元宇宙设计：从算力结构到内容体系的创造

成乔明

元宇宙（Metaverse）时代已经到来，随后必然诞生元宇宙设计。元宇宙设计究竟是什么？它的本质是什么？它的基础和内容体系又是怎样的？它具有怎样的社会化应用模式？这些问题的探讨对于建立和引导元宇宙设计的发展至关重要。本文立足于艺科融合、文工融合的角度，对元宇宙设计的上述问题进行了系统的研究，希望能寻求到设计行业未来的发展方向和新设计的发展规律。

一、元宇宙设计的概念

美国小说家尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）在小说《雪崩》（Snow Crash）中创造了一个名词“Metaverse”，在中国，它被翻译成“元宇宙”，指的是“最开始的宇宙或全新宇宙的开始”［1］，这个全新的宇宙也被有些学者认为是互联网世界的最高阶段。目前，许多知名科技公司、文化公司、动画公司、游戏公司包括投融资公司纷纷在向元宇宙化转型。笔者认为元宇宙的本质是虚实相生，即营构数字虚拟世界与物理现实世界互融互生的全新时空，其中虚实相融指的是通过各种数字技术将现实世界在虚拟世界中进行构建，并将真实同化于虚拟之中。［2］在这个过程中，设计、计算、创意作为三大核心力量将起到决定性作用，其中设计又是核心中的核心，即计算、创意其实也算是广义设计的一种。

元宇宙设计总体上来说包含两大类型：1.创造和完善元宇宙的设计活动，为了创造元宇宙必需的软硬件而产生的设计属于此，其核心创造力是计算机的算力；2.元宇宙利用人类的艺术创意以及人工智能（AI）技术创造出各种内容的设计活动，其中，人工智能发展到一定程度也具有类人化的设计能力，即大数据加持的人工智能制图能力具备类人的思维能力［3］和创造能力，人类的艺术创意能力是此类设计的核心创造力，但计算机制图也会涉及部分算力。例如，设计和创造数字化科技的行为便是第一类元宇宙设计，由人的艺术创意和计算机设计技术创造绘画、视觉形象、物体包括场景的过程便属于第二类元宇宙设计，这些绘画、视觉形象、物体包括场景同时也是元宇宙世界必要的内容。关于元宇宙设计的架构，文章用图1来表示。

从图1中可以看出，第一类设计是元宇宙构建的基础，主要是软硬件数字技术、技术设备的研发和制造，而计算机算力是构建第一类元宇宙设计的关键，计算机算力发展不充分、达不到应用性的要求，元宇宙很难真正实现。第二类设计则倾向于应用层次的内容构建，除了制图类的计算机算力，艺术创意、视觉设计能力是其更核心的生产力。要想真正创造出元宇宙，首先要解决虚、实世界之间的联通渠道、切换方式、互映结构，究其根本仍然是信息传输、转换、识别的过程要畅通、快速、准确，这就是元宇宙的非延迟性和开放性，除此之外便是要设计出充足的数字内容产业。数字内容产业的打造在元宇宙成熟期及之后会成为元宇宙设计的重头戏。

二、元宇宙设计的算力结构

元宇宙的建设仍然需要从计算机软硬件和互联网传输技术的提档升级上下功夫，因为元宇宙的构成包括硬件、软件以及内容三个部分，［4］而数字信息传输技术是基石。只有足够强大的电子基建和极其高速、稳定的信息传输才能支撑元宇宙，这些是元宇宙建立的第一步，而电子基建的能力和功能、信息传输的高品质和高速度依赖的就是算力，算力是元宇宙的基础设施之一。［5］所谓算力，就是计算机的计算能力，指的是设备通过处理数据，实现特定结果输出的计算能力，常用FLOPS（Floating-point Operations Per Second）.作为计量单位，用专业术语讲就是每秒能够进行的浮点运算数目。计算机芯片、计算机组件是其硬件基础，网络服务器、数据云、信息云是其外部环境。各种技术从拓扑搭建、系统管理、感知体验、功能实现等方面为元宇宙提供技术支撑，［6］这些技术无一不需要强大的算力。

