2025年大學《信息與計算科學》專業(yè)題庫——信息與計算科學專業(yè)虛擬現(xiàn)實考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述虛擬現(xiàn)實（VR）的三個基本特征，并各舉一個實例說明。2.列舉三種常見的VR頭戴式顯示器（HMD）的顯示技術(shù)原理，并比較其優(yōu)缺點。3.描述空間定位技術(shù)在VR系統(tǒng)中的作用，并簡述慣性測量單元（IMU）在其中的基本功能。二、4.什么是視場角（FOV）？FOV的大小對VR體驗有何影響？5.解釋什么是碰撞檢測，并簡述其在VR交互中的重要性。6.比較基于地磁傳感器和基于視覺的VR空間定位技術(shù)的優(yōu)缺點。三、7.簡述虛擬化身（Avatar）在VR社交環(huán)境中的作用及其關(guān)鍵技術(shù)要素。8.描述空間交互范式（如直接操縱、手勢導航、菜單選擇等）中的一種，并說明其適用場景。9.什么是臨場感（Presence）？列舉至少三種影響VR臨場感的因素。四、10.簡述光柵化渲染管線的基本流程。11.什么是細節(jié)層次（LOD）技術(shù)？在VR實時渲染中采用LOD技術(shù)的目的是什么？12.比較光線追蹤和光柵化兩種主要實時渲染技術(shù)的原理和性能特點。五、13.VR系統(tǒng)中的眩暈（MotionSickness）主要由哪些因素引起？請?zhí)岢鲋辽偃N緩解眩暈的方法。14.簡述虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎（如Unity或UnrealEngine）在VR內(nèi)容創(chuàng)建中的作用。15.描述在VR應(yīng)用中實現(xiàn)用戶自然交互的幾種常用技術(shù)（如語音識別、眼動追蹤、腦機接口等），并簡述其基本原理。六、16.結(jié)合計算機圖形學中的知識，簡述如何在VR環(huán)境中實現(xiàn)逼真的光照效果。17.在VR應(yīng)用中處理大規(guī)模場景時，如何利用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如Octree）提高效率？18.談?wù)勅藱C交互（HCI）原理在VR界面設(shè)計中的重要性，并舉例說明。七、19.闡述信息與計算科學中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法知識在VR內(nèi)容渲染和交互處理中的應(yīng)用。20.解釋什么是可穿戴計算，并列舉其在VR領(lǐng)域外的兩個應(yīng)用實例。21.VR技術(shù)對高性能計算提出了哪些要求？簡述GPU在其中扮演的角色。八、22.設(shè)計一個簡單的VR場景交互功能，例如“虛擬物體拾取”，要求說明其核心交互流程和涉及的關(guān)鍵技術(shù)點。23.預(yù)測未來五年虛擬現(xiàn)實技術(shù)可能的發(fā)展方向，并說明這些發(fā)展方向?qū)π畔⑴c計算科學研究可能帶來的新機遇。24.論述人工智能（AI）技術(shù)（如機器學習、計算機視覺）在增強VR體驗方面的潛在應(yīng)用，并選擇一個具體應(yīng)用場景進行闡述。試卷答案一、1.VR三特征及實例：*沉浸感（Immersion）：使用戶感覺仿佛置身于虛擬環(huán)境中。實例：用戶在VR中體驗太空行走，能感受到周圍是真實的太空景象和星辰。*交互性（Interactivity）：用戶能夠與虛擬環(huán)境中的對象進行實時交互并得到反饋。實例：用戶在VR游戲中用控制器擊打虛擬球，球會根據(jù)物理規(guī)則滾動并可能飛出。*構(gòu)想性/臨場感（Imagination/Presence）：用戶能夠根據(jù)自己的理解和想象在虛擬環(huán)境中進行創(chuàng)造性的思維活動或獲得身臨其境的感受。實例：設(shè)計師在VR中構(gòu)建并實時修改建筑模型，直觀地感受空間布局。