2025年大學(xué)《信息與計(jì)算科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的光線追蹤技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.光線追蹤技術(shù)中，用于確定光線與物體交點(diǎn)的算法是？A.迭代法B.拋物線法C.求交算法D.遞歸法2.在光線追蹤中，光線與物體相交后，計(jì)算光照強(qiáng)度的過(guò)程稱為？A.光線投射B.光線反射C.光線遞歸D.光照計(jì)算3.光線追蹤中，用于模擬物體表面反射特性的材質(zhì)屬性是？A.顏色B.粗糙度C.透明度D.光澤度4.光線追蹤中，用于模擬透明物體光線穿透效果的技術(shù)是？A.光線反射B.光線折射C.光線吸收D.光線散射5.光線追蹤中，用于減少計(jì)算量的技術(shù)是？A.抗鋸齒B.遞歸追蹤C(jī).蒙卡D.早期終止6.光線追蹤中，用于模擬物體表面漫反射特性的材質(zhì)屬性是？A.顏色B.粗糙度C.透明度D.光澤度7.光線追蹤中，用于確定光線與相機(jī)交點(diǎn)的算法是？A.迭代法B.拋物線法C.求交算法D.遞歸法8.光線追蹤中，用于模擬物體表面鏡面反射特性的材質(zhì)屬性是？A.顏色B.粗糙度C.透明度D.光澤度9.光線追蹤中，用于模擬物體表面粗糙度的材質(zhì)屬性是？A.顏色B.粗糙度C.透明度D.光澤度10.光線追蹤中，用于模擬物體表面透明特性的材質(zhì)屬性是？A.顏色B.粗糙度C.透明度D.光澤度二、填空題（每題2分，共10分）1.光線追蹤技術(shù)是一種基于______的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法。2.光線追蹤中，用于確定光線與物體交點(diǎn)的算法稱為_(kāi)_____。3.光線追蹤中，用于模擬物體表面鏡面反射特性的材質(zhì)屬性是______。4.光線追蹤中，用于模擬物體表面漫反射特性的材質(zhì)屬性是______。5.光線追蹤中，用于模擬透明物體光線穿透效果的技術(shù)是______。三、判斷題（每題2分，共10分）1.光線追蹤技術(shù)可以真實(shí)地模擬光照效果。（）2.光線追蹤中，光線與物體相交后，只會(huì)發(fā)生反射。（）3.光線追蹤中，用于模擬物體表面粗糙度的材質(zhì)屬性是粗糙度。（）4.光線追蹤中，用于模擬透明物體光線穿透效果的技術(shù)是折射。（）5.光線追蹤技術(shù)可以真實(shí)地模擬物體表面的紋理效果。（）四、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）1.簡(jiǎn)述光線追蹤技術(shù)的基本原理。2.簡(jiǎn)述光線追蹤中，光線與物體相交的計(jì)算過(guò)程。3.簡(jiǎn)述光線追蹤中，光照計(jì)算的原理。五、綜合應(yīng)用題（每題25分，共50分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的光線追蹤算法，包括光線投射、光線反射和光線折射的計(jì)算過(guò)程。2.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，包括一個(gè)球體、一個(gè)平面和一個(gè)光源，并計(jì)算球體上的光照強(qiáng)度。試卷答案一、選擇題1.C解析：光線追蹤中，確定光線與物體交點(diǎn)的核心算法是求交算法，用于計(jì)算光線參數(shù)t，使得光線方程與物體表面方程相交。2.D解析：計(jì)算光照強(qiáng)度是光線追蹤的關(guān)鍵步驟，它決定了最終像素的顏色，通過(guò)追蹤光線與場(chǎng)景中光源的交互來(lái)完成。3.D解析：光澤度（Specularity）屬性模擬了物體表面的鏡面反射特性，決定了高光區(qū)域的大小和亮度。4.B解析：光線折射（Refraction）技術(shù)模擬了光線穿過(guò)透明物體時(shí)的彎曲效果，依據(jù)斯涅爾定律計(jì)算折射光線方向。