数字化世界

游戏引擎被广泛应用于影视、设计、营销、XR等相关领域。

电影领域:2016年Unity与迪士尼联合拍摄了3D电影《奇幻森林》,通过逼真的特效和渲染大获成功;2019年电影《狮 子王》中,Unity利用游戏引擎制作模拟场景,所有人员都通过VR设备进行拍摄。

汽车领域:1)设计部门可以将模型构造出来进行测试,不必在真实样车上修改,节省时间和开发资金;2)游戏引擎可 以用于算法训练,模拟真实路况中前方车辆刹车、强光照射等等情况;3)在汽车营销过程中,游戏引擎可以渲染出细 节丰富的图像,让用户在官网上就能通过任意终端多角度观看汽车的外观和细节。

建筑领域:游戏引擎可以直接导入CAD、BIM等软件的建筑模型,迅速生成精美真实的可视化设计方案,并支持直接在 数字实景中进行实时修改。

4. 核心要素三:内容创意是施工图纸

4.1 PGC:数字场景建设中不可或缺的力量

内容创意是数字场景建设的图纸。在工具和基础设施之外,搭建怎样的数字场景、设计怎样的交互能力也是未来发展的 核心之一,相当于施工队的图纸。我们认为PGC和UGC都将贡献大量内容创意,特别是元宇宙建设中UGC的重要性不 断提升,实现数字场景的多元化发展,同时创作者可以从现实世界文化以及经典IP中汲取灵感,创造出异彩纷呈的虚拟 空间。

PGC仍然是数字场景建设不可或缺的力量。当前数字场景建设仍然有较高门槛,需要大量设计和建模专业知识、资金 技术投入等,因此更多是由专业创作者和游戏、影视、工业建筑等领域厂商参与,从而制作高质量数字场景。因此,我 们认为在数字场景建设浪潮有望推动游戏、影视、展览等涉及数字视觉技术领域的公司发展。

4.2 UGC:元宇宙下的去中心化浪潮

元宇宙时代开放的数字场景创作。元宇宙的特点之一是去中心化,整个虚拟空间由每个个体共同创造和运维,而不以某 一个个人或组织的利益为中心。Meta首席执行官扎克伯格的演讲中也表示:“元宇宙不会由一家公司创建,它将由创造 者和开发者构建,创造可互操作的新体验和数字项目,并开启比当今平台及其政策所限制的更大的创意经济。”在这个 特点下,开源开放将是元宇宙的重要趋势,不同用户都可以通过封装和模块化后的代码进行创作以拓展元宇宙的边界, 实现其创意和创新。当前类元宇宙的游戏Roblox和Minecraft上已经出现了大量玩家自主设计和开发的五花八门的场景作 品,为整个生态带来新的活力。

4.3 数字场景实现对现实世界文化的创意演绎

虚拟场景建设可以实现对现实世界文化的创意演绎。数字场景的一个方向是对现实的精确还原,比如工业生产和城市 治理领域的数字孪生,这个对于内容创意的要求不高,而需要高精度的数据和传感器进行动态建模,力求还原出物理 世界的状态和变化。另一个方向是在现实世界已有的对象和文化基础上,充分汲取灵感,进行数字化的创造性重述。比如在文娱领域,故宫博物院推出了全景故宫,可以让用户足不出户从各个角度游览故宫,配以相关解说,提供全新 的游览和宣传方式;游戏《刺客信条2》则是还原意大利佛罗伦萨富有艺术气息的建筑,带来更加沉浸和富有历史感的 游戏体验。

5. 创新应用:关注技术和内容生产方式变革

5.1 从开放世界、沙盒和模拟到元宇宙

开放世界游戏为用户打造一个提供高沉浸度和自由度的数字场景。以Take-Two旗下经典游戏GTA5为例,游戏试图打 造一个虚拟城市,一个细节丰富且高度自由的大地图“洛圣都” ,玩家在推进主线剧情的过程中可以自由探索城市的 细节,参加一系列非线性的支线任务、驾驶改装载具街头竞速以及一系列现实世界中无法完成的操作等,通过模拟真 实城市场景和高自由度的探索为玩家带来强大的沉浸度。

