元宇宙导论

人类社会正在逐渐迈入一个前所未有的数字化时代，2021年被称为“元宇宙元年”，作为数字世界的重要组成部分，元宇宙的设想、概念、技术并非一蹴而就，而是随着数字科技几十年来的飞速进步而逐渐产生和发展起来的，是众多前沿数字技术的集大成者。本书共11章，系统地介绍了元宇宙的基本概念、关键技术、应用领域和发展前景。

第1章介绍元宇宙的全貌，包括元宇宙的基本概念、发展历程、基本框架、产业现状、应用和影响等。

第2章介绍元宇宙的接入技术——网络与通信，包括网络与通信技术概述、新一代互联网协议IPv6、新一代移动通信技术和短距离无线接入技术等，探讨网络与通信技术在元宇宙中的作用和发展方向。

第3章介绍元宇宙的引擎——云计算，包括云计算概述、关键技术和产业等，探讨云计算在元宇宙中的作用和发展方向。

第4章介绍元宇宙万物互联的技术——物联网，包括物联网概述、技术体系、边缘计算和物联网产业等，探讨物联网在元宇宙中的作用和发展方向。

第5章介绍从现实世界迈入元宇宙的技术——扩展现实，包括扩展现实技术概述、实物虚化和虚物实化技术等，探讨扩展现实在元宇宙中的作用和发展方向。

第6章介绍自然融入元宇宙的技术——人机交互，包括人机交互技术概述、发展历程、系统组成和交互设备等，探讨人机交互在元宇宙中的作用和发展方向。

第7章介绍元宇宙的信任基石——区块链，包括区块链概述、发展历程、体系结构和关键技术等，探讨区块链在元宇宙中的作用和发展方向。

第8章介绍元宇宙环境下的未来互联网——Web3.0，包括Web3.0的基本概念和组成，探讨Web3.0在元宇宙中的作用和发展方向。

第9章介绍元宇宙的智慧源泉——人工智能，包括人工智能概述、机器学习、计算机视觉、自然语言处理、多模态人工智能、大模型和人工智能生成内容等，探讨各项人工智能技术在元宇宙中的作用和发展方向。

第10章探讨元宇宙在娱乐、社交、医疗、工业和教育等领域的应用前景，展现元宇宙在各领域的发展潜力。

第11章探讨元宇宙发展中可能面临的挑战和风险，并介绍产业元宇宙和消费元宇宙。

本书获华侨大学教材建设基金立项资助，由华侨大学曾焕强主编，他带领华侨大学智能视觉信息处理团队（SmartVIPLab）完成了本书撰写工作。本书第1～3章由曾焕强编写，第4、5章由陈婧编写，第6～8章由朱建清编写，第9章由施一帆编写，第10、11章由林琦编写。在编写过程中，团队成员蔡磊、郑惠洁、孔庆玮、丁瑞、郑航杰、柯雯瑶、张祥杰、邹慧婷、严月日、刘智鸿、朱显丞、焦超、文豪、胡浩麟等提供了大量辅助性工作，在此向他们表示诚挚的感谢。本书部分内容引用了国内外同行专家的研究成果，在此对他们表示衷心的感谢。同时，特别感谢清华大学出版社的大力支持。

无论您是科技从业者，还是对未来充满好奇的读者，希望本书能为您打开一扇通向元宇宙的大门，带您走进一个崭新的数字世界，深入了解令人振奋的数字化前沿技术，探索元宇宙的无限可能。

