2025年大學(xué)《信息與計(jì)算科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——信息與計(jì)算科學(xué)專(zhuān)業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪一項(xiàng)不屬于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要素？A.環(huán)境感知與理解B.虛實(shí)融合渲染C.空間定位與跟蹤D.虛擬世界構(gòu)建2.在基于立體視覺(jué)的深度估計(jì)方法中，通常需要至少知道哪些信息才能計(jì)算點(diǎn)的深度？A.單個(gè)圖像B.雙目相機(jī)參數(shù)C.兩幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置D.以上所有3.以下哪種傳感器常用于獲取環(huán)境深度信息，可以直接測(cè)量物體到傳感器的距離？A.普通攝像頭B.慣性測(cè)量單元（IMU）C.激光雷達(dá)（LiDAR）D.紅外傳感器4.SLAM技術(shù)的核心目標(biāo)是什么？A.在虛擬環(huán)境中生成三維模型B.在未知環(huán)境中同時(shí)進(jìn)行自身定位和地圖構(gòu)建C.實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的精確融合D.識(shí)別和跟蹤場(chǎng)景中的特定物體5.當(dāng)虛擬物體在AR場(chǎng)景中看起來(lái)過(guò)于突?；虿徽鎸?shí)時(shí)，主要可能是什么原因造成的？A.跟蹤精度低B.光照模型不匹配C.交互方式笨拙D.傳感器標(biāo)定錯(cuò)誤二、填空題6.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）通常被定義為在______的環(huán)境中，將______的虛擬信息疊加到用戶(hù)的視野中。7.結(jié)構(gòu)光AR技術(shù)通過(guò)投射______圖案到物體表面，并分析其變形來(lái)計(jì)算深度信息。8.在多視圖幾何中，通過(guò)匹配不同視角拍攝的圖像上的______，可以重建場(chǎng)景的三維結(jié)構(gòu)。9.光照融合是AR渲染中的關(guān)鍵技術(shù)，目的是使虛擬物體的______與真實(shí)環(huán)境的______相協(xié)調(diào)。10.常用的SLAM算法中，擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）適用于處理具有______約束的線(xiàn)性化系統(tǒng)，而粒子濾波（PF）則更適合處理非線(xiàn)性和非高斯場(chǎng)景。三、簡(jiǎn)答題11.簡(jiǎn)述視覺(jué)里程計(jì)（VisualOdometry,VO）在SLAM中的作用及其基本原理。12.簡(jiǎn)要說(shuō)明語(yǔ)義分割在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境理解中的主要任務(wù)和意義。13.描述AR系統(tǒng)中，空間透視投影的基本原理，以及它如何解決虛擬物體在真實(shí)環(huán)境中正確放置的問(wèn)題。四、計(jì)算題14.假設(shè)使用雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行深度估計(jì)，已知左右相機(jī)內(nèi)參矩陣分別為K_l和K_r，基礎(chǔ)矩陣F已知，在左視圖圖像中某點(diǎn)p_l的坐標(biāo)為(x_l,y_l,1)^T，通過(guò)匹配找到其在右視圖中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)p_r=(x_r,y_r,1)^T。請(qǐng)寫(xiě)出根據(jù)這些信息計(jì)算點(diǎn)p_l在世界坐標(biāo)系下的深度Z的基本公式（無(wú)需求解具體數(shù)值）。五、論述題15.試論述慣性測(cè)量單元（IMU）在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的作用，并分析其在單獨(dú)使用或與視覺(jué)信息融合時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。16.結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景，論述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)相比虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。