2025年大學(xué)《信息與計算科學(xué)》專業(yè)題庫——信息與計算科學(xué)中的虛擬現(xiàn)實仿真考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪一項不屬于虛擬現(xiàn)實（VR）的典型特征？（）A.沉浸感（Immersion）B.交互性（Interactivity）C.臨場感（Presence）D.非現(xiàn)實性（Unreality）2.在計算機圖形學(xué)中，用于描述三維物體形狀的數(shù)學(xué)表示方法，除了多邊形網(wǎng)格（PolygonMesh）之外，還包括（）。A.光線追蹤（RayTracing）B.貝塞爾曲面（BézierSurfaces）C.Z-buffer算法（Z-bufferAlgorithm）D.深度優(yōu)先搜索（Depth-FirstSearch）3.用于實時渲染中減少渲染負(fù)擔(dān)，通過降低模型細(xì)節(jié)來提高幀率的技術(shù)稱為（）。A.紋理映射（TextureMapping）B.軟件著色（SoftwareRendering）C.層次細(xì)節(jié)（LevelofDetail,LOD）D.抗鋸齒（Anti-aliasing）4.在虛擬環(huán)境中，當(dāng)虛擬角色需要與場景中的物體進行物理碰撞時，常用的、能夠快速判斷物體是否相交的技術(shù)是（）。A.光線投射（RayCasting）B.歐拉法（EulerMethod）C.碰撞檢測（CollisionDetection）D.BSP樹（BinarySpacePartitioningTree）5.以下哪種設(shè)備主要用于追蹤用戶頭部的方向和位置，為VR提供沉浸式體驗？（）A.鍵盤（Keyboard）B.數(shù)據(jù)手套（DataGlove）C.頭戴顯示器（HMD）D.鼠標(biāo)（Mouse）6.使計算機生成的圖像能夠像真實世界物體那樣反射周圍環(huán)境光線的技術(shù)，屬于（）。A.紋理映射（TextureMapping）B.著色（Shading）C.環(huán)境映射（EnvironmentMapping）D.光柵化（Rasterization）7.在人機交互領(lǐng)域，自然用戶界面（NaturalUserInterface,NUI）通常指（）。A.基于鍵盤和鼠標(biāo)的界面B.需要專門學(xué)習(xí)復(fù)雜指令的界面C.利用聲音、手勢、眼神等自然行為進行交互的界面D.只有圖形化界面的系統(tǒng)8.仿真（Simulation）的主要目的是（）。A.創(chuàng)建完全虛擬的世界B.必須完全模仿真實系統(tǒng)C.通過模型實驗替代或輔助對真實系統(tǒng)的研究、分析、預(yù)測和決策D.僅用于娛樂和游戲9.在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)物體之間相互碰撞并產(chǎn)生物理響應(yīng)（如彈性、摩擦）的模擬，屬于（）的范疇。A.物理引擎（PhysicsEngine）B.幾何建模（GeometricModeling）C.渲染管線（RenderingPipeline）D.用戶界面設(shè)計（UserInterfaceDesign）10.虛擬現(xiàn)實技術(shù)最初主要應(yīng)用于哪個領(lǐng)域？（）A.教育培訓(xùn)B.電子商務(wù)C.金融投資D.醫(yī)療診斷二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.虛擬現(xiàn)實通常具備三個核心特征：沉浸感、______和臨場感。2.計算機圖形學(xué)中的著色模型，如Phong模型，主要用于模擬物體表面的______效果。3.為了實現(xiàn)高保真度的虛擬環(huán)境，除了圖形渲染，還需要考慮音頻渲染、______和觸覺反饋等多感官融合。4.常用的空間分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如BSP樹和KD樹，在圖形渲染中可用于加速______和視線剔除。