由于作者知识水平所限，书中不当之处在所难免，欢迎广大同行和读者进行批评指正。

 曾焕强
 2024年1月

《元宇宙导论》旨在从元宇宙底层技术出发，为高校学生提供一个全面了解元宇宙的机会，读者对象包括新工科各专业的本科生，也可供研究生及电子信息类相关从业人员使用。 本教材共分为五个主要部分，全面涵盖了元宇宙的概念、基础设施、去中心化以及AI驱动等关键技术，并探讨了元宇宙的未来发展和面临的挑战。第一部分，首先介绍了元宇宙的基本概念、历史脉络、发展现状以及技术基本组成框架。学生将了解到元宇宙的起源和发展，并探索其中的技术构成要素。第二部分，详细讲解了元宇宙的基础设施建设，包括网络、通信、云计算和硬件技术等方面的需求与发展方向。学生将深入了解支撑元宇宙运行的基础设施要求，探究其发展趋势与技术要点。第三部分，介绍了实现去中心化的技术，包括区块链和Web3.0等实现元宇宙去中心化数字社会的技术，引导学生探索如何通过区块链等技术确保元宇宙的安全、开放与可信任性。第四部分，对AI驱动的技术进行详细介绍，包括机器学习、计算机视觉和自然语言处理等赋予元宇宙“智能”的人工智能技术，带领学生了解如何利用人工智能技术实现元宇宙的智能交互与个性化服务。最后，教材第五部分总结及展望了元宇宙的应用和未来将要面对的风险挑战，引导学生对元宇宙的应用前景和相关风险有更清晰的认识。通过《元宇宙导论》的学习，学生将深入了解元宇宙的基础概念、底层核心技术，能够全面把握基础设施、去中心化、智能化等关键领域的发展现状和趋势，为学生们在未来元宇宙时代的学习、研究和职业发展提供坚实的知识基础。

曾焕强,华侨大学教授，博士生导师，工学院院长，新加坡南洋理工大学博士，香港中文大学博士后，国际著名期刊IEEE T-IP编委，福建省级高层次人才（A类），福建省青年拔尖人才，福建省杰青，福建青年五四奖章，中国电子学会信号处理分会委员，IEEE高级会员等，曾任多个学术会议大会主席/技术委员会主席等。主持国家重点研发计划等30余项课题。发表论文150余篇，ESI高被引论文1篇。获得授权发明专利51项，实现3个专利成果转化，以第一完成人获得福建省科技进步奖二/三等奖、厦门市科技进步奖一等奖等多项奖励。

第1章 数字技术的集大成者：元宇宙 / 1
1.1 元宇宙的基本概念 / 2
1.2 元宇宙的发展历程 / 5
1.3 元宇宙的发展现状 / 7
1.4 元宇宙的基本框架 / 10
1.5 元宇宙产业及应用 / 15
1.6 元宇宙的影响 / 19
1.7 小结 / 22
1.8 习题 / 23

第2章 接入元宇宙：网络与通信 / 25
2.1 网络与通信技术概述 / 26
2.2 新一代互联网协议IPv6 / 35
2.3 新一代移动通信技术 / 40
2.4 短距离无线接入技术 / 45
2.5 元宇宙与网络通信技术 / 51
2.6 小结 / 53
2.7 习题 / 53

第3章 元宇宙的引擎：云计算 / 55
3.1 云计算概述 / 56
3.2 云计算的关键技术 / 61
3.3 云计算产业 / 73
3.4 元宇宙与云计算 / 77
3.5 小结 / 80
3.6 习题 / 80

第4章 元宇宙万物互联：物联网 / 81
4.1 物联网概述 / 82
4.2 物联网技术体系 / 86
4.3 边缘计算 / 92
4.4 物联网产业 / 95
4.5 元宇宙与物联网 / 101
4.6 小结 / 103
4.7 习题 / 103

第5章 现实世界迈入元宇宙：扩展现实 / 105
5.1 扩展现实技术概述 / 106
5.2 实物虚化 / 118
5.3 虚物实化 / 128
5.4 元宇宙与扩展现实 / 140
5.5 小结 / 145
5.6 习题 / 145

第6章 自然融入元宇宙：人机交互 / 147
6.1 人机交互基本概念 / 148
6.2 人机交互的发展历程 / 149
6.3 人机交互系统组成 / 152
6.4 人机交互设备 / 161
6.5 元宇宙与人机交互 / 169
6.6 小结 / 170
6.7 习题 / 171

