从元宇宙的数学运算 减少碳足迹

元宇宙和数学之间有什么关系呢？可以打个比方吗？

近一年前，脸书（Facebook）宣布改名为Meta，并把公司的经营重点放在即将到来的“元宇宙”上。但是在那之后，“元宇宙”的概念仍然很模糊。

在数学语言中，我们将元宇宙定义为一个函数，用两组对象来表示，并用箭头体现对象之间的关系：一组是现实生活中的对象，比如凡尔赛宫；另一组则是现实事物的计算机模型，可以在屏幕上显示和操作，比如数字化的凡尔赛宫。

简而言之，我们可以将元宇宙看成一种数学运算，它将现实世界中的每个元素与数字或虚拟世界中的一个或多个元素关联起来。

以我们现有的计算能力，可以建立一个完整的元宇宙吗？

或许可以做到，但这么做是为了什么？又要付出哪些代价？从广义上讲，有两种技术与元宇宙有关：数据采集技术和虚拟现实技术。数据采集技术是指在计算机视觉中使用摄像头或激光扫描仪来捕捉自然事物的形状和外观。虚拟现实（或数字映射）是指生成数字对象来重构现实世界。这两种技术均涉及大量计算，两者高度依赖的人工智能模型和云服务都需要消耗大量能源。

马萨诸塞大学的研究人员不久前开展了一项研究，发现仅仅是训练一个大型人工智能模型就可能产生284吨二氧化碳，这比一辆小汽车在使用周期内排放的温室气体总量还多出四倍。虚拟现实、线上游戏和高分辨率图像处理所需的云计算同样可能大幅增加碳排放量。

仅仅是训练一个大型人工智能模型就会产生大约284吨二氧化碳。

MIT研究员

由此可见，我们理应要求元宇宙承担环境责任。用三维技术重现凡尔赛宫确实非常有用，世界各地的游客可以进入网站，来一场线上参观，沉浸式欣赏互动壁画，并通过这种全新的方式探索绘画、雕塑和版画艺术。但如果是一座外形毫无美感的市政厅，就没有必要浪费能源对它进行数字映射，因为市民只是为了获取公共服务，无需让他们穿戴上虚拟现实设备“走进”沉闷的混凝土建筑数字模型。

元宇宙会对环境产生哪些影响？

元宇宙是当今最热门的技术和社会经济话题之一。已有多家公司致力于为这个全新的数字世界提供服务。不过，人工智能、虚拟现实（VR）、三维动画、区块链等与元宇宙有关的多项技术，其应用目前都是以人为核心的：由人进行决策，将人置于环境之上。

此外，人工智能及其支持系统造成了环境成本的增加。训练使用人工神经网络处理大型数据集的深度学习模型所需的能源和计算越来越多。由此导致的财政和环境问题也日益严重。

随着元宇宙愈发复杂，我们必须使用更多的数据。于是就出现了一个问题：数据中心的能源消耗量过高。我们目前还不清楚，要储存为元宇宙生成以及由元宇宙生成的数据需要使用多少能源，但这个数字很可能高得惊人。数据中心的建筑和制冷系统也会产生大量的二氧化碳。

简而言之，元宇宙是一个能源密集型领域，人们对于元宇宙及其相关技术的需求越高，能耗也就越多。技术行业和研究人员有责任了解元宇宙对环境的影响，所有技术决策都必须要为地球考虑。

数学能够助力打造更环保的元宇宙吗？

我们可以利用数学方法，通过多种途径降低元宇宙的能量消耗。例如，新加坡南洋理工大学的研究人员使用选择性扫描来创建虚拟环境。摄像头不会传输拍摄到的全部图像，而是首先自动选择相关对象，然后仅将这些对象传送给元宇宙服务提供商。例如，要传输公共交通场景的图像或数据，可以运用创新算法有选择地扫描行人和车辆，从而减少场景中的其他对象所需的计算和能量。

我们在山东大学的团队一直在研究一种源自解析数论的采样方法，用以降低元宇宙技术的能量消耗。我们的研究重点是激光扫描：要为元宇宙创建数字呈现和三维数字模型，激光扫描是最有效的方法

创新的计算方法可以降低元宇宙技术的能量消耗。

创新的计算方法可以降低元宇宙技术的能量消耗

激光扫描仪会将一束红外激光发射到旋转镜上，旋转镜用光束绘制周边环境，处在激光路径上的物体再将光束反射回扫描仪，由此提供可解析为三维数据的几何形状。与此同时，扫描头会旋转，将激光扫过物体表面，创建多个点位。记录、显示和处理这些大型点云，都需要大量计算。

假设我们要生成巴黎协和广场方尖碑的元宇宙。那么为了创建数字映射，激光扫描仪通常需要产生一百万个测量点，才能获得方尖碑的精准参数。使用我们的方法，可以将扫描仪的测量点数量减少 40%，而精度丝毫不逊于使用传统方法生成的数字映射。我们的方法可以大幅减少创建元宇宙所需的能源和时间。计算越快，碳排放就越少。