六、設(shè)計(jì)題17.設(shè)計(jì)一個(gè)基于智能手機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用概念，該應(yīng)用利用AR技術(shù)為特定環(huán)境（例如博物館展廳、歷史遺跡現(xiàn)場(chǎng)）提供額外的信息或交互體驗(yàn)。請(qǐng)簡(jiǎn)述應(yīng)用的主要功能、涉及的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)以及預(yù)期的用戶(hù)體驗(yàn)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.B二、填空題6.真實(shí)；數(shù)字7.結(jié)構(gòu)光8.特征點(diǎn)9.顏色；光照10.伽利略三、簡(jiǎn)答題11.答：視覺(jué)里程計(jì)（VO）是SLAM中的關(guān)鍵模塊之一，其作用是估計(jì)相機(jī)在連續(xù)圖像序列中的運(yùn)動(dòng)軌跡（位姿變化）?；驹硎峭ㄟ^(guò)分析相鄰圖像之間的視覺(jué)差異（如特征點(diǎn)匹配的位移、光流場(chǎng)等），計(jì)算出相機(jī)在該時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)的距離和方向。VO提供的時(shí)間連續(xù)的相機(jī)運(yùn)動(dòng)信息是構(gòu)建SLAM地圖的基礎(chǔ)輸入之一。12.答：語(yǔ)義分割在AR環(huán)境理解中的主要任務(wù)是識(shí)別真實(shí)場(chǎng)景圖像中的每個(gè)像素或局部區(qū)域所屬的類(lèi)別（如地面、墻壁、桌子、椅子、人、車(chē)等）。其意義在于，它為AR系統(tǒng)提供了場(chǎng)景的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)信息，使得虛擬物體可以放置在具有相同語(yǔ)義類(lèi)別或物理屬性的表面上，從而實(shí)現(xiàn)更合理、更真實(shí)的虛實(shí)融合效果，并支持更高級(jí)的交互和場(chǎng)景理解功能。13.答：空間透視投影的基本原理是模擬人眼或相機(jī)將三維世界中的物體投影到二維成像平面上的過(guò)程，并遵循透視幾何規(guī)則。在AR中，虛擬物體需要根據(jù)其在真實(shí)場(chǎng)景中的位姿（位置和方向）以及相機(jī)視角，按照透視投影變換（通常結(jié)合視圖變換和投影變換）計(jì)算出其在虛擬圖像平面上的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。這樣，虛擬物體就能根據(jù)其與真實(shí)環(huán)境的相對(duì)位置關(guān)系，以正確的尺寸和位置被“渲染”到真實(shí)場(chǎng)景的視圖中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場(chǎng)景的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。四、計(jì)算題14.答：根據(jù)雙目視覺(jué)原理，點(diǎn)p_l在世界坐標(biāo)系下的深度Z可以通過(guò)其視差D（左右圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水平距離）和基礎(chǔ)矩陣F來(lái)計(jì)算?；A(chǔ)矩陣F與相機(jī)內(nèi)參矩陣K_l（或K_r）和相機(jī)的基線(xiàn)B（兩相機(jī)光心之間的距離）有關(guān)，關(guān)系為F=K_l^T*R*T*K_r，其中R和T是世界坐標(biāo)系下右相機(jī)相對(duì)于左相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移向量。視差D可以通過(guò)像素坐標(biāo)差計(jì)算：D=(x_l-x_r)*f，其中f是相機(jī)的焦距。深度Z可以通過(guò)視差和基線(xiàn)計(jì)算：Z=(B*f)/D。更精確地，通常利用基礎(chǔ)矩陣的元素進(jìn)行計(jì)算，例如Z=|2*f*B/(u_l*x_r-u_r*x_l)|，其中u_l和u_r分別是p_l和p_r在圖像平面上的歸一化橫坐標(biāo)。五、論述題15.答：IMU在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的作用是測(cè)量設(shè)備的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度和線(xiàn)性加速度，通過(guò)積分這些數(shù)據(jù)可以估計(jì)出設(shè)備的姿態(tài)（歐拉角或四元數(shù)）和位置變化。