5.D解析：早期終止（EarlyTermination）是一種優(yōu)化技術(shù)，在光線追蹤過(guò)程中，如果判斷某次交互對(duì)最終像素貢獻(xiàn)很小，則提前停止該分支的追蹤以減少計(jì)算量。6.B解析：粗糙度（Roughness）屬性模擬了物體表面的漫反射特性，決定了光線在表面散射的程度，粗糙度越高，散射越均勻。7.C解析：確定光線與相機(jī)交點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是計(jì)算攝像機(jī)參數(shù)，屬于光線追蹤初始化階段，需要求解攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。8.D解析：光澤度（Specularity）屬性模擬了物體表面的鏡面反射特性，決定了高光區(qū)域的大小和亮度。9.B解析：粗糙度（Roughness）屬性模擬了物體表面的漫反射特性，決定了光線在表面散射的程度，粗糙度越高，散射越均勻。10.C解析：透明度（Transparency）或稱為材質(zhì)的索引（IndexofRefraction,IOR）屬性模擬了物體表面的透明特性，決定了光線穿透物體時(shí)的折射程度。二、填空題1.光線反向傳播解析：光線追蹤的基本思想是從攝像機(jī)出發(fā)，沿視線方向追蹤光線，反向傳播模擬光線在場(chǎng)景中的路徑，直至與光源相交或被吸收。2.求交算法解析：光線追蹤的核心算法是求交算法，用于計(jì)算光線參數(shù)t，使得光線方程與物體表面方程相交，確定交點(diǎn)位置。3.光澤度解析：光澤度（Specularity）屬性模擬了物體表面的鏡面反射特性，決定了高光區(qū)域的大小和亮度。4.粗糙度解析：粗糙度（Roughness）屬性模擬了物體表面的漫反射特性，決定了光線在表面散射的程度，粗糙度越高，散射越均勻。5.折射解析：折射是光線追蹤中模擬透明物體光線穿透效果的技術(shù)，依據(jù)斯涅爾定律計(jì)算折射光線方向。三、判斷題1.√解析：光線追蹤通過(guò)模擬光線在場(chǎng)景中的傳播、反射、折射和吸收等物理過(guò)程，能夠真實(shí)地渲染出光照效果。2.×解析：光線與物體相交后，可能發(fā)生反射、折射或吸收，光線追蹤需要根據(jù)材質(zhì)屬性計(jì)算每種交互的比例。3.√解析：粗糙度（Roughness）是模擬物體表面漫反射特性的關(guān)鍵材質(zhì)屬性，決定了光線在表面散射的程度。4.√解析：折射技術(shù)模擬了光線穿過(guò)透明物體時(shí)的彎曲效果，依據(jù)斯涅爾定律計(jì)算折射光線方向，是光線追蹤的重要技術(shù)之一。5.√解析：光線追蹤可以通過(guò)追蹤光線與場(chǎng)景中紋理貼圖的交互，模擬物體表面的紋理效果，實(shí)現(xiàn)逼真的渲染。四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述光線追蹤技術(shù)的基本原理。解析：光線追蹤技術(shù)的基本原理是從攝像機(jī)出發(fā)，沿視線方向追蹤光線，反向傳播模擬光線在場(chǎng)景中的路徑，直至與光源相交或被吸收。通過(guò)計(jì)算光線與場(chǎng)景中物體的交點(diǎn)，并根據(jù)材質(zhì)屬性和光照模型計(jì)算光照強(qiáng)度，最終得到像素的顏色。光線追蹤考慮了光的反射、折射、散射等物理過(guò)程，能夠真實(shí)地渲染出光照效果。2.簡(jiǎn)述光線追蹤中，光線與物體相交的計(jì)算過(guò)程。解析：光線與物體相交的計(jì)算過(guò)程主要包括以下步驟：首先，根據(jù)攝像機(jī)參數(shù)和像素坐標(biāo)，計(jì)算出攝像機(jī)的視線方向；然后，將視線方向轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的光線方程；接著，將光線方程與場(chǎng)景中物體的表面方程聯(lián)立，求解交點(diǎn)參數(shù)t；最后，根據(jù)求得的交點(diǎn)參數(shù)t，計(jì)算出光線與物體的交點(diǎn)坐標(biāo)。