2025年計算機圖形學專業(yè)考核試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪項不是光柵化渲染流程的關(guān)鍵步驟？A.頂點變換B.光線與場景求交C.三角形遍歷D.片段著色2.基于物理的渲染（PBR）中，描述材質(zhì)對不同波長光線反射率的參數(shù)是？A.粗糙度（Roughness）B.金屬度（Metallic）C.基色（BaseColor）D.法線貼圖（NormalMap）3.在實時渲染中，Mipmap技術(shù)主要用于解決？A.鋸齒問題B.遠近距離紋理模糊問題C.動態(tài)光照計算效率問題D.透明物體混合順序問題4.光線追蹤中，加速結(jié)構(gòu)（AccelerationStructure）的核心作用是？A.優(yōu)化光線與三角形的相交測試效率B.提升陰影貼圖的分辨率C.增強材質(zhì)的細節(jié)表現(xiàn)D.減少頂點著色器的計算量5.以下哪項屬于基于圖像的光照（IBL）技術(shù)？A.使用點光源計算直接光照B.通過環(huán)境貼圖計算間接光照C.利用SSAO（屏幕空間環(huán)境光遮蔽）模擬遮擋D.基于體積霧的全局光照近似6.齊次坐標（HomogeneousCoordinates）在圖形學中的主要優(yōu)勢是？A.簡化平移變換的矩陣表示B.提高浮點運算精度C.增強顏色空間的動態(tài)范圍D.優(yōu)化紋理采樣的抗鋸齒效果7.在骨骼動畫（SkeletalAnimation）中，“蒙皮（Skinning）”的本質(zhì)是？A.將頂點權(quán)重分配給多個骨骼B.計算骨骼的旋轉(zhuǎn)和位移矩陣C.對頂點進行線性混合變換D.生成關(guān)鍵幀之間的插值動畫8.體積渲染（VolumeRendering）中，常用的光照計算方法是？A.光線投射（RayCasting）B.掃描線填充（ScanlineFilling）C.深度緩沖（DepthBuffer）D.模板測試（StencilTest）9.以下哪項技術(shù)屬于離線渲染（OfflineRendering）的典型特征？A.使用GPU并行計算B.支持實時交互調(diào)整參數(shù)C.采用路徑追蹤（PathTracing）算法D.依賴著色器程序（ShaderProgram）10.透明物體的正確渲染順序通常需要？A.從后往前渲染B.從前往后渲染C.按深度排序后混合D.關(guān)閉深度測試直接覆蓋二、填空題（每空2分，共20分）1.渲染管線中，將3D頂點投影到2D屏幕空間的變換稱為________。2.Phong光照模型由環(huán)境光、漫反射光和________三部分組成。3.實時渲染中，用于減少動態(tài)物體鋸齒的技術(shù)是________（如TAA或MSAA）。4.頂點著色器的主要任務(wù)是執(zhí)行________變換和逐頂點光照計算。5.VulkanAPI相比OpenGL的核心改進是________（填“顯式硬件控制”或“自動內(nèi)存管理”）。6.體素（Voxel）是三維空間中體積元素的最小單位，其分辨率通常用________表示。7.光線追蹤中，“俄羅斯輪盤賭（RussianRoulette）”用于________（填“減少遞歸深度”或“增強全局光照”）。8.紋理壓縮技術(shù)（如ASTC）的主要目的是________（填“提升渲染質(zhì)量”或“降低內(nèi)存帶寬消耗”）。9.曲面細分著色器（TessellationShader）的作用是將低模網(wǎng)格________為高模網(wǎng)格。10.在顏色空間中，sRGB是一種________（填“設(shè)備相關(guān)”或“設(shè)備無關(guān)”）的顏色空間。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述光柵化渲染與光線追蹤渲染的核心差異，并各舉一個典型應(yīng)用場景。2.解釋“屏幕空間反射（ScreenSpaceReflection,SSR）”的工作原理及其局限性。3.說明UV展開（UVUnwrapping）在紋理映射中的作用，并列舉兩個常見的UV展開挑戰(zhàn)。4.對比分析“正向渲染（ForwardRendering）”與“延遲渲染（DeferredRendering）”在多光源場景下的性能差異。5.描述骨骼動畫中“雙四元數(shù)蒙皮（DualQuaternionSkinning）”相比“線性混合蒙皮（LinearBlendSkinning）”的優(yōu)勢。