2.HMD顯示技術(shù)及優(yōu)缺點：*透射式（Transmissive）：光線從外部環(huán)境穿過顯示面板到達用戶眼睛。優(yōu)點：視場角（FOV）大，真實感強；缺點：亮度受環(huán)境光影響大，可能存在鬼影。*反射式（Reflective）：光線在HMD內(nèi)部顯示面板生成，再反射到用戶眼睛。優(yōu)點：亮度高，不受環(huán)境光影響大；缺點：通常FOV較小，成本較高。*混合式（Hybrid）：結(jié)合透射和反射技術(shù)。優(yōu)點：試圖結(jié)合兩者優(yōu)點；缺點：結(jié)構(gòu)復雜，成本高。3.空間定位作用及IMU功能：*作用：空間定位技術(shù)用于確定用戶（或VR設(shè)備）在虛擬三維空間中的精確位置和姿態(tài)（方向），是實現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中自然移動和交互的基礎(chǔ)。*IMU功能：慣性測量單元主要由加速度計和陀螺儀組成。用于測量設(shè)備相對于其初始姿態(tài)的變化角度（角速度），能夠快速響應(yīng)用戶頭部的轉(zhuǎn)動，提供實時的姿態(tài)信息，常用于輔助或融合其他定位方式以提高跟蹤的穩(wěn)定性和精度。二、4.視場角（FOV）定義及影響：*定義：視場角是指人眼通過HMD看到的虛擬世界的水平與垂直視角范圍，通常以度數(shù)表示。*影響：FOV越大，用戶感知到的虛擬環(huán)境越廣闊，沉浸感越強；FOV過小，則感覺視野受限，像透過窗戶看世界，沉浸感會下降。5.碰撞檢測定義及重要性：*定義：碰撞檢測是指系統(tǒng)實時檢測虛擬環(huán)境中兩個或多個物體（包括虛擬手、虛擬身體和虛擬物體）是否發(fā)生物理接觸或穿透的過程。*重要性：保證物理交互的真實性，防止物體穿墻或相互穿透；實現(xiàn)安全交互，避免用戶在虛擬環(huán)境中因碰撞而受傷；支持豐富的交互行為，如拾取物體、推開障礙物、與環(huán)境互動等。6.地磁與視覺定位優(yōu)缺點：*地磁定位：*優(yōu)點：不受光線條件限制（可在黑暗環(huán)境使用），成本相對較低，可提供絕對方向信息。*缺點：易受強電磁干擾影響（如手機、大型設(shè)備），精度可能不高，通常無法提供精確的絕對位置，只能提供朝向。*視覺定位：*優(yōu)點：精度較高，可在室外或受電磁干擾的環(huán)境使用，通常能提供位置和姿態(tài)信息。*缺點：易受光照條件影響（如黑暗、強光、反光表面），可能存在計算量大、功耗高的問題，在室內(nèi)通常需要預(yù)先布置標記點或依賴特定傳感器（如攝像頭）。三、7.虛擬化身作用及要素：*作用：虛擬化身是用戶在虛擬環(huán)境中的數(shù)字化替身，用于表示用戶身份、進行交互、表達情感，是用戶融入虛擬社交環(huán)境的關(guān)鍵媒介。*要素：通常包括外觀建模（幾何形狀、紋理）、行為動畫（運動、表情）、物理屬性（碰撞、物理響應(yīng)）以及可能的個性化設(shè)置接口。8.空間交互范式舉例及適用場景：*直接操縱（DirectManipulation）：用戶直接用手或控制器與虛擬對象進行交互，感覺像在操作真實的物體。例如，用控制器拖拽虛擬方塊改變其位置。適用場景：需要精確控制對象形狀、位置的場景，如建模、編輯、裝配。*手勢導航（GestureNavigation）：用戶通過做出特定手勢來控制視點或?qū)Ш剑ㄈ鐡]手環(huán)顧四周、向前揮動手臂前進）。適用場景：需要大范圍移動或改變觀察視角的場景，追求自然交互體驗。9.臨場感定義及影響因素：*定義：臨場感是指用戶在使用VR時，感覺自己真實地存在于虛擬環(huán)境中的主觀感受。*影響因素：主要包括視覺質(zhì)量（分辨率、FOV、刷新率）、聽覺效果（空間音頻）、交互反饋（力反饋、觸覺）、環(huán)境逼真度、運動保真度（眩暈控制）、社交因素（與他人互動）等。四、10.