算力大致可以分为三个层级：基础算力（基算）、智能算力（智算）、超级算力（超算），文章用图2表示三者的区别和联系。

图2 三层级算力运行机制示意图

由图2可以看出，基础算力针对个人终端设备，智能算力针对社会智能应用，超级算力针对高新攻关技术，这基本是按照使用算力量的多少、使用算力要求的高低、与大众市场的远近关系来决定的。基础算力需求量最大，X86、ARM等通用芯片是其硬件载体，它促进了智能算力的发展，整个社会智能化程度的提升又必然促进超级算力成为国家更高的追求，其中智能算力、超级算力的硬件载体是FPGA、ASIC等专用芯片。从技术降维指导的角度来说，超级算力的巨大成就必然指导社会智能算力的技术提升，智能算力技术又会指导基础算力技术的大发展，所以整个社会各层级的科技水平并不冲突，实际上是相辅相成的关系。在这三层级算力的结构中又包含着五大算力类型：1.建模算力；2.传输算力；3.识别算力；4.交互算力；5.融合算力。五大算力类型隐藏在三层级算力的每一个层级类。

（一）建模算力

这里的建模主要是对数字信息运行机制、运行模式所做的总体性的规划、预设计，强调对数字信息运行环境的整体性、综合性打造。建模算力创造了元宇宙数字信息运行的出入方式、渠道、存储方式以及使用形式，类似于搭建框架结构。基于应用性的考量，建模算力主要在于构筑数字信息平台、营造数字信息运行环境、建构网络运行模式。落实到具体的设计活动来看，即用什么样的软件在什么样的计算机操作系统里来建造数字虚拟世界的视觉形象，软件和操作系统的建构、搭配、兼容、升级方式等都属于建模算力需要解决的问题。在设计行业，立足角色、道具、场景的三维设计软件进行的建模就是建模算力的主攻方向之一。角色对应人，道具对应物，场景对应场，有了人、物、场，一个完整的时空和视觉世界就能通过设计师创造出来。CAD、3DMAX、PRO/E、Solidworks、Maya、Rhino、ZBrush、Google Sketchup、Poser、Blender、Teddy等是教学和行业内常用的设计软件，创造并不断优化这些设计软件就需要进行一定的数学建模。

（二）传输算力

传输算力主要是网络服务器的能力，网络服务器内部也装配有特定的计算机系统，算力就来自于这类计算机系统。传输算力的核心是网速的设计力，就是用什么样的方式可以实现理想状态的传播速度。高速的线上信息传输极为重要，它不但是元宇宙低延迟或非延迟性的保证，更是传、受双方同步联通、及时交互的关键，只有同步及时的交互才会使人感觉画面的连续性和逼真性，也才能使人获得沉浸感和体验上的满足感。信息传输算力取决于两方面的能力，即计算机的运算速度和网速。计算机的运算速度主要跟CPU相关，一般说来，CPU的主频越高，运算速度就越快。网速由延迟设计和宽带决定，其中宽带又受服务器、入户光纤、光猫、路由器、上网账号、中端辅助设备、局域网网线或WIFI信号、电脑或手机的网卡数级的影响，所以相对更加复杂。2021年，中国联通提出“算网融合”“算网一体”战略，这里的“算”就是算力，为的是提升网络的传输速度。

（三）识别算力

元宇宙设计将经历原型设计、AI设计、渲染设计、连接设计、融合设计等运行步骤，其中贯穿始终的便是信息。创意信息、内容信息、数码信息等都以指令模式从一个端口传向另一个端口，每经过一个端口都需要被机器识别一次，识别成功了才会进入解析和重组程序，否则便会成为无效信息。笔者认为元宇宙存在四大部类，即技术手段、传递模式、识别依据、内容体系，［7］其中“识别”是数字信息传输的第一步。高性能的自动识别技术（Automatic Identification and Data Capture）是识别算力发展的方向，即通过海量的大数据采集、分析、归类，来对照性地考察、比较、判别数字信息的类型，从而实现辨识和确认数字身份的目的。信息得不到识别或无法识别就会变得无效，而识别从信息发出、信息传输、信息接受到信息反馈都全部存在，其中信息传输中的识别行为最为复杂，每通过一个中端设备，信息就会被完整地、重复性地识别一次，某一次识别失败，信息就无法继续有效地传播下去，元宇宙虚拟世界实际上就是由巨大的海量信息的完美识别构建而成的。