第7章 元宇宙的信任基石：区块链 / 173
7.1 区块链概述 / 174
7.2 区块链的发展历程 / 175
7.3 区块链的体系结构 / 178
7.4 区块链的关键技术 / 186
7.5 元宇宙与区块链 / 194
7.6 小结 / 198
7.7 习题 / 198

第8章 元宇宙与未来互联网：Web3.0 / 199
8.1 Web3.0的基本概念 / 200
8.2 Web3.0的组成 / 205
8.3 元宇宙与Web3.0 / 215
8.4 小结 / 216
8.5 习题 / 216

第9章 元宇宙的智慧：人工智能 / 217
9.1 人工智能概述 / 218
9.2 机器学习 / 222
9.3 计算机视觉 / 231
9.4 自然语言处理 / 242
9.5 多模态人工智能 / 254
9.6 大模型 / 257
9.7 人工智能生成内容 / 263
9.8 元宇宙与人工智能 / 267
9.9 小结 / 268
9.10 习题 / 269

第10章 从概念到落地：元宇宙应用 / 271
10.1 娱乐领域的元宇宙应用 / 273
10.2 社交领域的元宇宙应用 / 274
10.3 医疗领域的元宇宙应用 / 276
10.4 工业领域的元宇宙应用 / 278
10.5 教育领域的元宇宙应用 / 282
10.6 小结 / 285
10.7 习题 / 286

第11章 数字世界的无限可能：元宇宙未来展望 / 287
11.1 元宇宙的挑战 / 289
11.2 元宇宙的风险 / 293
11.3 元宇宙产业 / 299
11.4 小结 / 311
11.5 习题 / 311

参考文献 / 312

《元宇宙导论》旨在从元宇宙底层技术出发，为高校学生提供一个全面了解元宇宙的机会，读者对象包括新工科各专业的本科生，也可供研究生及电子信息类相关从业人员使用。 本教材共分为五个主要部分，全面涵盖了元宇宙的概念、基础设施、去中心化以及AI驱动等关键技术，并探讨了元宇宙的未来发展和面临的挑战。第一部分，首先介绍了元宇宙的基本概念、历史脉络、发展现状以及技术基本组成框架。学生将了解到元宇宙的起源和发展，并探索其中的技术构成要素。第二部分，详细讲解了元宇宙的基础设施建设，包括网络、通信、云计算和硬件技术等方面的需求与发展方向。学生将深入了解支撑元宇宙运行的基础设施要求，探究其发展趋势与技术要点。第三部分，介绍了实现去中心化的技术，包括区块链和Web3.0等实现元宇宙去中心化数字社会的技术，引导学生探索如何通过区块链等技术确保元宇宙的安全、开放与可信任性。第四部分，对AI驱动的技术进行详细介绍，包括机器学习、计算机视觉和自然语言处理等赋予元宇宙“智能”的人工智能技术，带领学生了解如何利用人工智能技术实现元宇宙的智能交互与个性化服务。最后，教材第五部分总结及展望了元宇宙的应用和未来将要面对的风险挑战，引导学生对元宇宙的应用前景和相关风险有更清晰的认识。通过《元宇宙导论》的学习，学生将深入了解元宇宙的基础概念、底层核心技术，能够全面把握基础设施、去中心化、智能化等关键领域的发展现状和趋势，为学生们在未来元宇宙时代的学习、研究和职业发展提供坚实的知识基础。

曾焕强,华侨大学教授，博士生导师，工学院院长，新加坡南洋理工大学博士，香港中文大学博士后，国际著名期刊IEEE T-IP编委，福建省级高层次人才（A类），福建省青年拔尖人才，福建省杰青，福建青年五四奖章，中国电子学会信号处理分会委员，IEEE高级会员等，曾任多个学术会议大会主席/技术委员会主席等。主持国家重点研发计划等30余项课题。发表论文150余篇，ESI高被引论文1篇。获得授权发明专利51项，实现3个专利成果转化，以第一完成人获得福建省科技进步奖二/三等奖、厦门市科技进步奖一等奖等多项奖励。