其優(yōu)點(diǎn)在于：①響應(yīng)速度快，能提供高頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)；②不受光照條件影響，可在黑暗或缺乏特征的環(huán)境中使用；③單獨(dú)使用時(shí)可以提供連續(xù)的姿態(tài)信息。缺點(diǎn)在于：①存在漂移誤差，隨時(shí)間累積導(dǎo)致定位和姿態(tài)估計(jì)精度下降；②無(wú)法直接提供絕對(duì)位置（除非配合GPS等），只能提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)。IMU與視覺(jué)信息融合（如VIO-Visual-InertialOdometry）可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)：利用視覺(jué)信息抑制IMU的長(zhǎng)期漂移，提高定位精度和穩(wěn)定性；利用IMU彌補(bǔ)視覺(jué)信息在特征缺失、快速運(yùn)動(dòng)或語(yǔ)義模糊場(chǎng)景下的不連續(xù)性，保證系統(tǒng)的魯棒性和軌跡的平滑性。16.答：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）將數(shù)字信息疊加在真實(shí)世界視圖中，其優(yōu)勢(shì)在于：①虛實(shí)結(jié)合：充分利用了現(xiàn)實(shí)環(huán)境，用戶(hù)體驗(yàn)更自然，不易產(chǎn)生暈動(dòng)癥；②信息增強(qiáng)：可以為現(xiàn)實(shí)世界提供額外的信息、注釋或交互元素，提升認(rèn)知效率或操作便利性；③情境感知：系統(tǒng)可以根據(jù)真實(shí)環(huán)境context提供更智能、更相關(guān)的服務(wù)。局限性在于：①環(huán)境依賴(lài)性：需要一定的環(huán)境特征（光線(xiàn)、紋理、可見(jiàn)性）才能工作；②技術(shù)挑戰(zhàn)：在精確跟蹤、環(huán)境理解、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行等方面仍面臨挑戰(zhàn)；③用戶(hù)體驗(yàn)：設(shè)備可能影響美觀，長(zhǎng)時(shí)間使用可能引起疲勞。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）則完全沉浸在一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中，其優(yōu)勢(shì)在于：①完全沉浸感：提供強(qiáng)烈的身臨其境體驗(yàn)；②環(huán)境隔離：可以為用戶(hù)提供封閉、安全的體驗(yàn)空間。局限性在于：①脫離現(xiàn)實(shí)：長(zhǎng)時(shí)間使用可能導(dǎo)致與現(xiàn)實(shí)世界的脫節(jié)，易產(chǎn)生暈動(dòng)癥；②成本較高：高質(zhì)量VR設(shè)備通常價(jià)格昂貴；③環(huán)境要求：需要專(zhuān)門(mén)的、封閉的空間使用。因此，AR更適合需要與現(xiàn)實(shí)世界交互或獲取情境化信息的場(chǎng)景，而VR更適用于追求完全沉浸式體驗(yàn)或需要隔離現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景。六、設(shè)計(jì)題17.答：應(yīng)用概念：“智能文物導(dǎo)覽”AR應(yīng)用。功能：該應(yīng)用利用智能手機(jī)的攝像頭，在參觀博物館特定展廳（如古代青銅器展廳）時(shí)，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)攝像頭“看到”某個(gè)展出的青銅器時(shí)，手機(jī)屏幕上會(huì)實(shí)時(shí)疊加顯示該文物的詳細(xì)信息、相關(guān)歷史故事、制作工藝的動(dòng)畫(huà)演示、甚至可以聽(tīng)到復(fù)原的青銅碰撞聲音等。關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：①圖像識(shí)別/跟蹤：利用深度學(xué)習(xí)模型識(shí)別并精確定位用戶(hù)視野中的特定青銅器。②SLAM基礎(chǔ)定位：結(jié)合SLAM技術(shù)，大致確定用戶(hù)在展廳內(nèi)的位置，以便根據(jù)位置推送相關(guān)信息或規(guī)劃參觀路線(xiàn)。③3D模型渲染：在識(shí)別到文物后，實(shí)時(shí)渲染出逼真的虛擬3