（四）交互算力

元宇宙集中表现为无处不在的交互性，人人交互、人机交互、机机交互、云端交互、数数交互是其主要内容，其中最核心的交互便是数数交互。上面提到识别算力，识别的根本目的是为了让两方甚至多方实现共时性的交互。交互是一种双向式的识别，信息一来一往都需要经过一套完整的识别，如此反复地往来就构成数字对话，就形成元宇宙交互。线上交互基本都属于数数交互，信息的传与受同时也是同步运行的受与传，无论是信息输出还是信息导入、信息反馈，都需要经过大量计算，而且这种计算必须是高效和精密的。元宇宙的交互算力将是一个覆叠式的多层交互算力，即影像、照片、声音、语言、文字、动作、色彩的代码覆叠在一起，接受机器或设备同步的协同计算，然后呈现为人们能够认识的统一形式。随着人工智能技术的加强，交互计算传统的HTML自定义属性方案必将会被智能生命神经化演算模式所替代。智能生命神经化演算模式是一种对人类生命神经系统高度仿生形成的类人化智脑的计算机运行系统，强大的算力能力、复杂的算力系统、同步的协同计算和算力交互是智能生命神经化演算模式的坚实基础。

（五）融合算力

元宇宙旨在创立一种生态星球，.其晶状联通式的社会结构［8］就是要实现虚实的融合，因为元宇宙既不是虚，也不是实，而是虚、实的融合体。融合算力包含数据融算、虚实融算、生态融算，是三维或四维上的立体式交互与融汇，是更为复杂的生态计算体系。云计算被认为是元宇宙最重要的部类，就是因为其交错覆叠的算力结构能够解决不同社会形态之间的对话与融合，多源数据和复杂算法取代传统的人成为网络化、扁平化的各个节点的赋权者和赋能者，［9］在此基础之上，海量非结构化数据处理与分析、异构智能（Novumind）的“云—边缘—终端”协同计算模式将成为元宇宙融合算力的主要架构。只有良好的交互才能产生良性的融合，融合计算是诸多交互计算的整体，每一次的交互计算就是融合计算的细胞，而一个完整的融合计算是每一次交互计算有机的生命体，没有交互计算就不会有融合计算，但没有系统的融合计算，无数交互计算就会使世界成为一个内部无比混乱的高熵体。

这五大算力构筑成一个庞大的算力结构，文章用图3来表示这个结构体。

图3 元宇宙算力结构示意图

由图3可知，建模算力统领了传输算力、识别算力、交互算力和融合算力，就像搭建建筑的框架，框架结构完成了，建筑的大致形制就成形了。而交互算力又是其中最为核心的技术节点，元宇宙就是交互宇宙，虚实交互、数物交互是最大的交互，交互不但决定了各类信息的传输和识别，还直接促进了整个信息生态的融合，这就像建筑主要的受力柱，受力柱支撑起来了，整个建筑才能屹立不倒。融合算力将各类信息整合在一起，形成一种完整的生态，而这样的生态会再次修正、完善人类对元宇宙世界的设想与架构，从而构建出一个元宇宙算力结构的闭环模式。

