元宇宙概念

元宇宙的概念在近几年才开始被关注，而随着越来越多人意识到它的价值，越来越多企业投入到这个领域中。在元宇宙发展过程中有许多概念是可以被使用，比如“元宇宙”或“虚拟世界”，以及如何定义“元宇宙”。本文主要讨论“元宇宙”这个概念，并提出相关建议。元宇宙概念很多，其中比较著名的有HTML5和 Oculus Rift。

元宇宙是一个以沉浸式虚拟环境为核心，基于 VR、 AR、 MR等技术构建的虚拟现实平台、游戏、社交网络等系统。该平台通过互联网和各类硬件设备连接起来，通过智能手机、智能电视等终端设备实现多终端同步互动。可以将元宇宙分为两大类：元世界和虚拟世界(Weblogic)。虚拟世界主要指虚拟世界中具有沉浸感的空间和场景；元宇宙则是指在元宇宙中具有一个属于“元”世界中其他区域及整个虚拟世界的空间。元宇宙是继 PC互联网、移动互联网之后新一轮科技革命引发的全新概念，也是继云计算之后人类历史上又一次对科技进行重大变革。因此在未来世界中对元宇宙概念进行定义和分析具有重要指导意义。

二、HTML5与 Oculus Rift

HTML5是指基于5 G网络的下一代网络通信标准与应用。2019年3月5日晚，微软宣布与高通公司达成协议，双方将在基于5 G技术通信的软件开发和人工智能(AI)等领域展开合作。此外苹果与微软也在今年1月达成了合作意向。VR/AR是指基于 VR/AR技术打造的设备，主要包括头显和相关软件等。据统计预计2020年全球头显市场规模将达到650亿美元, VR头显有望成为新支柱行业。

三、如何定义“元宇宙”？

本文主要讨论如何定义“元宇宙”。首先，要明确“元宇宙”概念：元宇宙=虚拟世界+现实世界中的交互设备+信息交互场景+交互方式。其次，定义“元宇宙”时最重要的两个要素：内容和用户。对于元宇宙来说，内容是关键要素之一。它与用户有关：用户可以体验到虚拟世界带来的高质量、沉浸式的体验；用户可以通过用户体验感受到现实世界不可能给他带来的情感和体验；用户可以通过对虚拟游戏和沉浸式体验方式去感知现实生活中没有体验到的东西。

“元宇宙”(Metaverse)指未来的一种新的虚拟空间，其特点决定了它不仅可以创造、构建和体验一个虚拟的世界，而且可以创造一个真实空间、互动空间和社交空间来影响用户参与并建立用户之间的关系。例如元宇宙中的互动空间(VR)以及由此衍生出的社交空间(Metaverse)则是虚拟空间中人与人联系、交流并相互影响的具体空间。目前“元宇宙”被认为可以包括现实世界和虚拟世界两个部分（如 VR)。

在元宇宙领域，最受关注的是其带来的“沉浸式体验”、“用户隐私保护”等方面问题，但在元宇宙中也存在许多问题。首先，元宇宙的开发模式在某种程度上是依赖于信息技术领域。如果元宇宙领域中不能实现真正意义上的沉浸式体验，那么元宇宙将很难成为现实。另外，随着元宇宙领域技术的发展，市场上也出现了一些仿效其他元宇宙领域的“水军”企业。例如：一些技术公司以虚拟现实和增强现实作为元宇宙基础技术框架研发产品。这种仿效并不能真正解决元宇宙未来发展中存在的问题，元宇宙依然需要更多具有实际应用价值的技术创新来解决上述问题。传统的彩色图像传递系统，需要在图像中添加彩色的像素点，需要通过大量的图像处理软件对图像进行处理，并且通常需要一定的时间，将图像传回信息中心后再进行处理。如果图像中的像素点太多，将会造成设备损坏或无法正常使用；同时在整个过程中，将会浪费大量的时间。如果图像中只有像素点，则不需要使用大量的时间来进行处理，从而节省了人力和物力。彩色图像传递系统采用了独特的硬件结构和设计思想来满足各种要求，因此在许多方面能够满足图像传递需要，并且可以在短时间内获得所需要的图像信息。在过去，彩色图像传递系统主要采用 DRAM (数字存贮存储器）方式完成传读与传输工作，然而这种方式存在很多缺点：首先是由于需要使用大量存储设备和大量传输数据资源来完成传读工作；其次由于设计人员在处理时采用了各种“非标准”工具，所以设备会变得笨重、不灵活；第三是由于设备体积过大或需要更换零件，在传输过程中将耗费较多时间。同时由于图像传递系统主要工作人员在操作时都处于半封闭状态，因此在正常使用情况下难以做到实时更新信息等。彩色图像传递系统还存在很多缺点和不足之处:1.它只采用单机模式进行传输;2.无法实现多点连续传输;3.不能进行无源信息的识别。