四、綜合題（每題10分，共20分）1.假設(shè)需要為一款手機端3D游戲設(shè)計實時渲染方案，要求兼顧畫質(zhì)與性能。請從渲染管線選擇、光照處理、抗鋸齒技術(shù)、紋理優(yōu)化四個方面提出具體策略，并說明理由。2.元宇宙場景中需要支持動態(tài)全局光照（如角色移動導致光線遮擋變化），結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)（如光線追蹤、屏幕空間全局光照、基于圖像的光照等），分析其技術(shù)難點并提出一種可能的解決方案。五、編程題（20分）使用GLSL編寫一個基礎(chǔ)的PBR片段著色器，要求包含以下功能：-基于Cook-TorranceBRDF的鏡面反射計算；-金屬度（metallic）和粗糙度（roughness）參數(shù)控制；-環(huán)境光遮蔽（AO）對間接光照的影響；-輸出最終的RGB顏色值（不考慮HDR和色調(diào)映射）。（注：假設(shè)已提供法線貼圖、金屬度貼圖、粗糙度貼圖、AO貼圖的采樣結(jié)果，以及光線方向、視角方向、環(huán)境輻照度等輸入?yún)?shù)。）答案一、單項選擇題1.B（光線與場景求交是光線追蹤的步驟）2.C（基色表示材質(zhì)對不同波長的反射率）3.B（Mipmap解決遠近距離紋理采樣模糊）4.A（加速結(jié)構(gòu)優(yōu)化相交測試效率）5.B（IBL通過環(huán)境貼圖計算間接光照）6.A（齊次坐標簡化平移矩陣表示）7.C（蒙皮是頂點的線性混合變換）8.A（體積渲染常用光線投射）9.C（路徑追蹤是離線渲染典型算法）10.A（透明物體需從后往前渲染以正確混合）二、填空題1.投影變換2.鏡面反射光3.時間抗鋸齒（TAA）或多重采樣抗鋸齒（MSAA）4.頂點5.顯式硬件控制6.每維度的體素數(shù)量（如256×256×256）7.減少遞歸深度8.降低內(nèi)存帶寬消耗9.細分（或“細化”）10.設(shè)備相關(guān)三、簡答題1.核心差異：光柵化通過投影、三角形遍歷和片段著色生成圖像，效率高但難以模擬真實光照（如軟陰影、全局光照）；光線追蹤通過模擬光線路徑與場景交互，真實感強但計算量大。應(yīng)用場景：光柵化用于實時游戲（如《原神》）；光線追蹤用于電影特效（如《阿凡達2》）。2.工作原理：SSR通過在屏幕空間內(nèi)追蹤反射光線，利用深度緩沖和法線信息計算反射點，采樣屏幕顏色作為反射值。局限性：無法處理屏幕外的反射（如物體后方）、可能產(chǎn)生偽影（如深度不連續(xù)處）、依賴高分辨率深度緩沖。3.作用：UV展開將3D模型表面展開為2D紋理空間，確保紋理正確映射到模型表面。挑戰(zhàn)：UV接縫（Seam）導致紋理斷裂、UV拉伸（Stretch）導致紋理失真、復(fù)雜模型的自動展開算法精度不足。4.性能差異：正向渲染對每個物體逐個處理所有光源，多光源時性能隨光源數(shù)量線性下降；延遲渲染通過G緩沖（存儲位置、法線、材質(zhì)等信息）在光照階段批量處理光源，多光源時性能更穩(wěn)定，但內(nèi)存帶寬消耗大（需存儲多通道緩沖）。5.優(yōu)勢：雙四元數(shù)蒙皮通過四元數(shù)插值避免線性混合蒙皮的“糖果紙效應(yīng)”（即關(guān)節(jié)處頂點過度擠壓或拉伸），更自然地保持網(wǎng)格體積，尤其適用于關(guān)節(jié)彎曲明顯的角色（如人形動畫）。四、綜合題1.策略與理由：-渲染管線：選擇延遲渲染簡化多光源處理，但需限制G緩沖通道（如合并部分信息）以降低內(nèi)存帶寬；或采用前向+光源分組（Forward+）平衡性能。-光照處理：主光源用平行光（方向光）計算直接光照，環(huán)境光用基于圖像的光照（IBL）的低分辨率環(huán)境貼圖，避免實時全局光照（如光線追蹤）的高計算量。-抗鋸齒：優(yōu)先使用時間抗鋸齒（TAA），利用多幀信息降低計算成本，避免MSAA的高采樣率內(nèi)存消耗。-紋理優(yōu)化：采用ASTC紋理壓縮（如4x4塊）降低內(nèi)存占用，Mipmap分級采樣減少遠距離紋理模糊，動態(tài)加載紋理（根據(jù)物體距離切換分辨率）。2.技術(shù)難點：動態(tài)全局光照需實時計算光線與動態(tài)物體的交互（如反射、折射、散射），傳統(tǒng)屏幕空間方法無法處理非屏幕內(nèi)物體，光線追蹤計算量大難以實時，IBL依賴預(yù)計算無法動態(tài)更新。