[论文解读] The Metaverse: Survey, Trends, Novel Pipeline Ecosystem & Future Directions

Hani Sami, Ahmad Hammoud+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Virtual Reality Applications and Impacts参考文献 239被引用 4

一句话总结

本综述提出了一种新颖的、多层管道生态系统，用于元宇宙，该系统分为基础设施、环境数字化和用户交互三个层次，整合了人工智能、区块链和边缘计算等使能技术，以应对去中心化、互操作性和用户体验方面的挑战。该研究提供了对元宇宙全生命周期开发的首个全面、跨学科的分析，并提出了切实可行的研究方向与解决方案。

ABSTRACT

The Metaverse offers a second world beyond reality, where boundaries are non-existent, and possibilities are endless through engagement and immersive experiences using the virtual reality (VR) technology. Many disciplines can benefit from the advancement of the Metaverse when accurately developed, including the fields of technology, gaming, education, art, and culture. Nevertheless, developing the Metaverse environment to its full potential is an ambiguous task that needs proper guidance and directions. Existing surveys on the Metaverse focus only on a specific aspect and discipline of the Metaverse and lack a holistic view of the entire process. To this end, a more holistic, multi-disciplinary, in-depth, and academic and industry-oriented review is required to provide a thorough study of the Metaverse development pipeline. To address these issues, we present in this survey a novel multi-layered pipeline ecosystem composed of (1) the Metaverse computing, networking, communications and hardware infrastructure, (2) environment digitization, and (3) user interactions. For every layer, we discuss the components that detail the steps of its development. Also, for each of these components, we examine the impact of a set of enabling technologies and empowering domains (e.g., Artificial Intelligence, Security & Privacy, Blockchain, Business, Ethics, and Social) on its advancement. In addition, we explain the importance of these technologies to support decentralization, interoperability, user experiences, interactions, and monetization. Our presented study highlights the existing challenges for each component, followed by research directions and potential solutions. To the best of our knowledge, this survey is the most comprehensive and allows users, scholars, and entrepreneurs to get an in-depth understanding of the Metaverse ecosystem to find their opportunities and potentials for contribution.

研究动机与目标

• 为解决目前缺乏涵盖从基础设施到用户交互整个开发管道的全面、跨学科元宇宙综述的问题。
• 识别并分析元宇宙开发在技术、社会和伦理维度上的关键挑战。
• 提出一种新颖的多层管道生态系统，作为理解元宇宙开发的结构化框架。
• 研究使能技术（如人工智能、区块链和边缘计算）对管道各组件的影响。
• 为学术界和产业界提供切实可行的研究方向与解决方案，以推动元宇宙生态系统的进步。

提出的方法

• 提出一个三层管道生态系统：(1) 基础设施（硬件、XR框架、MaaS），(2) 环境数字化（化身、渲染、会话管理），以及(3) 用户交互（用户-用户、用户-企业、用户-对象交互）。
• 基于最新最先进文献，对各层级中的组件进行多层次分类分析。
• 评估人工智能、区块链、隐私与安全、伦理、商业以及社会心理学等赋能领域对组件发展的影响力。
• 整合生成式设计、传感器融合、Li-DAR和深度摄像头等技术，以提升真实感、效率和跟踪精度。
• 提出一个公共共享设计资源库，以及跨链区块链机制，以实现去中心化所有权和互操作性。
• 引入游戏化和基于人工智能的群体机器人技术，作为提升元宇宙中用户参与度和对象交互质量的策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个全面的、多层的管道生态系统，以覆盖元宇宙开发的所有阶段？
• RQ2 元宇宙管道各层中的关键技术、社会和伦理挑战是什么？如何应对？
• RQ3 人工智能、区块链和边缘计算等使能技术如何提升元宇宙中的去中心化、互操作性和用户体验？
• RQ4 数字孪生、生成式设计和实时映射在推动环境数字化和用户-对象交互方面发挥什么作用？
• RQ5 为克服元宇宙基础设施、环境建模和交互设计方面的现有局限，未来需要哪些研究方向与解决方案？

主要发现

• 所提出的多层管道生态系统是首个全面映射元宇宙开发全生命周期的系统，涵盖基础设施、环境数字化和用户交互各层。
• 人工智能和生成式设计通过支持动态、定制化和优化的虚拟资产，显著提升了对象建模和用户交互的真实感、效率和个性化水平。
• 通过传感器融合、Li-DAR和深度摄像头可实现实时跟踪与映射，但动态物体定位与同步仍需进一步研究。
• 区块链集成，尤其是跨链机制，可实现跨元宇宙平台的安全、去中心化虚拟资产所有权与转移。
• 建立一个公共的、共享的设计资产资源库，对支持元宇宙内容创作的可扩展性、创新性和包容性至关重要。
• 游戏化和基于人工智能的群体机器人技术为提升沉浸式环境中的用户参与度和交互质量提供了有前景的路径。