北京航空航天大學(xué)2025年計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（空天信息）專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)通常追求的核心體驗(yàn)要素？A.沉浸感（Immersion）B.交互性（Interactivity）C.構(gòu)想性（Imagination）D.獨(dú)立性（Independence）2.在VR/AR系統(tǒng)中，用于感知和測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)和平移）的關(guān)鍵傳感器是？A.攝像頭（Camera）B.距離傳感器（DistanceSensor）C.慣性測(cè)量單元（IMU）D.加速度計(jì)（Accelerometer）3.以下哪個(gè)API/標(biāo)準(zhǔn)旨在實(shí)現(xiàn)VR/AR應(yīng)用程序的跨平臺(tái)兼容性？A.DirectXB.OpenGLC.VulkanD.OpenXR4.在三維場(chǎng)景中，為了提高渲染效率和遠(yuǎn)距離物體視覺(jué)效果，常采用的技術(shù)是？A.超級(jí)采樣抗鋸齒（SSAA）B.視角無(wú)關(guān)陰影（View-independentShadowing）C.細(xì)節(jié)層次（LOD）D.光線追蹤（RayTracing）5.虛擬現(xiàn)實(shí)中的“眩暈感”（MotionSickness）主要是由以下哪個(gè)因素引起的？A.場(chǎng)景過(guò)于復(fù)雜B.視覺(jué)信息與內(nèi)耳前庭感覺(jué)信息不一致C.頭部追蹤延遲D.紅綠/blue-green眼鏡色差6.在使用Unity引擎開(kāi)發(fā)VR應(yīng)用時(shí)，用于處理VR輸入（如手柄按鈕、方向搖桿）的主要腳本組件是？A.TransformB.RigidbodyC.ColliderD.InputControllerScript7.以下哪項(xiàng)技術(shù)常用于在未知環(huán)境中實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖并定位虛擬現(xiàn)實(shí)用戶？A.SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）B.GPS定位C.LiDAR掃描D.光線投射（RayCasting）8.在VR/AR開(kāi)發(fā)中，為了確保用戶的安全，避免其碰撞到現(xiàn)實(shí)世界中的物體，通常會(huì)使用？A.粒子系統(tǒng)（ParticleSystem）B.碰撞檢測(cè)（CollisionDetection）C.物理引擎（PhysicsEngine）D.后處理效果（Post-processingEffects）9.虛擬現(xiàn)實(shí)中的“臨場(chǎng)感”（Presence）指的是用戶感覺(jué)仿佛真實(shí)存在于虛擬環(huán)境中的主觀體驗(yàn)，以下哪項(xiàng)因素對(duì)其影響較?。緼.高保真度的三維模型B.即時(shí)且精確的頭部和手部追蹤C(jī).環(huán)繞立體聲（AmbientSound）D.環(huán)境政策的制定10.將現(xiàn)實(shí)世界中的物體或環(huán)境信息疊加到虛擬視圖之上的技術(shù)稱為？A.虛擬化（Virtualization）B.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality）C.混合現(xiàn)實(shí)（MixedReality）D.數(shù)字孿生（DigitalTwin）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常由硬件設(shè)備、軟件平臺(tái)和______三個(gè)主要部分組成。2.在三維坐標(biāo)系中，將物體繞X軸旋轉(zhuǎn)的操作稱為_(kāi)_____。3.為了減少VR頭顯的重量和功耗，常采用______屏幕技術(shù)。4.虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)中，______是一種常用的空間交互方式，允許用戶通過(guò)手勢(shì)與虛擬物體進(jìn)行操作。5.當(dāng)虛擬環(huán)境中物體的位置或姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，需要通過(guò)______來(lái)更新其在屏幕上的顯示。6.在Unity中，用于處理游戲邏輯和腳本編程的主要編程語(yǔ)言是______。7.光線投射（RayCasting）技術(shù)可以通過(guò)發(fā)射虛擬光線來(lái)檢測(cè)場(chǎng)景中物體表面的______點(diǎn)。8.航空航天領(lǐng)域常用的VR應(yīng)用之一是______，用于模擬飛行操作和訓(xùn)練飛行員。9.為了確保VR應(yīng)用的流暢運(yùn)行，開(kāi)發(fā)者需要關(guān)注幀率（FPS）和______的管理。