光柵化渲染管線流程：*流程大致為：應(yīng)用場景圖（包含幾何體、材質(zhì)、光源等信息）->圖元生成（將模型頂點轉(zhuǎn)換為屏幕空間的像素）->光柵化（將圖元轉(zhuǎn)換為片段/像素）->片段處理（執(zhí)行光照計算、紋理映射、陰影等）->深度測試與模板測試（剔除不可見像素）->輸出合并（將最終片段顏色寫入幀緩沖區(qū)）。11.細節(jié)層次（LOD）技術(shù)定義及目的：*定義：細節(jié)層次（LevelofDetail）技術(shù)是指根據(jù)物體距離相機的遠近，動態(tài)地使用不同細節(jié)程度的模型（幾何復雜度、紋理分辨率等）進行渲染的技術(shù)。*目的：在保證視覺效果的前提下，通過減少遠處物體的渲染負擔來提高渲染性能，減少繪制調(diào)用（DrawCall），提升幀率，避免因遠處物體過于簡陋而影響沉浸感。12.光柵化與光線追蹤技術(shù)比較：*光柵化：*原理：基于像素，從物體出發(fā)，計算光線與屏幕上每個像素對應(yīng)的物體表面點的關(guān)系，并確定該像素的顏色。主要計算屏幕上可見部分的像素顏色。*性能：計算效率高，易于并行化，是目前實時圖形渲染的主流技術(shù)。*效果：能快速渲染大量物體，但難以精確模擬全局光照（如光照遮蔽、反彈多次）和復雜材質(zhì)效果（如透明、折射）。*光線追蹤：*原理：基于光線，從攝像機出發(fā)發(fā)射光線，追蹤光線與場景中物體的交點，并根據(jù)物理規(guī)律（反射、折射、散射）計算光線的顏色。*性能：計算量巨大，實時渲染面臨挑戰(zhàn)（需依賴GPU加速和優(yōu)化算法），通常用于離線渲染（如電影特效）。*效果：能精確模擬復雜的光照效果和材質(zhì)，渲染圖像質(zhì)量高，逼真度高。五、13.眩暈原因及緩解方法：*原因：主要由視覺感知到的運動（如頭部轉(zhuǎn)動）與內(nèi)耳前庭系統(tǒng)感知到的實際運動（通常是靜止）之間的不匹配（即運動模擬與現(xiàn)實感知脫節(jié)）引起。*緩解方法：*降低運動速度和幅度：減緩相機（視點）的移動和旋轉(zhuǎn)速度。*增加視覺穩(wěn)定元素：在視點移動時加入虛擬“安全繩”或錨定物，固定部分場景。*優(yōu)化運動補償：使用更精確的傳感器融合算法（如LTSV），更準確地預(yù)測和補償用戶真實頭部的運動。*視覺-動覺一致性：確保視覺渲染的運動與用戶實際感受到的運動高度同步。*用戶適應(yīng)：給用戶逐步適應(yīng)的時間和空間。14.VR開發(fā)引擎作用：*VR開發(fā)引擎提供了一個集成化的開發(fā)環(huán)境，包含了用于創(chuàng)建、構(gòu)建和部署VR內(nèi)容的工具集。這包括：圖形渲染引擎、物理模擬系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、輸入處理系統(tǒng)、場景編輯器、腳本/編程接口（如C#forUnity,Blueprints/C++forUnreal）、平臺抽象層（支持不同HMD）等。它極大地簡化了復雜的VR內(nèi)容開發(fā)流程，降低了開發(fā)門檻，提高了開發(fā)效率。15.VR自然交互技術(shù)原理：*語音識別：通過麥克風捕捉用戶語音，使用語音識別引擎將其轉(zhuǎn)換為文本或命令，實現(xiàn)語音控制。原理基于模式識別和自然語言處理。*眼動追蹤：使用攝像頭或紅外傳感器追蹤用戶眼球的運動（注視點、瞳孔大小等），可用于焦點渲染（提高渲染效率）、交互選擇（注視物體觸發(fā)動作）、情感分析等。原理基于圖像處理和追蹤算法。*腦機接口（BCI）：通過采集大腦產(chǎn)生的電信號（如EEG），使用機器學習算法識別特定的思維模式或意圖，將其轉(zhuǎn)換為控制指令。原理基于神經(jīng)科學和信號處理。六、16.VR中實現(xiàn)逼真光照：*在VR中實現(xiàn)逼真光照涉及多個技術(shù)：使用光柵化時，采用PBR（基于物理的渲染）模型模擬光線與材質(zhì)的相互作用；利用陰影技術(shù)（如陰影貼圖ShadowMap,實時光線追蹤ShadowRay）渲染陰影；實現(xiàn)全局光照效果（如環(huán)境光遮蔽AO、光照反彈RayTracing/PathTracing、光照貼圖BakedLighting）以增強真實感；使用HDR（高動態(tài)范圍）渲染以表現(xiàn)更寬廣的光照強度范圍；利用屏幕空間環(huán)境光遮蔽（SSAO）等后處理效果增強近處物體的光照真實感。