工业元宇宙与数字虚拟人发展概览_杨春立.pdf

数字经济DIGITAL ECONOMY FRoNI liNE 2022前沿30近年来，伴随研究的深入，元宇宙更多被界定为与现实世界交互的虚拟数字空间，以及未来数智世界的一种理想具象。随着人工智能、大数据、移动互联网等新一代信息技术快速发展和普及应用，融合虚拟现实、增强现实、深度学习、语义理解、语音识别等多种技术的数字虚拟人正成为人工智能应用最广泛、最有发展潜力的领域之一。文 杨春立 宋重阳 盛坤 中国软件评测中心当前，以 XR、数字孪生为代表的新一代信息通信技术、制造技术、现代工程技术等群体性技术加速集成融合，以自动控制与感知技术（一硬）、核心工业软件（一软）、工业云与智能服务平台（一平台）、工业互联网（一网）等日益综合集，以信息物理系统 CPS、工业数字空间等为载体的工业元宇宙开始出现。未来，人工智能技术将利用数字人这种载体，展现由个体智能向群体智能的转换，把一些专家智慧注入到数字智能里，构建群体智能，使行业服务能力、模式发生本质改变。一、工业元宇宙发展概况（一）国家政策开始支持，多地抢先布局发展高地近两年来，国家政策开始支持工业元宇宙发展。2022 年 1 月，工信部中小企业发展情况发布会明确提出，要培育一批进军元宇宙等新兴领域的创新型中小企业。北京城市副中心元宇宙创新发展行动计划（2022-2024 年）提出，力争通过三年努力，基本形成元宇宙产业生态。上海市培育“元宇宙”新赛工业元宇宙与数字虚拟人发展概览数字经济官方微信赛迪网官方微信DOI:10.19609/10-1255/f.2022.12.005312022 年第 12 期Digital Economy数字经济Dig it a l Ec o n o my 表 1：元宇宙相关政策来源：中国软件评测中心数字经济DIGITAL ECONOMY FRoNI liNE 2022前沿32 道行动方案（2022-2025 年）提出，要开展产业高地建设行动。广州市黄埔区广州开发区促进元宇宙创新发展办法鼓励企业推探索工业元宇宙等标志性场景。重庆市渝北区元宇宙产业创新发展行动计划（2022-2024）提出力争到 2024 年，在工业等领域构建形式多样的元宇宙新模式新服务新业态。（二）工业元宇宙应用拉开序幕，推动形成新制造范式工业元宇宙驱动工业生产和服务迈向全新范式。一是工业元宇宙推动其核心构成要素工业互联网优化升级为“五全”工业互联网：即实现工业生产全要素、全流程、全产业链、全价值链、全产品生命周期全连接；二是加速制造业向五化协同转型（数字化、网络化、智能化、绿色化、高端化）；三是推动形成五新制造范式：新型工业数字空间、新一代信息物理系统 CPS、综合集成的新工业四基、新工业智能、数据驱动制造模式，其特征是虚实密切融合、实时交互、高度协同，构建形成可视化、智能化的制造和服务体系。二、数字虚拟人发展概览 数字虚拟人一般也称数字化虚拟人、虚拟数字人、数字人等。随着人工智能、大数据、移动互联网等新一代信息技术快速发展和普及应用，融合虚拟现实、增强现实、深度学习、语义理解、语音识别等多种 AI 技术的数字虚拟人正成为人工智能应用最广泛、最有发展潜力的领域之一。（一）数字虚拟人产业链逐渐清晰，市场规模快速增长在多种因素的推动下，虚拟数字人快速发展，逐渐形成了一个清晰完整的虚拟数字人产业链。虚拟数字人的产业链包含为基础层、平台层和应用层。基础层为虚拟数字人提供基础软硬件支撑，包括建模软件、渲染引擎、物理引擎等基础软件，光线追踪、深度学习超级采样、面部建模、姿态表情模拟、高保真视频流压缩等核心算法，算力芯片、传感器、光学器件、电池等基础硬件。平台层支撑数字虚拟人的制作生产，主要包括共性技术平台层和应用开发层。其中，共性技术平台层包括渲染云计算平台、边缘计算设施、DEM（数字高程模型）平台、提供交互展示的空间数据底座等。应用开发层主要包括虚拟现实、增强现实、混合现实终端设备及裸眼 3D、全息成像等数字人显示解决方案，语音识别、语音合成、自然语言理解等人工智能技术，智慧大脑、情感计算等新算法，具有低代码特征的数字人编辑、运营等平台，数字人软硬件测评测试体系。应用层指虚拟数字人赋能实际应用场景，目前虚拟数字人在影视、传媒、游戏、金融、教育、医疗、文旅、政务等领域均有广泛应用。数字虚拟人市场规模快速增长。根据国际市场研究机构（Adroit Market Research）报 告，到 2025 年 全 球 交 互式 AI 平台市场规模将增长到 170 亿美元，其中数字人、语音助手是交互式 AI 平台的主要增长源。艾媒咨询2021 中国虚332022 年第 12 期Digital Economy数字经济Dig it a l Ec o n o my拟偶像行业发展及网民调查研究报告显示，2020 年中国虚拟数字人核心产业规模为 34.6 亿元，2023 年核心产业规模预计达到 205.2 亿元，带动周边市场规模预计达到 3334.7 亿元。据虚拟数字人深度产业分析报告预测，到 2030年我国数字虚拟人整体市场规模将达到2700 亿元。（二）数字化转型驱动数字虚拟人强劲发展，一批标志性产品快速涌现当前，数字化转型正处于发轫阶段，驱动功能型、实用型、服务型和表演型数字人迅猛发展。