10.虛擬現(xiàn)實(shí)中的“遮擋剔除”（OcclusionCulling）技術(shù)可以避免渲染被其他物體完全遮擋的不可見(jiàn)物體，從而提高_(dá)_____。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.沉浸感（Immersion）2.空間交互動(dòng)畫(huà)（SpatialInteractionAnimation）3.OpenXR4.虛擬化身（VirtualAvatar）5.運(yùn)動(dòng)-to-光子延遲（Motion-to-PhotonLatency）四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述SLAM技術(shù)的基本原理及其在虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)中的作用。2.比較基于追蹤器（Tracker-based）和基于地平線（Horizon-based）的VR定位方法的主要區(qū)別。3.在開(kāi)發(fā)面向航空航天領(lǐng)域的VR應(yīng)用時(shí)，需要特別考慮哪些人因工程因素？4.描述在Unity中實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的VR物體抓取功能的步驟（無(wú)需具體代碼，描述關(guān)鍵邏輯）。五、綜合應(yīng)用題（共25分）假設(shè)你需要為一個(gè)航空維修培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)一個(gè)VR應(yīng)用。該應(yīng)用需要允許學(xué)員在虛擬環(huán)境中模擬拆卸和組裝某型飛機(jī)的起落架系統(tǒng)。請(qǐng)回答以下問(wèn)題：1.（10分）列出該VR應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能模塊，并簡(jiǎn)要說(shuō)明每個(gè)模塊的作用。2.（15分）針對(duì)該應(yīng)用，討論在硬件選擇、交互設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)建和性能優(yōu)化方面需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.C5.B6.D7.A8.B9.D10.B二、填空題1.交互設(shè)計(jì)2.橫滾（Roll）3.硬屏（或OLED）4.手勢(shì)交互（或GestureControl）5.渲染管線（或GraphicsPipeline）6.C#7.交點(diǎn)（或Intersection）8.虛擬駕駛艙（或FlightSimulator）9.顯著性（或Visibility）10.性能（或Performance）三、名詞解釋1.沉浸感（Immersion）：指用戶感覺(jué)自身深度融入虛擬環(huán)境中的程度，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多感官的沉浸體驗(yàn)。2.空間交互動(dòng)畫(huà)（SpatialInteractionAnimation）：指允許用戶在三維空間中自然、直觀地與虛擬物體進(jìn)行交互的技術(shù)，通常涉及手勢(shì)、語(yǔ)音或其他空間輸入方式，并能生成符合物理規(guī)律或預(yù)期行為的動(dòng)畫(huà)效果。3.OpenXR：一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，旨在為虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用程序提供跨平臺(tái)兼容的API，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)者在不同硬件設(shè)備上的開(kāi)發(fā)工作。4.虛擬化身（VirtualAvatar）：用戶在虛擬環(huán)境中的數(shù)字化代表，可以模仿用戶的動(dòng)作、表情，并與其他虛擬角色或物體進(jìn)行交互。5.運(yùn)動(dòng)-to-光子延遲（Motion-to-PhotonLatency）：指用戶的頭部或手部運(yùn)動(dòng)被追蹤系統(tǒng)檢測(cè)到，到虛擬環(huán)境中相應(yīng)物體更新顯示在屏幕上所需的時(shí)間延遲，該延遲直接影響VR體驗(yàn)的沉浸感和是否會(huì)產(chǎn)生眩暈。四、簡(jiǎn)答題1.SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）的基本原理是通過(guò)傳感器（如攝像頭、IMU）實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境，同時(shí)估計(jì)自身在環(huán)境中的位置和姿態(tài)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建環(huán)境的地圖。