17.空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在VR中的應(yīng)用：*在處理大規(guī)模VR場景時，為提高效率，常使用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理場景中的物體。Octree是一種常用的三維空間劃分樹形結(jié)構(gòu)，將三維空間遞歸地分割成八個子空間。通過將物體分配到對應(yīng)的子空間中，可以實現(xiàn)：快速判斷物體間是否可能發(fā)生碰撞（僅檢查鄰近區(qū)域）；快速剔除視野外物體（剔除不包含在視錐體內(nèi)的節(jié)點）；快速查找鄰近物體（用于觸發(fā)事件、社交互動）；優(yōu)化物理模擬（如碰撞檢測范圍限定）；實現(xiàn)細節(jié)層次（LOD）管理（不同層級的細節(jié)存儲在不同深度的節(jié)點）。這些都能顯著提高大規(guī)模VR場景的渲染和交互性能。18.HCI原理在VR界面設(shè)計中的重要性及舉例：*重要性：VR界面設(shè)計必須遵循HCI（人機交互）原理，以創(chuàng)造直觀、高效、舒適的用戶體驗。否則，復雜的交互方式、不合理的布局、缺乏反饋都可能導致用戶迷失方向、操作困難甚至眩暈。HCI原理指導設(shè)計易于學習、記憶和使用的界面，減少用戶認知負荷，確保交互的容錯性。*舉例：*一致性：VR應(yīng)用內(nèi)的交互方式（如拾取、菜單選擇）應(yīng)保持一致，避免用戶混淆。*反饋：用戶執(zhí)行操作（如點擊按鈕、抓取物體）后，應(yīng)提供及時、清晰的視覺和聽覺反饋。*易用性：界面元素大小、位置應(yīng)便于用戶在VR中自然地注視和操作，避免需要過多精細操作。*容錯性：設(shè)計應(yīng)能預(yù)防用戶錯誤操作，并提供撤銷或輕松修正錯誤的方式。*隱喻：可以借鑒現(xiàn)實世界的物體或操作方式作為交互隱喻，降低學習成本（如將按鈕設(shè)計成可觸摸的實體按鈕）。七、19.信息與計算科學知識在VR中的應(yīng)用：*計算機圖形學：是VR視覺呈現(xiàn)的核心，涉及三維建模、紋理映射、著色、光照、渲染管線、圖形優(yōu)化（LOD、視錐剔除）等技術(shù)。*數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法：用于高效組織和管理VR場景中的大量數(shù)據(jù)（物體、頂點、三角形），如使用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Octree,BVH）進行空間查詢和剔除，使用高效算法進行碰撞檢測、物理模擬、路徑規(guī)劃等。*計算幾何：處理三維空間中的點、線、面關(guān)系，在場景構(gòu)建、物體姿態(tài)計算、空間分割等方面有應(yīng)用。*操作系統(tǒng)：管理VR系統(tǒng)中的硬件資源（CPU,GPU,內(nèi)存,輸入設(shè)備），處理多任務(wù)并發(fā)，保證系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。*計算機網(wǎng)絡(luò)：支持多用戶在線VR應(yīng)用、云VR、遠程協(xié)作等場景，涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)同步、延遲控制等技術(shù)。*人工智能：用于創(chuàng)建智能NPC、實現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)、個性化內(nèi)容推薦、手勢識別、甚至腦機接口等。20.