三、元宇宙设计的内容体系

建立在算力结构基础之上，我们才可以谈论元宇宙设计的内容，或者说算力正是元宇宙设计内容体系的基石，因为计算机算力的可用性和发展将限制和定义元宇宙。从技术基础向内容体系的跃升是一个从技术阶层向社会应用提升、覆盖、普及的过程，具体说来，算力向内容体系的渗透主要体现在物象模拟、渲染、数据同步、影像投放、动作捕捉、音声翻译等方面，只有无比强大的算力才能支撑元宇宙内容世界的繁荣，亚马逊创始人杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）把元宇宙所需要的持续性计算需求称作“荒谬的算力”（Ridiculous.Computation），没有足够强大的算力，元宇宙的成形几乎不可能。虽然算力重要，但算力还不是元宇宙的根本目的，元宇宙的根本目的是建立起一个几乎可以等同于现实物理世界的数字虚拟世界，因为元宇宙是虚实共生，不是镜像孪生。这就涉及到元宇宙设计具在和拟态的多元内容体系的建构。“具在”，即物理现实世界中人和物的存在，重点指现实人和现实事物的存在；“拟态”，即数字人、数字物包括各种数字身份的存在与活动，重点指虚拟人和虚拟事物的形态，而虚拟人、虚拟物的设计并不是完全照搬现实世界，它需要极度丰富的想象与创造。元宇宙设计的内容大致说来可以分为物象设计、动态设计、场景设计、情境设计、伦理设计。

（一）物象设计

人、物、道具的设计即是元宇宙设计的物象设计，这里的物主要指人之外的动物、植物、器物等，这里的象主要指人和物的视觉形象。物象设计如果追求与现实世界中形象的一致或逼真，则属于写实设计，写实设计基本就是仿生设计，数字孪生是仿生设计的重要手法。物象设计也可以体现异形化，即全新的想象世界，体现与现实世界的迥异性。有了数字物象，随后可以通过数字原生技术创造更多的数字化变形，像数字化的卡通形象、虚拟构形、动漫形象、变形抽象的形象等就倾向于非写实设计或写意设计。物象设计是数字虚拟世界的单体性设计，一个个逼真或抽象的单体积少成多，从而汇聚成洋洋大观的数字虚拟世界。作为元宇宙中最重要的主体形象，人将会分裂为多元存在的态势，其中，自然人、虚拟数字人、高仿机器人会构成元宇宙“三人行”［10］的新型人类体系。

（二）动态设计

物象产生之后，让它们动起来则是深化设计的关键，只有活动的世界才是富有生机、令人向往的世界，让物象活动起来的设计就是动态设计，日常所谓的“动画”就是典型的动态设计。传统的动画制作是将连续动作的绘画有序呈现，从而运用“视觉暂留”形成运动的画面。现在数字物象的动态可以通过动作捕捉软件达到逼真运动的效果，像ThreeDPoserTracker、小K动捕、OpenMMD、Polygon Free、Character Generator、RTS Tenoomi等是常用的动捕软件，通过摄像和传感技术就可以把现实中的动作、态势叠加到数字人、数字物上面去，从而赋予数字人、数字物以运动的“生命”。动捕技术的问世有可能会瓦解传统的动画制作业，起码会将动画制作业引向人机虚拟现实化的方向发展，繁重的动画绘图职业很有可能最终会被人工智能化的动捕产业所替代。

（三）场景设计

有了各种各样的角色、道具、物体、动作，数字虚拟世界还缺少场景，元宇宙就是通过“编织场景”［11］和“关系再造”［12］而对社会多维场域进行重塑的，这种重塑实现了元宇宙形态的初步成形。数字孪生技术通过航拍、地面拍摄、录音、录像等手法将物理现实世界数字化，这将直接构建出完全逼真的数字场景。要想让人耳目一新，还得运用数字原生技术即通过数字软件，如3DS Max、Maya、C4D、UVLayout、Substance Painter、BodyPaint等去设计全新的数字场景，而且这样的场景可以充分发挥设计师的想象与原创力，能开拓观赏者的眼界与心胸。另外，虚拟空间也“可以反过来改变物理现实里原本的时空设置”［13］，也就是说数字虚拟世界对物理现实世界具有启迪、推动、改造、完善的作用，这就是物理孪生，是一种深度的交互行为。