在VR開(kāi)發(fā)中，SLAM的作用是實(shí)現(xiàn)用戶在未知或大型虛擬環(huán)境中的自由探索和定位，為構(gòu)建交互式AR應(yīng)用提供基礎(chǔ)，提升VR體驗(yàn)的真實(shí)感和沉浸感。2.基于追蹤器的定位方法依賴于外部固定在用戶身上的傳感器（如頭盔、手柄），通過(guò)這些傳感器精確測(cè)量用戶的位姿，定位精度高，但限制了用戶的移動(dòng)范圍，且需要額外設(shè)置?；诘仄骄€（或視覺(jué)定位）的方法主要利用VR頭顯的攝像頭捕捉環(huán)境特征，通過(guò)識(shí)別特征點(diǎn)或平面來(lái)確定用戶位置和朝向，無(wú)需外部設(shè)備，移動(dòng)自由度大，但定位精度受環(huán)境復(fù)雜度和算法影響，且在特定環(huán)境（如純白色房間）下可能失效。3.開(kāi)發(fā)面向航空航天領(lǐng)域的VR應(yīng)用時(shí)，需要特別考慮的人因工程因素包括：高G力/加速度模擬的生理影響與適應(yīng)性訓(xùn)練、復(fù)雜操作任務(wù)的空間認(rèn)知與操作效率、長(zhǎng)時(shí)間VR使用下的視覺(jué)疲勞與舒適度、精細(xì)操作（如模擬儀表盤操作）的交互精度與反饋、緊急情況下的應(yīng)急響應(yīng)模擬與訓(xùn)練效果、以及模擬環(huán)境與真實(shí)駕駛/操作環(huán)境的一致性等。4.實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的VR物體抓取功能的基本步驟如下：首先，檢測(cè)用戶的抓取手勢(shì)（如手部接近或握拳）；其次，確定用戶手部所在位置的抓取范圍或抓取器模型；接著，使用射線投射（RayCasting）或物理碰撞檢測(cè)（CollisionDetection）判斷該位置是否存在可抓取的物體；如果檢測(cè)到可抓取物體，計(jì)算物體與手部之間的相對(duì)位置和姿態(tài)，將物體附加（Attach）到手部模型上，使其跟隨手部移動(dòng)；最后，當(dāng)用戶釋放抓取手勢(shì)時(shí)，解除物體與手部的附加關(guān)系（Detach），使其恢復(fù)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。五、綜合應(yīng)用題1.該VR應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能模塊及其作用：*場(chǎng)景構(gòu)建模塊：作用是創(chuàng)建高度逼真的飛機(jī)起落架虛擬模型，包括各部件細(xì)節(jié)、材質(zhì)紋理、以及飛機(jī)外部環(huán)境，為學(xué)員提供沉浸式的維修環(huán)境。*交互控制模塊：作用是允許學(xué)員使用VR手柄或手勢(shì)追蹤進(jìn)行導(dǎo)航、選擇工具、操作虛擬部件（如擰螺絲、拔插頭等），實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的自然交互。*部件管理與信息模塊：作用是展示起落架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、部件列表，提供部件的詳細(xì)信息（如名稱、型號(hào)、維修說(shuō)明），并允許學(xué)員按需調(diào)用。*物理模擬模塊：作用是模擬起落架部件的物理特性（如重量、慣性、連接關(guān)系）和操作過(guò)程（如解鎖、收起、放下），增加維修操作的真實(shí)感和挑戰(zhàn)性。*任務(wù)引導(dǎo)與評(píng)估模塊：作用是向?qū)W員展示維修步驟清單，提供操作提示和指導(dǎo)，并在學(xué)員完成任務(wù)后進(jìn)行操作準(zhǔn)確性、效率和時(shí)間的評(píng)估，給予反饋。*安全培訓(xùn)模塊：作用是模擬維修過(guò)程中可能遇到的安全風(fēng)險(xiǎn)（如高壓電氣、旋轉(zhuǎn)部件），進(jìn)行安全規(guī)程和應(yīng)急處理的教學(xué)。2.針對(duì)該VR應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題討論：*硬件選擇：需要選擇具有高分辨率、低延遲、舒適佩戴、良好運(yùn)動(dòng)追蹤（頭部和手部）能力的VR頭顯和控制器?？紤]到維修操作的精細(xì)度，可能需要支持高精度手部追蹤或配備力反饋手套以模擬觸覺(jué)。硬件需能在不同光照條件下穩(wěn)定工作，以模擬真實(shí)的維修環(huán)境。*交互設(shè)計(jì)：交互方式應(yīng)直觀易學(xué)，盡量模擬現(xiàn)實(shí)工具的使用。例如，使用抓取、旋轉(zhuǎn)、拖拽等手勢(shì)操作部件，使用虛擬扳手進(jìn)行擰緊操作。需要設(shè)計(jì)清晰的菜單和圖標(biāo)系統(tǒng)，方便學(xué)員快速查找工具和維修信息。應(yīng)避免可能導(dǎo)致用戶眩暈的快速或不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。*場(chǎng)景構(gòu)建：場(chǎng)景