基于算力网络的元宇宙分层处理模型设计

2023-08-04 16:27:36来源：个人图书馆-非著名问天

0 引言

作为下一代互联网的愿景，元宇宙是对现实世界虚拟化、数字化的过程^[1-2]。如图1所示，元宇宙融合了区块链、虚拟现实、人工智能等技术^[3]。在交互层，利用虚拟现实技术渲染元宇宙的虚拟场景和虚拟角色，渲染模型的分辨率和实时性可以直接影响元宇宙的内容和交互性^[4]。在算法层，机器学习、计算机视觉等算法为元宇宙提供多样化的功能支持。在基础层，利用区块链技术为元宇宙经济体系的搭建提供支撑，元宇宙中的虚拟模型都会转为数字资产存储在区块链上。但利用虚拟现实和区块链处理的数据是异构的，在数据处理方式上的侧重点也不同。

(资料图片)

图1

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图1 元宇宙底层技术框架

元宇宙中虚拟现实技术和区块链技术的特性见表1。区块链技术处理文本数据，虚拟现实技术处理图形数据。为了保证数据的安全性，区块链需要将数据在多个节点上进行存储，会有大量的冗余数据^[5]。区块链在完成每笔交易时进行串行处理，这导致区块链的处理时延是非常高的，目前最快的链完成一笔交易的平均时间也要大于100 ms^[6,7,8]。而虚拟场景和虚拟角色为了保证用户的沉浸式场景体验，对用户的交互时延要求非常高（20 ms内），而且模型的分辨率也要非常高。这对算力提出了非常高的要求，因此需要高性能计算平台及基于这些平台的并行处理算法予以支撑^[9,10,11]。如何更好地融合虚拟现实技术和区块链技术是发展元宇宙需要解决的首要问题。

有3种部署虚拟现实场景和区块链数据库的架构模式可以选择。

第一种模式是将虚拟场景和角色渲染放在本地客户端，将产生的交互数据传输到服务器，服务器处理用户的交互后，将数据回传到客户端进行渲染，并将交互数据传到区块链进行持久化存储。这种模式类似于传统的客户端/服务器（client/server）架构，也是目前大部分三维游戏采用的架构。其优点在于传输的数据少，单用户通信成本低。但是其对客户端的算力要求较高，不利于元宇宙的普及，而且不利于同步多人交互。

第二种模式是将虚拟场景和虚拟角色采用分布式区块链的形式进行存储和处理。如Ryskeldiev B等人^[12]针对混合现实应用的虚拟空间提出了一种基于分布式区块链的点对点分布模型。这种模式的时延高，适合低交互的元宇宙场景，对单个节点的算力要求也高，而且在图形计算的场景上会有大量冗余，无法处理大型元宇宙模型。

第三种模式是分层处理，将虚拟场景和虚拟角色这部分数据交给大型计算中心进行建模和渲染，构建出逼真且可持久化的元宇宙虚拟场景，通过边缘服务器传输画面到客户端，用户终端只作为视频窗口接收画面，并负责采集用户的交互需求。作为分布式数据库，区块链存储虚拟模型数据对应的文本数据。用户发出的交互请求先提交到边缘服务器，如果是简单的交互，边缘服务器直接处理请求并返回，这样可以缩短时延，保障用户的沉浸感和交互感；如果是资产变更或模型状态的复杂变更，边缘服务器将请求传输到计算中心，计算中心重新渲染模型后返回给用户，并将所有交互请求同步到区块链上。这种模式可以应对大型的元宇宙虚拟场景和多人同时在线的场景，对用户终端的要求不高。本文重点关注第三种模式。本文主要贡献如下：

● 在硬件架构上，提出“元算中心”的概念，元算中心是专为元宇宙设计的计算中心，并且将元算中心、区块链节点、边缘服务器组成算力网络，为元宇宙提供算力支撑；

● 在软件架构上，结合硬件架构提出面向元宇宙大数据的分层处理模型，将模型数据、资产数据等异构数据放到不同的软件层进行处理；

● 结合硬件和软件的分层架构设计并实现一个元宇宙商城原型系统，为尽快落地真正的元宇宙应用提供参考。

表1

表1 Fig 1表11 硬件架构1.1 元算中心1.2 算力网络Fig 22 软件架构2.1 控制层Fig 32.2 模型层2.3 视图层2.4 数据层3 应用实践Fig 4Fig 5Fig 64 结束语参考文献