一、控制电路

一般情况下，该系统应采用可编程逻辑控制器(PLC)进行控制，其逻辑结构如图2所示。PLC主要由存储器、键盘、存储器控制器以及电源模块等组成。其中存储器负责读取所要传输的图像，键盘和电源模块负责将图像转换为文字或数字信息并通过键盘存储在硬盘上。其中存储器控制器负责将图像存储在数字存储器中。在彩色图像传递系统中还可以通过使用不同的接口来实现与其他设备之间的通讯以及数据交换。例如在该彩动态控制系统中就采用了两种接口模式: PND接口和 TI接口。其中 PND接口可以接受来自 PC机的任何命令并通过时钟反馈至 LED屏上; TI接口可以接受来自 PC机（一般不包括 PC机）或其他 PC机发送的信息并通过时钟反馈至 LED屏上（如图3所示); TI接口还可以接受来自 PC机或其它 PC机读取回来的信息并经过时钟反馈至 LED屏上（如图4所示）。

1、图像采集电路

图像采集电路主要由数据存储模块、数字解码模块、视频输出端以及图像采集模块等组成。由于图像采集技术是以高速进行传输而无需复杂的存储程序，因此只需要通过比较器来选择是否将图像转换为文字或者数据点。图像输入单元主要包括了16位和32位 ADC及其控制逻辑模块以及 PND。其中8位 ADC使用MFL157DFP1与AVA1之间的采样速率为1 KB/s的同步采样线接口相连，两条同步采样线分别连接到4路采集管脚（每个通道有两个寄存器）上。通过选择采样速率，程序可以选择最优速率和最小采样率。ADC在执行 I/O任务时会根据不同的测量速率改变采集管脚之间的时钟同步，从而使不同的 PND与不同的 ADC之间产生较好的同步能力，从而保证在同一时间内输出不同波形中各个点的亮度与对比度相同或相似，进而确保数据采集的准确性。而本彩动态控制系统采用一种较新型的图像采集方式——基于 FPGA的采样数据转换器(Multi-flow Consortium Gate Code,简称 CDCs)。该采样电路主要是通过模拟电路和数字电路采集图像，然后将图像转换为文字或数字信息进行传递。

2、视频编解码功能

该系统除了视频信号和数字信号处理功能外，还必须提供视频编解码功能。具体来讲，它需要一个由八个音频电路、三个数字音频电路、一个视频编码器和一个解码器组成的硬件电路，该硬件芯片采用 SONY公司的 ARM架构，其中四块存储芯片中由四块核心音频设备组成。当采用视频流时，该数字音频电路通过三个数字音频设备组成: A、 B、 C。其中 A与 B之间的连接构成一个串行通讯方式; C和 D则负责将数据通过 USB存储软件直接读取。这两个芯片分别用于编码和解码时的数据传送。在实现了数字音频编码功能后还需要处理压缩信号。其中图像采集芯片主要负责发送图像信息至计算机的输入端；解码芯片则负责解码视频信号至计算机的输出端。因为当需要从计算机传输视频时都要进行解码，因此该系统应配备一套先进的 DSP模块用以处理压缩信号。

3、显示方式

一般情况下，彩色图像传递系统都会采用液晶显示屏来显示信息。通常情况下，液晶显示屏可以用来显示图像以及数字的颜色。当液晶显示屏被用来显示信息时，则可以将信息转换为文字，这样就可以显示出图像了；当液晶显示屏被用来显示信息时，则可以将图像显示在液晶显示屏中。此外，随着电子产品的普及和发展，目前很多的显示屏都具有多色显示功能。例如显示器上的一种颜色显示功能叫做“Display”(HDR),它可以根据需要提供红色、绿色等色彩模式，使用户在任何环境中都能获得满意的色彩显示效果。另外采用 HDR技术也可以提高图像处理的速度和质量。在该彩动态控制系统中，由于显示器本身具有高速存储和传输数据等功能，所以只需要采用该显示器来设置屏幕的显示方式就可以了。