這個(gè)過(guò)程需要使用求交算法，如球體求交、平面求交等，具體算法取決于物體的幾何形狀。3.簡(jiǎn)述光線追蹤中，光照計(jì)算的原理。解析：光線追蹤中，光照計(jì)算的原理是基于光的物理傳播規(guī)律，模擬光線在場(chǎng)景中的傳播、反射、折射和吸收等過(guò)程。通過(guò)追蹤光線與場(chǎng)景中光源的交互，計(jì)算光線在路徑上的光照貢獻(xiàn)，最終得到像素的顏色。光照計(jì)算通常使用光照模型，如蘭伯特模型、高斯模型等，根據(jù)光源類型、材質(zhì)屬性和光線方向等因素計(jì)算光照強(qiáng)度。光線追蹤中的光照計(jì)算是一個(gè)遞歸過(guò)程，需要考慮多次反射和折射對(duì)最終像素顏色的影響。五、綜合應(yīng)用題1.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的光線追蹤算法，包括光線投射、光線反射和光線折射的計(jì)算過(guò)程。解析：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的光線追蹤算法，可以包括以下步驟：（1）光線投射：根據(jù)攝像機(jī)參數(shù)和像素坐標(biāo)，計(jì)算出攝像機(jī)的視線方向，并將其轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的光線方程。（2）光線與物體求交：將光線方程與場(chǎng)景中物體的表面方程聯(lián)立，求解交點(diǎn)參數(shù)t，計(jì)算出光線與物體的交點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)材質(zhì)屬性，判斷光線與物體發(fā)生反射還是折射。（3）光線反射：如果光線與物體發(fā)生反射，根據(jù)反射定律計(jì)算反射光線的方向，并遞歸地追蹤反射光線，計(jì)算反射光線與場(chǎng)景中其他物體的交點(diǎn)，直到光線被吸收或達(dá)到最大反射次數(shù)。（4）光線折射：如果光線與物體發(fā)生折射，根據(jù)斯涅爾定律計(jì)算折射光線的方向，并遞歸地追蹤折射光線，計(jì)算折射光線與場(chǎng)景中其他物體的交點(diǎn)，直到光線被吸收或達(dá)到最大折射次數(shù)。（5）光照計(jì)算：對(duì)于交點(diǎn)處的像素，根據(jù)光照模型計(jì)算光照強(qiáng)度，考慮光源類型、材質(zhì)屬性和光線方向等因素。光照計(jì)算可以包括漫反射、鏡面反射和環(huán)境光等貢獻(xiàn)。（6）像素顏色計(jì)算：根據(jù)光照計(jì)算結(jié)果，結(jié)合材質(zhì)屬性和紋理貼圖等信息，計(jì)算出像素的最終顏色。2.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，包括一個(gè)球體、一個(gè)平面和一個(gè)光源，并計(jì)算球體上的光照強(qiáng)度。解析：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，可以包括以下元素：（1）球體：定義球體的幾何參數(shù)，如中心點(diǎn)坐標(biāo)和半徑，以及材質(zhì)屬性，如顏色、粗糙度和光澤度。（2）平面：定義平面的方程，如法向量和截距，以及材質(zhì)屬性，如顏色和粗糙度。（3）光源：定義光源的位置和類型，如點(diǎn)光源、方向光源或聚光燈，以及光源的強(qiáng)度和顏色。計(jì)算球體上的光照強(qiáng)度，可以按照以下步驟進(jìn)行：（1）光線投射：根據(jù)攝像機(jī)參數(shù)和像素坐標(biāo)，計(jì)算出攝像機(jī)的視線方向，并將其轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的光線方程。