元宇宙賴以依存的人工智能（AI）模型和雲服務都需要消耗大量能源。研究人員劉建亞和郭亮認為，可以利用數學方法來減少元宇宙對環境的影響。
聯合國教科文組織陳曉蓉採訪
元宇宙和數學之間有什麼關係呢？可以打個比方嗎？
將近一年前，臉書（Facebook）宣布改名為Meta，並把公司的經營重點放在即將到來的“元宇宙”上。但是在那之後，“元宇宙”的概念仍然很模糊。
在數學語言中，我們將元宇宙定義為一個函數，用兩組對象來表示，並用箭頭體現對象之間的關係：一組是現實生活中的對象，比如凡爾賽宮；另一組則是現實事物的計算機模型，可以在屏幕上顯示和操作，比如數字化的凡爾賽宮。
簡而言之，我們可以將元宇宙看成一種數學運算，它將現實世界中的每個元素與數字或虛擬世界中的一個或多個元素關聯起來。
以我們現有的計算能力，可以建立一個完整的元宇宙嗎？
或許可以做到，但這麼做是為了什麼？又要付出哪些代價？從廣義上講，有兩種技術與元宇宙有關：數據採集技術和虛擬現實技術。數據採集技術是指在計算機視覺中使用攝像頭或激光掃描儀來捕捉自然事物的形狀和外觀。虛擬現實（或數字映射）是指生成數字對象來重構現實世界。這兩種技術均涉及大量計算，兩者高度依賴的人工智能模型和雲服務都需要消耗大量能源。
馬薩諸塞大學的研究人員不久前開展了一項研究，發現僅僅是訓練一個大型人工智能模型就可能產生284噸二氧化碳，這比一輛小汽車在使用周期內排放的溫室氣體總量還多出四倍。虛擬現實、線上游戲和高分辨率圖像處理所需的雲計算同樣可能大幅增加碳排放量。
僅僅是訓練一個大型人工智能模型，就會產生大約284噸二氧化碳。
由此可見，我們理應要求元宇宙承擔環境責任。用三維技術重現凡爾賽宮確實非常有用，世界各地的遊客可以進入網站，來一場線上參觀，沉浸式欣賞互動壁畫，並通過這種全新的方式探索繪畫、雕塑和版畫藝術。但如果是一座外形毫無美感的市政廳，就沒有必要浪費能源對它進行數字映射，因為市民只是為了獲取公共服務，無需讓他們穿戴上虛擬現實設備“走進”沉悶的混凝土建築數字模型。
元宇宙會對環境產生哪些影響？
元宇宙是當今最熱門的技術和社會經濟話題之一。已有多家公司致力於為這個全新的數字世界提供服務。不過，人工智能、虛擬現實（VR）、三維動畫、區塊鍊等與元宇宙有關的多項技術，其應用目前都是以人為核心的：由人進行決策，將人置於環境之上。
此外，人工智能及其支持系統造成了環境成本的增加。訓練使用人工神經網絡處理大型數據集的深度學習模型所需的能源和計算越來越多。由此導致的財政和環境問題也日益嚴重。
隨著元宇宙愈發複雜，我們必須使用更多的數據。於是就出現了一個問題：數據中心的能源消耗量過高。我們目前還不清楚，要儲存為元宇宙生成以及由元宇宙生成的數據需要使用多少能源，但這個數字很可能高得驚人。數據中心的建築和製冷系統也會產生大量的二氧化碳。
簡而言之，元宇宙是一個能源密集型領域，人們對於元宇宙及其相關技術的需求越高，能耗也就越多。技術行業和研究人員有責任了解元宇宙對環境的影響，所有技術決策都必須要為地球考慮。
數學能夠助力打造更環保的元宇宙嗎？
我們可以利用數學方法，通過多種途徑降低元宇宙的能量消耗。例如，新加坡南洋理工大學的研究人員使用選擇性掃描來創建虛擬環境。攝像頭不會傳輸拍攝到的全部圖像，而是首先自動選擇相關對象，然後僅將這些對像傳送給元宇宙服務提供商。例如，要傳輸公共交通場景的圖像或數據，可以運用創新算法有選擇地掃描行人和車輛，從而減少場景中的其他對象所需的計算和能量。
我們在山東大學的團隊一直在研究一種源自解析數論的採樣方法，用以降低元宇宙技術的能量消耗。我們的研究重點是激光掃描：要為元宇宙創建數字呈現和三維數字模型，激光掃描是最有效的方法 創新的計算方法可以降低元宇宙技術的能量消耗。
創新算法 可降低元宇宙技術的能耗
雷射掃描儀會將一束紅外激光發射到旋轉鏡上，旋轉鏡用光束繪製周邊環境，處在雷射激光路徑上的物體再將光束反射回掃描儀，由此提供可解析為三維數據的幾何形狀。與此同時，掃描頭會旋轉，將激光掃過物體表面，創建多個點位。記錄、顯示和處理這些大型點雲，都需要大量計算。
假設我們要生成巴黎協和廣場方尖碑的元宇宙。那麼為了創建數字映射，雷射掃描儀通常需要產生一百萬個測量點，才能獲得方尖碑的精準參數。使用我們的方法，可以將掃描儀的測量點數量減少40%，而精度絲毫不遜於使用傳統方法生成的數字映射。我們的方法可以大幅減少創建元宇宙所需的能源和時間。計算越快，碳排放就越少。
郭亮
山東大學數據科學教授，英國劍橋大學博士，執教前曾任法國諾歐商學院“巴黎銀行-畢馬威創業-創新”中心副主任。
劉建亞
《數學文化》（Mathematical Culture）雜誌聯合主編，山東大學特聘數學教授，2003年成為中國教育部特聘學者 ，2014年獲國家自然科學獎。
內容來源：The UNESCO Courier 2023年1-3月