例如政务领域涌现了小哆智能虚拟数字人，通过智能语音、文字客服、视频客服等多种方式与公众进行远程多媒体交互，对外提供智能服务接待、业务导办与办理、智能外呼调研等服务，支撑政府“不见面”服务事项。文旅领域涌现了“天妤”“小糖”虚拟数字人，带来全新的文旅展示方式、讲解模式。在金融领域，2019 年浦发银行和百度共同发布数字员工“小浦”。2020 年德意志银行宣布其全球首个虚拟数字员工“Blue Bot Yi”在中国正式上岗。2021 年网易伏羲发布金融数字员工小杭。在虚拟主播领域，2018 年，新华社迎来全球首个全仿真智能 AI 主持人“新小 浩”；2019 年 3 月，全 球 首 个 AI 合成女主播“新小萌”加入特殊主播队伍；2020 年 5 月，以新华社记者赵琬微为原型的“新小微”正式上岗，在全国两会期间进行新闻资讯播报。与之前 AI 合成主播相比，“新小微”最大的不同在于其 3D 特性。“她”不再局限于固定位置坐着或站着，而是可以走动、转身，支持多机位多景深，360任意角度呈现内容等能力。“新小微”的合成采用了扫 图 1 数字虚拟人产业链来源：中国软件评测中心数字经济DIGITAL ECONOMY FRoNI liNE 2022前沿34描还原、面部肌肉驱动、表情肢体捕捉等技术，同时基于“微模块化”，像拼乐高一样可以重新组装身体部位和表情。（三）底层技术研发进程加快，数字人越来越智慧数字人底层技术聚焦建模、驱动、渲染技术。在人物建模技术方面，扫描重建技术已实现毫秒级高速拍照扫描，成为当前虚拟数字人建模主流技术之一。IR、Ten24 等公司将静态重建技术应用于影视数字虚拟人制作。凌云光等公司的拍照式人体扫描系统应用在影视特效、虚拟演播室及 VR 互动体验等领域。叠境数字研发的光场采集系统使用人工智能技术，模拟人眼的各个视点方向对真人 360度环拍摄影，实现实时采集真人的光场信息。百度虚拟人技术实现了数据采集控制在分钟级别，建模时间控制在天级别，仅需要单张人脸图片就能建模新的虚拟形象。北京小哆智能有限公司基于高精度虚拟数字人模型构建技术，一比一还原真人脸部特征、表情以及说话嘴型。在驱动技术方面，目前主流的数字虚拟人的动作生产方式是智能合成、动作捕捉迁移。嘴型动作的智能合成已能支持 2D 和 3D 数字虚拟人，但身体其他部 图 2 数字虚拟人制作技术概览来源：中国软件评测中心352022 年第 12 期Digital Economy数字经济Dig it a l Ec o n o my责任编辑：郭宇豪 位的动作目前只支持录播。Reallusion公司利用语音生成面部表情的 Craytalk技术已在动画制作中成功商用。在第五届互联网大会上，搜狗与新华社共同发布 了 全 球 第 一 个 全 仿 真 智 能 虚 拟 主 持人“AI 合成主播”。虚拟主持人让机器首次做到逼真地模拟人类说话时的声音、嘴唇动作和表情，几乎与真人一致。MotionAnalysis、VICON、Sega Interactive、青瞳视觉、Nokov 推出了运动捕捉产品，广泛应用在虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等领域。在渲染技术方面，重光照技术等新型渲染技术的出现使数字虚拟人的皮肤纹理变得更加真实。重光照技术通过采集模拟多种光照条件的图像数据，测算数字虚拟人表面光照反射特性，合成出数字虚拟人模型在新的光照下的渲染结果，使计算机中的数字虚拟人在任意虚拟环境下都可以呈现近乎真实的效果。重光照技术在 2000 年年初由南加州大学实验室研究提出，成功应用到阿凡达复仇者联盟等众多影片角色制作中。清华大学、浙江大学等建设了重光照系统，拥有高精度人体光照采集与重建技术。随着计算机图像处理性能的提升，实时计算速度越来越快，计算画面精度越来越高，实时光线追踪技术得以广泛应用。2018 年，NVIDIA 推 出 RTX 实 时 光 线 追踪技术，将标准渲染中使用的大部分技术替换为逼真的光学计算，以复制光线在现实环境中的行为方式，提供更加逼真的图像。目前全球有 40 余款专业应用程序集成了 NVIDIA RTX 技术。（四）政策支持力度加大，潜在风险亟须关注近年来，国家政策持续支持数字虚拟人发展。2019 年科技部、中宣部、中央网信办、财政部、文化和旅游部、广播电视总局等六部委发布关于促进文化和科技深度融合的指导意见，提出要加强激光放映、虚拟现实、光学捕捉、影视摄录、高清制播、图像编辑等高端文化装备自主研发及产业化。2020 年 8月，国家电影局、中国科协发布关于促进科幻电影发展的若干意见提出，以科幻电影特效技术发展引领带动电影特效水平整体提升。2022 年 8 月，北京市发布促进数字人产业创新发展行动计划（2022-2025 年），明确提出全方位推动数字人技术突破、应用示范和产业聚集，形成具有互联网 3.0 特征的产业发展新范式。发展数字虚拟人在技术上要倡导“科技向善”。在发展数字虚拟人产业发展时，要特别重视人脸数据、AI 技术的合理使用。目前技术上已初步支持通过照片、视频快速生成虚拟人，同时 3D 虚拟人因为与周围环境融合效果一般，较难伪造人脸识别结果。但在未来数字虚拟人发展过程中，要重视合理使用和风险防范。人脸合成领域曾出现过合成恶意影像、伪造虚假录像等一些滥用案例。业界正在积极开发活体识别等技术，以便尽早发现和清除相关伪造内容。