2025年工業(yè)AI《計算機(jī)圖形學(xué)》專項(xiàng)訓(xùn)練題庫考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在計算機(jī)圖形學(xué)中，將三維物體變換到觀察者視點(diǎn)的過程，通常包含模型變換、視圖變換和哪個關(guān)鍵步驟？A.窗口到視口的變換B.光柵化C.紋理映射D.投影變換2.下列哪種著色模型能夠更真實(shí)地模擬光線在物體表面的交互，常用于需要高保真渲染的工業(yè)可視化場景？A.Phong著色模型B.Lambertian著色模型C.基于物理的渲染（PBR）模型D.Gouraud著色模型3.在進(jìn)行大規(guī)模場景渲染時，為了提高效率，常采用空間分割技術(shù)。下列哪種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適合用于快速判斷一個視點(diǎn)是否可見一個被遮擋的物體或區(qū)域？A.八叉樹（Octree）B.B樹C.K-D樹D.哈希表4.用于表示和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是？A.K-D樹B.八叉樹（Octree）C.線性列表D.哈希表5.在計算機(jī)圖形學(xué)中，"掃描轉(zhuǎn)換"通常指的是？A.將三維模型投影到二維屏幕的過程B.生成紋理映射坐標(biāo)的過程C.對頂點(diǎn)進(jìn)行光柵化以填充多邊形的過程D.將二維圖像映射到三維模型表面的過程6.以下哪個選項(xiàng)是計算機(jī)圖形系統(tǒng)中常見的性能瓶頸？A.CPU主頻B.內(nèi)存容量C.圖形處理器（GPU）的渲染性能D.網(wǎng)絡(luò)帶寬7.在數(shù)字孿生（DigitalTwin）的構(gòu)建中，實(shí)時渲染技術(shù)扮演著重要角色。其主要目的是？A.實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的精確測量B.對產(chǎn)品進(jìn)行高精度建模C.提供一個可視化界面，用于監(jiān)控、分析和交互D.管理孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲8.以下哪種技術(shù)常用于在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)逼真的光照效果，特別是在實(shí)時工業(yè)仿真中？A.光線追蹤（RayTracing）B.蒙日投影（M?biusProjection）C.掃描轉(zhuǎn)換算法D.幾何變換矩陣9.將二維圖像（紋理）映射到三維模型表面的過程，稱為？A.變換B.裁剪C.光柵化D.紋理映射10.在工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃的可視化中，計算機(jī)圖形學(xué)主要用于？A.計算機(jī)器人的最優(yōu)路徑算法B.在三維環(huán)境中展示機(jī)器人模型及其運(yùn)動軌跡C.設(shè)計機(jī)器人的控制硬件D.建立機(jī)器人的物理模型二、填空題（每空2分，共20分）1.計算機(jī)圖形學(xué)中的變換通常使用________矩陣來實(shí)現(xiàn)，包括平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作。2.光柵化是將________圖形（如線段、多邊形）轉(zhuǎn)換為屏幕上像素點(diǎn)的過程。3.在渲染管線中，光照計算通常在________階段進(jìn)行，該階段需要處理頂點(diǎn)或像素的顏色。4.點(diǎn)云配準(zhǔn)是計算機(jī)視覺和圖形學(xué)中的一個重要任務(wù)，常用于將多個從不同視點(diǎn)獲取的________數(shù)據(jù)集對齊。5.為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時渲染，現(xiàn)代圖形API（如OpenGL,DirectX,Vulkan）通常采用________架構(gòu)，將渲染任務(wù)卸載到GPU上執(zhí)行。6.紋理坐標(biāo)（TextureCoordinates）也稱為________坐標(biāo)，用于將二維紋理圖像正確地映射到三維模型表面。7.在計算機(jī)圖形學(xué)中，________是指將物體從其局部坐標(biāo)系變換到世界坐標(biāo)系的過程。8.陰影生成技術(shù)在工業(yè)可視化中很重要，可以用來區(qū)分物體的前后關(guān)系和________。