（四）情境设计

如果说场景是空间的、物理的、具象的，那么情境就要更加虚幻一些，主要强调氛围的、心理的、超验的，场景能够被五感所掌握和体验，情境是更深层次中心灵和意识的感受、想象。情境设计不拘泥于物理时空、具体物象的创造，更强调氛围的营造、情意的诱发或创生，与中国艺术中的“境界”“意境”等概念存在一定的内联性，因为“艺术就是远古至今开启的一种元宇宙构造的对象”［14］，还因为作为内容产业的元宇宙起源于艺术的想象，又通过艺术创造和艺术活动获得快速的发展和成熟，［15］所以这里提出“情境设计”具有充足的根据。例如灯光既可以营造出亮丽感，也可以营造出诡异感，这里的“亮丽感”“诡异感”就是情境；例如坟地的恐怖阴森、云霞的热情奔放，这里的“恐怖阴森”“热情奔放”就是情境；又例如春阳使人开怀、秋风使人伤怀，这里的“开怀”“伤怀”就是情境。情境设计包含设计的主题设定、场景的氛围营造、受众的情意触发、心物的交流互动，是更大更广的主客体、人与物关系的建构与打造。场景是情境的物理基础，情境是场景的幻化伸展，从有到无、从小我到大境界的提升。

（五）伦理设计

人工智能伦理建设的必要性早已达成全球共识。［16］伦理设计显然是对物理场景也好，情境意蕴也好，都必须明确和遵守的道德立场、价值选择。伦理指人伦、常伦、道德观念的复合概念，它体现了设计师道德修养、人格品藻、政治意识和价值立场的综合素质。“元宇宙”既是一种技术发展现象，又是一种经济运行现象，还是一种伦理重构现象，［17］伦理问题在任何时代都是一个重要的社会基本性问题。在元宇宙时代，无论是智慧城市的建设、金融科技的发展、无人驾驶的创新、工业互联网的打造、智能制造的进步、虚拟世界的构建等都必然会对人类的生活造成革命性的变革，其中一个核心的终极问题仍然需要人类去做出回答：科技的使命究竟是什么？科技的伦理设计无论带来怎么样的困惑，元宇宙设计师们仍然需要通过物象、活态、场景、情境的设计来传递正确的三观，构筑优秀的人类价值体系，这大概毋庸置疑。

四、元宇宙设计的三层级模式

元宇宙设计包含了算力结构的研发和内容体系的构建，这是一个复杂的螺旋式上升的创造之路。算力结构的研发属于基础设计，是架设高速道路的设计；内容体系是应用设计，是创造多样化交通工具、产品体系的设计。元宇宙设计大致可以分成三个层级：1.基础设计；2.应用设计；3.生态设计。其中3的主体就是虚实共生、数物互映中科技使命、文化活动、政治形态、经济模式、社会结构的通盘规划和把控。下面的文章将对这三个层级分别介绍。

（一）基础设计

基础设计主要是技术方面的设计，包括硬件平台设计、软件栈道设计，其中，计算机、芯片、网络服务器、信息传输光缆、信息接收端口、影像摄录与捕捉设备等就属于硬件平台，而计算机和手机操作系统、计算机和手机运行程序、各种各样的网络信息运行环境与界面、大量的App等就是软件栈道，这里的“栈道”主要是供数据、信息、指令穿越的通道与路径。元宇宙是基于Web3.0技术体系和运行机制支撑下的数字新场景、新产业和新生态，［18］Web3.0技术体系支撑了深层次的基础设计，创造出了一种新型的社会生产力：云设计（Cloud Design）。云设计就是“网络搜索+开放式TAG（关键词标签）+智能匹配”的互联网数字设计体系，其核心是中心设计（Central Design），数据多、素材丰富、参与人数庞大、渲染力弱是其特点；随着远离云端中心会形成无数个区域，每个区域又拥有区域性副中心设计，这样的设计叫边缘设计（Edge Design），边缘设计渲染力大大增强；从边缘向外围延展可以到达客户终端，客户终端存在散点式的终端设计（Terminal Design），终端设计是紧密结合客户需要进行的设计，其渲染力最大最强，也最细致。