5.碰撞檢測算法根據(jù)檢測對象和精度要求，可分為精確碰撞檢測和______碰撞檢測。6.仿真按照系統(tǒng)性質(zhì)可分為______仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真。7.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的交互設(shè)備，如手柄和追蹤器，主要解決的是用戶在虛擬空間中的______問題。8.實時渲染對計算機的性能要求很高，除了CPU，______往往是性能瓶頸的主要來源。9.混合現(xiàn)實（MR）是介于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實之間的一種技術(shù)，它將______嵌入到真實的物理環(huán)境中。10.隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，移動VR設(shè)備（如手機VR）逐漸普及，其關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何在有限的______和功耗下提供良好的用戶體驗。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述計算機圖形學(xué)中光照模型的基本原理及其作用。2.與傳統(tǒng)的二維交互方式相比，虛擬現(xiàn)實交互有哪些顯著特點？3.簡述離散事件仿真中，事件驅(qū)動型仿真時鐘推進過程的基本思想。4.簡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的主要應(yīng)用形式及其優(yōu)勢。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個簡單的虛擬場景中，光源為點光源，位于坐標(biāo)(5,5,5)，其輻射強度為I?。場景中有一個單位半徑的球體，其表面法線始終指向光源方向。忽略環(huán)境光和材質(zhì)反射，請使用簡單的漫反射模型（如Lambert模型，假設(shè)漫反射系數(shù)為k?=0.7）計算該球體表面在光源直射下的亮度（假設(shè)觀察點位于無窮遠）。請寫出計算過程和最終結(jié)果表達式。2.在一個基于視錐體裁剪的簡單渲染流程中，一個三角形物體的三個頂點坐標(biāo)分別為V?(1,1,1),V?(-1,1,-1),V?(1,-1,-1)。視錐體的近裁剪面距離原點為d=5，遠裁剪面距離原點為D=10，視錐體頂點在x軸和y軸方向的半寬度和半高度均為2。請判斷該三角形是否完全在視錐體之外（即被完全剔除），并簡要說明理由。（提示：可以檢查頂點是否都在視錐體同一側(cè)，例如所有頂點到近裁剪面的距離是否都大于d）五、論述題（共20分）結(jié)合你所學(xué)的知識，論述將人工智能（AI）技術(shù)融入虛擬現(xiàn)實（VR）仿真系統(tǒng)可能帶來的機遇和挑戰(zhàn)。請分別從增強交互自然度、豐富虛擬內(nèi)容、提升仿真逼真度和優(yōu)化用戶體驗等方面進行闡述，并分析在實現(xiàn)過程中可能遇到的技術(shù)難點。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.C6.C7.C8.C9.A10.A二、填空題1.交互性2.顏色3.觸覺4.碰撞檢測5.近似6.離散事件7.定位與導(dǎo)航8.顯卡（或GPU）9.虛擬物體10.運算能力（或CPU性能）三、簡答題1.解析思路：光照模型通過模擬光源照射到物體表面后，光線被物體吸收、反射和散射的物理過程來計算像素的顏色。基本原理包括：確定光源屬性（位置、強度、顏色）、物體表面屬性（材質(zhì)顏色、反光率、粗糙度等）、視線方向以及環(huán)境光。常見的模型如Lambert模型計算漫反射，Phong模型加入高光。其作用是賦予虛擬物體逼真的光影效果，使場景更具真實感。2.