9.對于復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品模型，網(wǎng)格簡化技術(shù)可以用來在保持足夠精度的前提下，減少模型的________數(shù)量，提高渲染和計算效率。10.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，例如通過AR眼鏡將虛擬信息（如操作指南、傳感器讀數(shù)）疊加到真實(shí)的________環(huán)境中。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述計算機(jī)圖形學(xué)中，從三維模型到二維屏幕圖像顯示的主要步驟。2.解釋什么是數(shù)字孿生，并列舉其在工業(yè)應(yīng)用中至少兩個方面的價值。3.描述光柵化過程中，對于繪制一個三角形，通常需要解決的核心問題是什么？4.在實(shí)時工業(yè)圖形應(yīng)用（如VR/AR、實(shí)時仿真）中，性能優(yōu)化的重要性體現(xiàn)在哪些方面？四、計算題（每題10分，共20分）1.給定一個點(diǎn)P在模型坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(1,2,3)。模型變換矩陣M為：M=[[1,0,0,0],[0,0.5,0,0],[0,0,1,0],[0,0,0,1]]請計算點(diǎn)P經(jīng)過模型變換M后的坐標(biāo)，并解釋該變換對點(diǎn)P進(jìn)行了哪些操作（如縮放、旋轉(zhuǎn)等）。2.假設(shè)一個屏幕分辨率為800x600像素。視圖變換將世界坐標(biāo)系中的一個單位立方體（頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-1,-1,-1),(1,-1,-1),(1,1,-1),(-1,1,-1)）映射到視圖坐標(biāo)系中，然后裁剪掉視圖坐標(biāo)系中左下角為(-2,-2)右上角為(2,2)的區(qū)域，最后進(jìn)行窗口到視口的變換，將視圖坐標(biāo)映射到屏幕像素。請簡述該過程的每一步，并說明最終能夠被渲染到屏幕上的單位立方體的頂點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系中的大致范圍（用像素坐標(biāo)表示）。五、編程實(shí)踐題（每題15分，共30分）1.假設(shè)使用一個圖形API（如OpenGL）編寫一個簡單的工業(yè)場景渲染程序。請描述在程序中實(shí)現(xiàn)以下功能所需的步驟或關(guān)鍵代碼片段（不需要完整代碼，只需說明關(guān)鍵部分）：a.加載并顯示一個簡單的三維機(jī)械零件模型（如一個立方體或圓柱體）。b.為該零件模型應(yīng)用一個基礎(chǔ)的材質(zhì)著色器，使其呈現(xiàn)出金屬質(zhì)感（至少需要設(shè)置基礎(chǔ)的顏色和反光屬性）。c.在場景中添加一個簡單的平行光源，并確保它能照亮零件模型。2.在一個工業(yè)自動化仿真系統(tǒng)中，需要使用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)來可視化機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。請描述實(shí)現(xiàn)該功能可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)和步驟：a.如何表示機(jī)器人的位姿（位置和方向）？b.如何在三維場景中繪制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡線？c.如果需要實(shí)時顯示軌跡，從軌跡計算到渲染顯示需要考慮哪些性能優(yōu)化方面？---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.C5.C6.C7.C8.A9.D10.B二、填空題1.矩陣2.矢量3.光柵化4.點(diǎn)云5.著色器6.UV7.模型變換8.深度9.面元（或頂點(diǎn)、三角形）10.物理世界三、簡答題1.解析思路：從三維模型數(shù)據(jù)獲取開始，經(jīng)過模型變換（位置、方向、縮放）、視圖變換（相機(jī)視角、投影）、投影變換（透視或正交）、裁剪（剔除視窗外部分）、光柵化（轉(zhuǎn)換成像素）以及像素著色（計算顏色、紋理映射、光照等），最終生成二維屏幕圖像。2.解析思路：數(shù)字孿生是物理實(shí)體的虛擬表示。