（二）应用设计

应用设计显然便是各种网络信息的设计，包含图片、影像、声音、文字、动作、场景等的数字化编码信息，这种编码通过一定的解码程序可以转变成能被人准确感受、认知和体验到的设计。应用设计包含原生设计、AI辅助设计、渲染设计，原生设计指由人脑想象出来的原生性创意形象，然后通过手绘或机绘把人脑中的创意形象高保真地呈现和表达出来；AI辅助设计目前主要是以“人+计算机智脑”的形式联合设计的视觉形象；渲染设计同样重要，而且渲染设计的量非常巨大，巨大到成为天文数字，渲染设计决定了元宇宙视觉世界的精确度、深刻度和美化度，它是对数字形象、数字世界反复润色、反复修整、反复打磨的活动，它力求使数字人、数字世界看上去更加动人和美观，大量渲染设计人才是元宇宙最终成形的一股神奇的力量，也是元宇宙世界呼之欲出的最后一棒接力手。

（三）生态设计

生态设计是元宇宙设计的重要特征，因为元宇宙从诞生之日起就旨在建立一个全新的社会生态系，而整个地球也将因此成为一个生态星球。所以元宇宙的实质是一个虚实共生、数物互映性生态世界的建立。生态设计其实也是一种设计理念、设计哲学，是一个从整体上、宏观上俯瞰元宇宙世界的整体性造物精神、造物实践。连接设计、联合设计是生态设计的两大手法，也就是说，我们在做任何一个数字物象的设计时，都应当找到它的物理原型、赋予好它的数字身份、确定好它在数字世界里与其他数字物象的关系、规划好它与物理现实世界的沟通方式与对应者，尤其是仿真的数字物象，有可能就是现实主体的数字化身，是现实主体的第二种身份或存在形态。虚实世界中点到点的设计便是连接设计，面与面或无数个点之间的交错设计便是联合设计。生态设计是一种造就元宇宙时代社会生产关系和社会结构形态的设计。

文章用图4来表达元宇宙设计的整体内涵。

图4 元宇宙设计陀示意图

元宇宙设计是一个庞杂的系统，.但其整体性结构呈现一种旋转的陀螺模式，笔者称之为“元宇宙设计陀”。陀尖是元宇宙设计的支点，没有支点，陀就失去了旋转的可能，这个支点就是元宇宙设计的算力体系，算力的研发成为元宇宙的基础设计，科技是第一生产力，没有科技算力的成就，元宇宙不可能产生。陀身分为两部分，中间是元宇宙的应用设计，这一部分主要是艺术创意与生产制造，属于元宇宙的内容设计，这两者是并列的第二生产力。陀身最上部就是生态设计，在基础与应用双强盛之上，不得不谈元宇宙的生态构建，不得不考虑如何让地球成为生态星球的问题。“元宇宙设计陀”实际上是数字虚拟世界和物理现实世界的共生共荣，两个世界的交互与转变成为元宇宙设计陀不断旋转、快速旋转的原动力，虚和实或数与物缺少了一个，元宇宙就会立即消失。

五、结语

元宇宙数字虚拟世界是由数字版权资源组成的“生态十分完善的知识存贮和服务的功能多元综合体”［19］，数字版权资源是其中的主体，存贮和服务功能是建立的目标，多元综合体是元宇宙存在的形态。所以，元宇宙设计的重头戏是数字化影像世界的设计，也是人类未来主要的设计类型，即自由穿梭、联通、贯穿于虚、实两个平行世界的设计。本文是建立在计算机算力系统之上对元宇宙设计展开的探讨，事实上，计算机算力将是元宇宙时代最核心、最大的生产力，算力的速率和形态将决定元宇宙的发展状况与发展前景。但是，元宇宙的本体仍然应当是内容产业，内容为王支撑了元宇宙和元宇宙设计，没有足够庞大、足够丰富的数字内容，元宇宙也不可能产生。如果把算力当成技术手段来看的话，算力技术的研发与设计还只是最基础、最初级的元宇宙设计，数字内容创新和强盛的渲染设计才是元宇宙设计的高级目标。