模拟类游戏特点在于模拟环境和行为方式。通过模拟现实场景,让玩家深度沉浸在游戏中,给玩家真的模拟生活起居 和驾驶等体验,如Euro Truck Simulator这样基于现实世界的卡车司机模拟游戏 。随着数字场景建设领域的不断进化, 我们认为模拟游戏有望达到更高程度的拟真和沉浸效果,元宇宙将真正成为基于现实世界所打造的虚拟世界。

5.2 AR/VR发展创造新的数字场景需求

AR/VR市场需求不断提升。随着光学设备不断迭代、5G建设日趋完善、产品性价比进一步提高,VR/AR 行业进一步发 展。根据IDC预测,到2024年,AR设备出货量将达到4,111万台,VR设备出货量将达到3,561万台,总量CAGR 81.5%。(报告来源:未来智库)

5.3 虚拟地产与数字场景建设密不可分

虚拟地产是元宇宙中的房产。虚拟地产是存在于虚拟世界的区位资源,其每一块地都通过NTF(非同质化代币)进行记 录和认证,以此来确认土地的独特性和交易的真实性。游戏的开发商和玩家可以通过发行和流通市场对虚拟地产进行交 易,并在其中进行商业活动和游戏体验。

虚拟土地商业化前景被普遍看好。虚拟土地受到了广泛的关注,包括Adidas、PwC 香港子公司等多家企业公开表示在 The Sandbox和Decentraland等世界中收购虚拟土地。2021年12月,专注NFT、虚拟房产开发的Republic Realm用430 万美元的价格购买了The Sandbox的土地,成为迄今为止公开的最大虚拟地产交易,根据公司官网,Republic Realm已 经在19个世界中拥有约2,500块虚拟土地。

6. 未来展望:全面推动数实融合发展

6.1 数字经济:数字场景建设推动产业数字化转型

数字经济建设已经成为国家重点发展战略。2021年12月12日,国务院印发了《“十四五”数字经济发展规划》,肯定了 “十三五”期间数字经济为经济社会持续健康发展提供了强大动力,指出了“十四五”时期我国数字经济将转向深化应 用、规范发展、普惠共享的新阶段。

数字经济的重点在于产业数字化和数字产业化的转型。《“十四五”数字经济发展规划》指出加快企业、重点产业、产 业园区和集群的数字化转型;增强关键技术(核心软硬件等)的创新能力和竞争力;加快培训新业态新模式(在线服务、 共享经济、智能经济、新个体经济);提升公共服务数字化水平等方面。

数字场景建设推动产业数字化转型。数字场景不仅仅局限于泛娱乐领域,工业、制造业、商业、服务业等行业领域均需 要数字场景的赋能,例如智能城市和园区、数字孪生、模拟仿真等都需要数字场景建设领域的进一步发展和普及。在数 字场景建设推动下,产业数字化转型有望带动中国数字经济的规模、效率、竞争力的持续提升。

6.2 数字孪生:数字场景建设是实现数字孪生的重要部分

数字孪生应用广泛,发展迅速。根据学术界的定义:“数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助历史数 据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段”。数字孪生具有互操作、 可拓展、实时、保真、闭环等特点,能够帮助企业和政府对于物理实体进行更好的管理和监控,因此受到广泛关注。得 益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展,数字孪生的实施已逐渐成为可能,现阶段,数字孪 生已经开始在工业、农业、城市管理、健康医疗等行业落地。

6.3 全真互联网:数字场景建设推动建设数实结合的全真互联网

全真互联网全面推动数实结合。2020年,腾讯CEO马化腾提出了“全真互联网”的概念,随着计算能力快速提升、人 机交互模式更加丰富,全真互联网互联网应用渗透到绝大部分B端和C端用户的体验,将人、物、信息、制造、服务等 社会要素充分结合,通过多种形式全面实现线上线下一体化,同时也为用户带来更加沉浸的体验。

数实结合的过程离不开数字场景的搭建。全真互联网的核心是数实结合,一方面,现实的虚拟化比如数字孪生等技术 需要对物理世界的场景进行建模和分析,另一方面,AR和全息投影等技术也可以将虚拟世界的场景在现实中进行展现, 在这两个过程中,数字场景的搭建都发挥了重要的作用。

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