4、时钟接收电路

该系统采用4位时钟开关作为时钟传输模块。其电路主要由时钟开关和DC-DC变换电路组成。其中时钟开关是一种可进行时间和频率测量的开关。其频率测量原理是：用电流开关来测量频率参数的变化是符合逻辑的，在此基础上可以使用电流的乘积来确定电压及频率是否满足使用需要。同时，不同的信号电流与电压大小还会对时钟电路中的延迟时间产生影响。因此为保证时钟的测量精度需要采用较小的电平。因此，这也是一般采用差分输入方式进行时钟信号测量的原因之一。

通过输入输出设备将图像输出到服务器。服务器提供的图像包括了分辨率和帧率等指标，以供用户选择合适的应用环境来使用，从而保证系统性能。输入输出的内容通常包括 RGB值、滤波器及控制信号等。在输出中，输入设备会接受到信号，然后根据其性质对信号进行处理，生成信号并传送到服务器。当系统中图像大小发生变化时，会重新进行传码通信。对于一些需要移动、校正和识别的图像信息应采用基于计算机图形处理技术进行传输。与传统的图像获取方式相比，计算机图形识别技术具有高分辨率、高动态范围等特点。为了保证计算机图形识别程序可以正常运行，系统中还需要提供一种自动校正功能从而提高系统读取数据效率和读取结果精确度；此外当计算机图形处理技术和自动校正技术相结合时，可实现低成本、快速、有效地检测和校正图像数据的目的。

1、自动校正方法的选择

对于自动校正，当前国内外的主要方法有光栅校正、傅立叶校正以及差分模糊控制技术等。光栅校正的优点是快速并且不会对系统的性能产生影响。同时其缺点是成本较高，在图像质量要求较高的场合难以适用。傅立叶校正和差分模糊控制方法都可以对输入图像进行校正，但是在应用场景上具有局限性。由于两种方法在识别精度方面有一定差别，因此在实际应用上二者也存在一定的差异。傅立叶校正是对输入图像进行二值化处理，利用傅立叶变换来获得所需的位置。相对于光栅校正来说，傅立叶校正更易于应用于场景更大，因此其效率较高，而且价格较低。

2、系统硬件设计

图1为图像传递系统的硬件设计图，通过 MCU控制计算机屏幕上的画面与服务器中的图像进行对比，判断图像是否正常。本系统使用了低功耗的X86芯片，其中主控芯片采用了 Zynq公司研发的AX8212系列处理器，芯片主频为40 MHz。该处理器提供了5通道并行存储器以及16通道高速并行 DSP芯片。AX8212的工作频率为200 MHz,每秒钟有8对数字信号以1000 MHz频率进行传送并保持良好的信号时序。TI公司的S3C12TL模块提供了8通道高速并行 DSP架构，支持2路DDR3内存,32通道高速并行 DSP,1个可编程 A/D控制器,1个可编程内存控制器以及一个可扩展内存控制器(SDRAM)。TI公司提供了 SRAM存储器,2个32 KB B型 RAM存储器及4个2 K NAND型 DRAM存储器及4个可编程外接 I/O存储器控制器。本系统中还通过 LCD显示屏显示实时画面。通过软件处理可以实时识别、记录、传输动态视觉图像，并在图像中对识别结果进行识别与修正，完成对设备自动校正作业，可快速地进行实时检测与校正；也可以将当前图像数据自动转换成当前视频数据；还可以对数据进行存储和管理等[6],实现了人机交互方式下静态图像信息获取与管理过程无纸化和低成本化.该系统具有较好的实用性和可行性。