解析思路：VR交互特點在于其自然性、沉浸感、全身性、實時反饋和三維空間性。自然性體現(xiàn)在使用自然動作（手勢、視線、身體移動）進行交互；沉浸感是用戶完全置身虛擬環(huán)境；全身性要求捕捉和驅(qū)動全身動作；實時反饋指系統(tǒng)對用戶操作立即響應(yīng)；三維空間性允許用戶在空間中自由移動和交互。3.解析思路：事件驅(qū)動型仿真時鐘推進的核心思想是：時鐘按固定時間步長（如Δt）前進，但在每個步長內(nèi)，系統(tǒng)并不全局更新狀態(tài)。而是檢測在當(dāng)前時間步長內(nèi)是否發(fā)生了任何需要改變系統(tǒng)狀態(tài)的事件（如設(shè)備故障、任務(wù)到達）。只有當(dāng)新事件發(fā)生時，時鐘才會跳轉(zhuǎn)到該事件發(fā)生的時間點，并更新系統(tǒng)狀態(tài)。如果沒有事件發(fā)生，則時鐘繼續(xù)前進Δt，或等待下一個事件。這種方式效率較高，特別是對于事件發(fā)生頻率遠低于時鐘步長的系統(tǒng)。4.解析思路：VR在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用形式包括：虛擬實驗室（進行危險或昂貴實驗）、模擬訓(xùn)練（飛行、手術(shù)、應(yīng)急處理）、沉浸式教學(xué)（歷史場景重現(xiàn)、地理環(huán)境探索）、技能培訓(xùn)（操作規(guī)程學(xué)習(xí)、設(shè)備維護）、遠程協(xié)作與指導(dǎo)等。其優(yōu)勢在于安全性（無真實風(fēng)險）、低成本（重復(fù)使用）、高效率（可加速學(xué)習(xí)過程）、客觀評估（記錄操作數(shù)據(jù)）、吸引力和動機（趣味性強）。四、計算題1.解析思路：根據(jù)Lambert漫反射模型，物體表面亮度與光源強度、表面法線與視線方向夾角的余弦值（即cosθ，此處法線與視線同向，cosθ=1）以及漫反射系數(shù)的乘積成正比。點光源強度隨距離平方反比衰減，但此處觀察點在無窮遠，不考慮距離衰減。計算過程：亮度=I?*k?*max(0,cosθ)。由于法線指向光源，cosθ=1。因此，亮度=I?*k?=I?*0.7。最終結(jié)果表達式為：亮度=0.7*I?。2.解析思路：判斷三角形是否在視錐體之外，可以檢查其所有頂點是否都在視錐體的同一“半空間”內(nèi)。視錐體由近裁剪面（x^2+y^2+z^2=d^2）和遠裁剪面（x^2+y^2+z^2=D^2）以及x±2,y±2,z±d定義的六條射線界定。檢查頂點到近裁剪面的距離（根號下x2+y2+z2）是否都大于d。計算頂點到近裁剪面的距離：V?:√(12+12+12)=√3≈1.732>d(5)；V?:√((-1)2+12+(-1)2)=√3≈1.732>d(5)；V?:√(12+(-1)2+(-1)2)=√3≈1.732>d(5)。由于所有頂點到近裁剪面的距離都小于近裁剪面距離d=5，這意味著所有頂點都在近裁剪面定義的“內(nèi)部”區(qū)域。雖然它們可能在遠裁剪面定義的“外部”區(qū)域，但題目問的是“完全在視錐體之外”，即所有頂點都在視錐體定義的“外部”區(qū)域。由于所有頂點都在近裁剪面“內(nèi)部”，因此該三角形不可能完全在視錐體之外。它至少部分位于視錐體內(nèi)（具體來說，位于近裁剪面內(nèi)部，遠裁剪面外部）。因此，該三角形不是完全在視錐體之外（被完全剔除）。五、論述題解析思路：論述AI與VR/仿真融合的機遇與挑戰(zhàn)。機遇：1.增強交互自然度：AI（如自然語言處理、計算機視覺、機器學(xué)習(xí)）可實現(xiàn)更自然的語音、手勢甚至腦機接口交互，讓用戶以更符合直覺的方式與虛擬世界互動。挑戰(zhàn)：實現(xiàn)真正理解用戶意圖的通用交互系統(tǒng)難度大。2.豐富虛擬內(nèi)容：AI可自動生成或演化虛擬環(huán)境、物體、NPC（非玩家角色）的行為，實現(xiàn)動態(tài)、個性化、無限可能的虛擬世界。挑戰(zhàn)：生成高質(zhì)量、有意義的AI內(nèi)容成本高，避免內(nèi)容同質(zhì)化或荒謬