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虚拟现实考试题
虚拟现实技术复习习题
1.虚拟现实的概念：
用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。
虚拟现实是计算机与用户之间的一种理想化的人-机界面形式。
通常用户戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。
2.虚拟现实的特征
与传统计算机相比，虚拟现实系统具有四个重要特征：
沉浸性，交互性，构想性，多感知性
多感知性：
除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知和嗅觉感知等
交互性：
用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
沉浸性：
又称为临场感（Immersion），它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
构想性：
根据想像从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，在电脑中实现认识上的飞跃。
三个基本特征：
沉浸性、交互性、构想性
沉浸：
又称存在感，是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。
交互：
是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。
构想：
虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生实现新的构思。
3.虚拟现实系统的构成：
a.检测模块
b.反馈模块
c.传感器模块
d.控制模块
e.建模模块
4.虚拟现实系统的类型
（简单）桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，分布式虚拟现实系统、增强现实系统
5.虚拟现实的硬件设备
跟踪系统（把使用者身体位置的变动反馈给主机，以实时改变图像和声音）
知觉系统（人及交互的各种界面，包括视觉装置：
头盔显示器等；
触觉装置:
数据手套跟踪球等）
音频系统：
立体声耳机等
图像生成和现实系统：
产生视觉图象和立体显示
6.虚拟现实有哪些软件
VR系统开发工具：
能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息；能生成立体显示图行；能把各种数据库，各种CAD软件进行调用和互联
3DSMax：
三维制作软件
Maya：
三维动画以及虚拟现实制作软件
MultigenCreator，实时三维模型创建软件
7.眼睛的作用、视觉暂留和临界融合频率的概念
眼睛的作用：
调节和聚焦，明暗适应，视觉暂留，立体视觉，视场
视觉暂留：
视觉暂留是视网膜的电化学县乡造成视觉的反应时间。
当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到越0.25s的峰，视椎细胞快4倍（0.04s）。
这种现象造成视觉暂留。
临界融合频率：
临界融合频率（CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，冰取决于图像尺寸和亮度。
英国电视场频50Hz，美国电视场频60Hz。
电影帧频24Hz。
眼对闪烁的敏感正比于亮度，所以若白天的图像更新率为60Hz，则夜间只要30Hz。
8.什么叫LOD？
（基本思想、方法、应用）
LOD（LevelOfDetail）模型方法
LOD基本思想：
①对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法；②在会只是，如果同一个物体离视点比较远，或物体比较小，则用较粗的LOD模型；③反之，如果一个物体离视点比较近，或物体比较大，则必须用较精细的LOD模型绘制；④运动的物体，对运动速度快或处于运动中的物体，采用较粗的LOD，对静止的物体，采用较细的LOD。
LOD作用：
①对物体定义具有多种细节水平的几何表示；②用户根据实际需要选择相应精细程度的模型，使实时绘制场景成为可能；③有效地控制场景复杂度；④加速图形绘制速度。
LOD方法的应用：
①虚拟现实，②交互式可视化，③飞行模拟、3D动画、交互式仿真等。
9.碰撞检测技术
在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，物体间经常可能发生碰撞，此时为了保持环境的真实性，需要即时检测这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则，物体间会出现穿透现象，破坏虚拟环境的真实感和用户的沉浸感；
碰撞检测：
检测到有碰撞，计算出碰撞发生的位置，检测物体间的距离，检测下一次碰撞将在何时发生。
10.虚拟现实的应用领域和发展方向
虚拟现实的应用领域主要包括
（1）地学应用；包括数字城市建设、城市规划、虚拟旅游、虚拟考古等
（2）科学研究和科学计算可视化（3）教育培训（4）军事模拟训练（5）工程应用（6）医学领域应用（7）娱乐领域应用
目前虚拟现实技术处于多元化的发展趋势，一方面虚拟现实技术借助于计算机技术、网络技术、摄影技术、等的发展而高速发展，出现了分布式虚拟现实系统、CADWall、VRCenter、
CAVE、IDesk等新技术。
另一方面，虚拟现实技术与专业技术相融合又产生了数字地球研究、虚拟规划设计、虚拟现实机械装配、虚拟考古、虚拟手术、虚拟驾驶、虚拟管线设计、虚拟军事对抗等领域的应用，使得虚拟现实技术成为一种崭新的技术手段而得到广泛的应用。
11.地形三维显示中的数据类型
用于地形三维显示的数据按其数据结构类型可分为：
矢量型和栅格型两大类
矢量型数据主要包括:
等高线矢量数据（平面数据带高程属性）；地形特征点、线矢量数据；各类地形要素的矢量数据（如居民地、河流、道路等）
栅格型数据主要包括：
数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）；纹理图像数据。
说明：
（1）数字高程模型DEM一般有网格型（Grid）和不规则三角形网格（Tin）两种类型。
一般Grid型DEM更常用一些，具有结构简单，容易获取等特点；
（2）纹理图像有多种类型，常见的用于地形三维可视化的纹理图像有：
经扫描后获得的地形图图像数据（也叫像素地形图）、各种数字遥感图像或其他植被纹理图像。
（3）矢量数据一般由点数、属性以及坐标串所组成，一般可分为点、线、面三大类。
而其中等高线以及地形特征点、线矢量数据是用于生成DEM数据的。
DEM是地形三维显示中最重要的数据，它的精度、质量直接影响到以后生成地形三维图的质量.