可穿戴計算定義及VR領(lǐng)域外應(yīng)用：*定義：可穿戴計算是指將計算設(shè)備（如傳感器、處理器、顯示屏、電池等）集成到衣物或accessories（如手表、眼鏡、手套、頭帶）中，讓用戶能夠隨時隨地攜帶并使用計算能力的技術(shù)。*VR領(lǐng)域外應(yīng)用：*智能手表/手環(huán)：顯示時間、通知、健康監(jiān)測（心率、步數(shù)）。*智能眼鏡（非VR）：實時顯示導航信息、信息提示、增強現(xiàn)實（AR）疊加等。*智能頭盔（工業(yè)/建筑）：顯示工作指令、安全警告、AR輔助視線。*外骨骼：增強體力，輔助行動或進行精細操作。21.VR對高性能計算的要求及GPU角色：*要求：VR對高性能計算提出了多方面要求：實時渲染（需要在極短的時間內(nèi)完成渲染，通常要求達到90Hz以上刷新率，對應(yīng)每幀約10ms的渲染時間）；復雜場景渲染（需要處理大量幾何體、高分辨率紋理、復雜光照和陰影）；物理模擬（實時運行物理引擎，模擬剛體動力學、流體、布料等）；高級效果（如動態(tài)光照、全局光照、粒子系統(tǒng)）；空間追蹤（處理傳感器數(shù)據(jù)，精確計算用戶位置和姿態(tài)）；AI計算（運行NPC行為邏輯、環(huán)境交互等）。這些都對CPU和GPU的計算能力提出了極高要求。*GPU角色：圖形處理器（GPU）是滿足VR實時渲染需求的核心。由于其強大的并行處理能力，GPU特別擅長執(zhí)行圖形渲染管線中的大量計算密集型任務(wù)，如頂點處理、光柵化、像素著色、紋理采樣、陰影計算等。現(xiàn)代高性能VR系統(tǒng)通常依賴高端GPU來保證流暢、高畫質(zhì)的視覺體驗，是VR性能瓶頸的主要所在。八、22.VR場景交互功能設(shè)計（虛擬物體拾?。?核心交互流程：1.檢測交互觸發(fā)：檢測用戶控制器接近或接觸虛擬物體?？赏ㄟ^距離傳感器或視覺檢測（如控制器上的標記被物體遮擋）實現(xiàn)。2.建立連接/吸附：當觸發(fā)條件滿足時，將用戶控制器虛擬地“吸附”到物體表面，控制器位置固定在物體表面法線上一定距離處。3.進入拾取狀態(tài)：用戶控制器進入“拾取”模式，此時物體可能變?yōu)榘胪该骰蚋吡溜@示，表示已被選中。4.拖拽/移動：用戶移動控制器，物體跟隨控制器表面移動。實時更新物體在虛擬空間中的位置和姿態(tài)。5.碰撞檢測：在物體移動過程中，進行碰撞檢測，確保物體不會穿透其他物體或超出物理邊界。6.釋放/放下：用戶執(zhí)行放下動作（如張開手指、將控制器移開），控制器脫離物體。7.結(jié)束拾取：物體回到正常狀態(tài)，停止跟隨控制器移動，根據(jù)物理引擎規(guī)則可能開始下落或與其他物體交互。*關(guān)鍵技術(shù)點：*交互檢測算法：確定用戶輸入與物體的交互關(guān)系。*控制器空間變換：精確計算控制器在物體表面吸附時的位置和姿態(tài)。*物理引擎集成：用于處理物體移動過程中的物理行為（慣性、重力）和碰撞響應(yīng)。*視圖反饋：物體拾取狀態(tài)（吸附、高亮）的視覺反饋。*用戶輸入映射：將用戶的自然手勢（如抓握）映射到拾取操作上。23.未來五年VR技術(shù)發(fā)展方向及對信息與計算科學研究機遇：*發(fā)展方向：*更高保真度：更高分辨率、更寬FOV、更高刷新率、更低延遲的顯示和追蹤技術(shù)，追求極致沉浸感。*更自然交互：AI驅(qū)動的更智能的手勢識別、眼動追蹤、甚至腦機接口（BCI），實現(xiàn)更符合直覺的交互。*更輕便舒適：續(xù)航能力提升、設(shè)備重量和體積進一步縮小、散熱優(yōu)化、視覺眩暈緩解技術(shù)。*云VR/元宇宙：基于云計算的VR內(nèi)容分發(fā)和大規(guī)模虛擬世界構(gòu)建，實現(xiàn)跨設(shè)備、跨地域的沉浸式體驗。*與其他技術(shù)融合：與AR（增強現(xiàn)實）、AI、物聯(lián)網(wǎng)、生物傳感等技術(shù)的深度融合，拓展應(yīng)用場景。*對信息與計算科學研究機遇：*圖形學與計算視覺