解決方案：混合使用“光線追蹤核心+屏幕空間補充”：對主要動態(tài)物體（如角色）使用稀疏光線追蹤（每幀追蹤少量光線）計算直接反射，對靜態(tài)場景用預(yù)計算的全局光照貼圖；屏幕空間反射（SSR）補充屏幕內(nèi)反射細節(jié)；動態(tài)陰影用級聯(lián)陰影貼圖（CSM）處理。通過異步計算（AsyncCompute）將光線追蹤任務(wù)分配到獨立線程，降低主線程壓力。五、編程題（GLSL代碼示例）```glslversion300esprecisionhighpfloat;//輸入?yún)?shù)invec3v_WorldPos;//世界空間位置invec3v_Normal;//世界空間法線（已從法線貼圖解碼）invec2v_TexCoord;//紋理坐標//貼圖采樣器uniformsampler2Du_MetallicMap;uniformsampler2Du_RoughnessMap;uniformsampler2Du_AOMap;uniformsamplerCubeu_IrradianceMap;//環(huán)境輻照貼圖（間接漫反射）//光照參數(shù)uniformvec3u_LightDir;//主光線方向（單位向量）uniformvec3u_LightColor;//主光顏色uniformvec3u_ViewPos;//觀察點世界空間位置//輸出顏色outvec4fragColor;//計算NDF（正態(tài)分布函數(shù)）：GGXfloatDistributionGGX(vec3N,vec3H,floatroughness){floata=roughnessroughness;floata2=aa;floatNdotH=max(dot(N,H),0.0);floatdenom=NdotHNdotH(a2-1.0)+1.0;returna2/(3.14159265denomdenom);}//計算幾何遮擋函數(shù)：Smith-SchlickGGXfloatGeometrySchlickGGX(floatNdotV,floatroughness){floatr=(roughness+1.0);floatk=(rr)/8.0;returnNdotV/(NdotV(1.0-k)+k);}floatGeometrySmith(vec3N,vec3V,vec3L,floatroughness){floatNdotV=max(dot(N,V),0.0);floatNdotL=max(dot(N,L),0.0);floatggx1=GeometrySchlickGGX(NdotV,roughness);floatggx2=GeometrySchlickGGX(NdotL,roughness);returnggx1ggx2;}//計算菲涅爾效應(yīng)：Schlick近似vec3FresnelSchlick(floatcosTheta,vec3F0){returnF0+(1.0-F0)pow(1.0-cosTheta,5.0);}voidmain(){//采樣材質(zhì)參數(shù)floatmetallic=texture(u_MetallicMap,v_TexCoord).r;floatroughness=texture(u_RoughnessMap,v_TexCoord).r;floatao=texture(u_AOMap,v_TexCoord).r;//基礎(chǔ)向量vec3N=normalize(v_Normal);//法線vec3V=normalize(u_ViewPos-v_WorldPos);//視角方向vec3L=normalize(u_LightDir);//光線方向vec3H=normalize(V+L);//半程向量//計算F0（金屬度影響）vec3F0=mix(vec3(0.04),texture(u_MetallicMap,v_TexCoord).rgb,metallic);vec3F=FresnelSchlick(max(dot(H,V),0.0),F0);//Cook-TorranceBRDFfloatNDF=DistributionGGX(N,H,roughness);floatG=GeometrySmith(N,V,L,roughness);vec3numerator=NDFGF;floatdenominator=4.0max(dot(N,V),0.0)max(dot(N,L),0.0)+0.0001;vec3specular=numerator/denominator;//分離漫反射與鏡面反射（金屬無漫反射）vec3k