價值在于：監(jiān)控與預(yù)測：實(shí)時反映物理實(shí)體的狀態(tài)，預(yù)測故障；模擬與優(yōu)化：在虛擬環(huán)境中測試設(shè)計和操作方案；遠(yuǎn)程協(xié)作與維護(hù)：無需物理接觸即可進(jìn)行監(jiān)控、指導(dǎo)和維護(hù)。3.解析思路：核心問題是如何根據(jù)構(gòu)成三角形的頂點(diǎn)信息，計算出構(gòu)成屏幕上像素點(diǎn)集合的過程。主要包括：判斷屏幕像素是否位于三角形內(nèi)（點(diǎn)在三角形內(nèi)判斷算法，如Barycentric坐標(biāo)法）；對于位于三角形內(nèi)的像素，計算其應(yīng)該具有的顏色值（通?；陧旤c(diǎn)顏色進(jìn)行插值）。4.解析思路：重要性體現(xiàn)在：提升交互響應(yīng)速度：確保圖形渲染流暢，避免卡頓，滿足實(shí)時交互需求；支持大規(guī)模場景：能夠渲染包含大量幾何體和復(fù)雜細(xì)節(jié)的場景；降低系統(tǒng)資源占用：通過優(yōu)化減少CPU和GPU的負(fù)擔(dān)，延長設(shè)備續(xù)航（對移動設(shè)備尤為重要）。四、計算題1.解析思路：將點(diǎn)P(1,2,3)擴(kuò)展為齊次坐標(biāo)(1,2,3,1)。矩陣M表示先沿Y軸縮放0.5倍。進(jìn)行矩陣乘法計算新的齊次坐標(biāo)：[1*1,0*2+0.5*1,0*3+1*1,1*1]=[1,0.5,1,1]。結(jié)果坐標(biāo)為(1,0.5,1,1)，即(1,0.5,1)。變換對點(diǎn)進(jìn)行了Y軸方向上的縮放（系數(shù)為0.5）。2.解析思路：a.視圖變換：將單位立方體根據(jù)特定相機(jī)參數(shù)（位置、視角等）映射到視圖坐標(biāo)系。裁剪：剔除視圖坐標(biāo)系中(-2,-2)到(2,2)區(qū)域外的部分。由于單位立方體所有頂點(diǎn)坐標(biāo)都在(-1,-1)到(1,1)之間，這個裁剪區(qū)域(-2,-2)到(2,2)會保留立方體的全部頂點(diǎn)(-1,-1),(1,-1),(1,1),(-1,1)。最終視圖坐標(biāo)頂點(diǎn)仍為(-1,-1),(1,-1),(1,1),(-1,1)。b.窗口到視口變換：將視圖坐標(biāo)映射到屏幕像素。假設(shè)視口設(shè)置為屏幕中心區(qū)域，例如x視口[100,700],y視口[100,500]。進(jìn)行線性映射：x_screen=x_view*(屏幕寬-1)/(視圖寬)+視口x_min=x_view*799/4+100；y_screen=y_view*(屏幕高-1)/(視圖高)+視口y_min=y_view*499/4+100。計算四個頂點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)大致范圍：(-1,-1)約映射到(100,100)；(1,-1)約映射到(700,100)；(1,1)約映射到(700,500)；(-1,1)約映射到(100,500)。因此，能被渲染的像素區(qū)域大致在屏幕上的[100,700]x[100,500]矩形內(nèi)。五、編程實(shí)踐題1.解析思路：a.加載模型：可以使用圖形API提供的模型加載器（如OpenGL的Assimp庫，或自定義解析器）讀取模型文件（如OBJ,FBX,STL）。在渲染循環(huán)中，使用繪圖調(diào)用（如OpenGL的glDrawElements或glDrawArrays）繪制模型的頂點(diǎn)和索引。b.應(yīng)用著色器：編寫一個基礎(chǔ)的片段著色器（FragmentShader），在其中設(shè)置顏色和反光屬性。例如，使用一個基礎(chǔ)的顏色向量（如灰色[0.5,0.5,0.5]）作為基礎(chǔ)顏色，并使用一個簡單的反光系數(shù)（如0.3）來模擬金屬的微弱高光。將這個著色器程序（包含頂點(diǎn)著色器和片段著色器）編譯并綁定到當(dāng)前渲染管線。c.添加光源：定義光源的位置（如在世界坐標(biāo)系中的[10,10,10]）和顏色（如白色[1,1,1]）。在渲染循環(huán)中，將光源參數(shù)傳遞給著色器變量的uniforms。在片段著色器中，根據(jù)光源位置、物體表面法線（通常從頂點(diǎn)著色器傳遞）和視線方向，計算光照強(qiáng)度，并將其與材質(zhì)顏色相乘得到最終像素顏色。2.解析思路：a.表示位姿：通常使用一個4x4的變換矩陣，其中前3x3子矩陣表示旋轉(zhuǎn)（方向），右列向量表示平移（位置），最后一行通常為[0,0,0,1