3、系统的控制

当计算机图形识别系统出现故障时，会导致传输图像中出现不符合设定值的变化。因此需要对系统进行控制，使图像传输过程可以正常运行。在运行过程中，服务器将根据传输给输入设备的数据值的变化情况，来对图像输出进行调整。一般来讲，当计算机图形识别系统无法正常运行时，需要对系统进行修改。根据软件开发人员使用的情况，系统需要满足一定的控制条件。如果在系统中需要修改图像中的参数或更改程序，则需要在数据传输过程中对其进行相应的修改。例如，如果在传输中需要将图像进行调整，则需要在文件中为文件设置特定参数，并将参数设置到文件的指定位置；如果需要对文件进行修改，则需要修改相应文件的描述接口，并将修改所需的时间设置为相应时间范围内；例如，通过对图像数据进行自动校正，在校正时将需要调整该值并用相应的时间范围内调整算法将其校正到指定位置。当用户决定对图像进行更新或是更改输出算法时，则需要对这些修改作出相应改动：将初始化算法写入指定字符串；将指定字符串写入数据中；将需要更改后图像与用户进行相关修改以及输入修改等。

显示屏幕尺寸主要包括4个部分:1.屏幕分辨率:2.显示分辨率:3.显示的窗口大小:4.显示信息的类型:4.显示画面：显示内容的方式一般分为4种：直放式、侧放式和环放式4种.根据不同的应用需要可以把屏幕分为单独的液晶显示器。由于液晶显示器具有比 LED显示屏幕更低的功耗，因此使用较多。液晶显示器还可以通过改变液晶显示屏发光部分亮度来控制液晶显示器的温度参数，在很大程度上提高了其工作性能。目前液晶显示器显示像素已经超过了5000万。这种以液晶面板为显示设备的系统在尺寸上比 LED显示屏幕小很多，但是却能让更多的设备得到广泛使用。同时由于显示器屏幕是在高强度的平板显示器上工作的，所以在抗冲击测试上也比 LED显示屏幕要好很多。采用不同的屏体结构设计来进行不同功能的屏幕也很重要。

1、高对比度：

由于液晶屏幕的动态范围很大，因此在显示画面时要有足够的对比度来保证画面显示的色彩精确度。一般情况下，一个图像中只有非常多的点具有高对比度才能得到较好的画面效果。高对比度有很多方面的好处：首先，高对比度图像具有较好且清晰的清晰度。由于图像像素是多点显示的点，而高对比度图像具有极高的亮度，所以需要有足够高的亮度来实现高对比度图像。高对比度使图像显示效果非常流畅漂亮，所以提高对比度可以使图像的色彩精确度更高。其次，高对比度图像具有较好的色温，这样可以使图像具有更高的色彩饱和度，从而降低色彩失真问题的发生，提高图像的动态范围；同时也可以减少图像因暗部色调而产生的色差，从而避免了对人眼的损伤及因高对比度图像造成的低对比度问题。由于液晶屏幕是在高亮度条件下显示，因此它对亮度有着较高要求，其亮度设置需要采用可调光方式而不是常规光源，同时还要注意亮度调节范围不能太大，以免造成暗部色彩不真实和图像失真问题在实际使用中还需要特别注意这些问题。而当液晶显示器用于显示静态图像时，它要求亮度设置尽量均匀或接近于零点，这就要求显示信息中必须包含高对比度图案，以保证画面色彩更加艳丽绚丽、图像失真问题解决后能达到高清显示效果。

2、高亮度：

显示屏的亮度是由显示内容的多少来决定的，屏幕的亮度越高，显示信息越丰富。如果应用的场合较小，或者需要一定的亮度范围的话，可以采用较高亮度的显示方式。同时显示器为了保证显示屏亮度的一致性，一般采用2-4个发光单元组成的复合结构屏来实现较高亮度。目前在背光屏领域应用最多的是 LCD背光屏。其发光单元可以是单色光源以及双色光源也可以是两种光源并用的组合灯.因此具有较大的发光范围和较高的亮度。而为了达到较高的亮度要求，液晶显示屏则需要使用多色光器件来控制，因此具有较高亮度的显示屏需要有比较高的亮度控制能力。LCD背光屏的最大亮度范围为250 lm/m2时可以显示最多12 GB亮度信号。另外，为了提高显示器亮度，液晶显示屏必须有较高的灵敏度，否则屏幕很难显示较大亮度，尤其是在亮度和清晰度方面；对于不同亮度下显示出来的图片颜色深浅不一致等现象将会影响其质量，并且在屏幕上显示出来的图片也会有明显暗点和高亮点等现象，严重影响画面质量。