12.DEM的概念、三种主要获取DEM的方法及优缺点比较、另外三种获取DEM的方法的原理及优缺点
EM的概念、三种主要获取DEM的方法及优缺点比较、另外三种获取DEM的方法的原理及优缺点
DEM（DigitalElevationModels数字高程模型）：
是国家空间数据的重要组成部分，表示地形区域内三维向量的有限序列，即地面高程集合。
DEM数据的获取主要有三种方法：
（1）野外实地直接测量得到；该方法适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小的DEM数据获取。
该方法的优点是可以获取高精度的DEM数据。
其缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适用于小范围面积内作业。
（2）利用摄影测量方法获取；适用于大范围区域测量，成像效率高。
该方法的缺点是数据源（立体像对）获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备（主要是解析测图仪或数字摄影测量系统）和训练有素的摄影测量专业技术人员。
（3）从地形图中采集。
所需的原始数据源（地图）容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业。
精度较低。
其它获取DEM方法：
用航天遥感立体像对获取DEM.
INSAR（干涉合成孔径雷达）获取DEM.
激光扫描测高仪等
13.坐标转换流程
观察变化
模型坐标模型变换世界坐标观察坐标
投影变换
工作站变换规范化变化
设备坐标规范化坐标投影坐标系
14.地形三维显示的基本过程：
（1）数据准备：
获取地形三维可视化所需的各类地形数据
（2）DEM递归细分：
将DEM细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。
（3）透视投影变换：
建立地面点（DEM结点）与三维图像点间的透视关系，由视面、视角、三维图形大小等参数确定。
（4）光照模型：
建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色充化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。
（5）消隐和裁剪：
消去（或不显示）三维图形的可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。
（6）图形绘制和存贮：
依各种相应算法（如模拟灰度、分形几何、纹理映射等）绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式（如PCX，TIFF，BMP等）存贮。
（7）三维图形的后处理：
在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。
（8）基于三维地形图的分析：
在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件以及有关算法，进行空间信息查询或地形分析。
15.投影转换的数学模型公式
DEM中任一点M在地面坐标系OT－XTYTZT，a中的坐标为（Xm,Ym，Zm），它在投影平面P上的像点为m，则m点在投影坐标系O－xy中的坐标（xm,ym）由下式计算求出：
（XT,YT,ZT）是视点S在地面坐标系O-XYZ中的坐标；
α是投影平面与地面坐标系的平面间的夹角；
θ是地面坐标系的XT轴与投影坐标系的X轴之间的夹角。
16.几种常用的消隐算法
消隐处理曾经是计算机三维图形绘制中的重点研究难题，现在已有多种成熟而有效的算法。
具有代表性的三种算法是：
（1）画家算法（优先度法）；
先将屏幕置为背景色，然后将物体的各个面距视点远近排序，按由远及近的顺序逐投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。
由于后显示的区域将覆盖以前的区域，从而达到自然消隐的目的。
画家算法简单，容易实现。
缺点是只能处理不相交的区域，且深度优先级表中面的顺序可能出错。
（2）Z—buffer（深度缓冲器）法；
Z—buffer算法采用缓冲区记录每个像素的深度值，保证每个像素都具有最大的深度值。
算法对面出现的先后没有要求，实现上比总统排序灵活，简单，有利于硬件实现。
但需要增加额外的缓存。
17.光照模型的概念及影响因素
所谓光照模型，是根据光学物理的有关定律计算画面上景物表面各点投影到观察者眼中光亮度和色彩组成的公式。
对于地形立体图的绘制而言，一个好的光照模型应该满足以下要求：
（1）能产生较好的立体视觉效果；
（2）在理论上具有一定的合理性或严密性；
（3）较小的计算量，以保证较快的绘制速度；
对于自然景物中的地形表面，光照模型可考虑到以下几项影响：
（1）光源的位置；
（2）光源的强度；（3）视点的位置；（4）地面的漫反射光；（5）地面对光的反射和吸收特性。
18.分形理论的概念
分形（Fractal）理论是非线性科学中的一个活跃的数学分支，其研究对象是在非线性系统中产生的不光滑河不可为的几何形体，对应的定量参数是分形维数。
19.分形维数的概念、作用
20.分形集的特征：
（1）精细的结构，具有任意小尺度下的细节；
（2）分型基因太不规则而不能用传统的几何语言来描述；
（3）某种自相似性，可能是近似的自相似或统计上的自相似；
（4）其分形维数常大于其拓扑维数；
（5）在多数情况下可递归的定义。
利用分形理论中的随机分维函数模型，来模拟生成自然景物中许多不规则物体和表面（如云，山体表面，数目，草地，烟火等），已获得了极大的成功
21.纹理映射的基本思路、优点
基本思想是：
选择或找到该目标地区的地形纹理图，根据各种图像间的映射关系，从而将纹理图像按规定要求贴到三维地形图表面，使所生成的三维地形图即有立体感又有真实性。
纹理映射的优点是：
由它产生的图像具有立体感和真实感，信息丰富，现势性强的三维影像实景图。
22.直接绘制法流程
基于地形要素矢量数据的三维图就是充分利用已获得的各类地形矢量要素，将其栅格化和符号化处理，再结合三维地形图绘制的基本算法，生成以模拟灰度或颜色为背景，叠加各种地形要素（包括等高线、居民地、河流、道路、文字注记等）的地形矢量要素三维图。
主要的生成方法是：
纹理映射法，直接绘制法。
直接绘制法是依据地形适量的数据结构，在绘制完成模拟灰度模拟地形图之后，在逐一对地形矢量数据进行处理，经过坐标投影变换消隐，取色，绘制等一系列过程，将各矢量要素的相应的符号绘制在背景三维图上，形成地形矢量要素三维图。
流程：
读入地物的矢量数据------逐点获得平面坐标------从DEM内插出Z-----透视变换-----判断是否可见，如果可见，则按地物和颜色属性选择符号，在绘制和输出；如果不可见，按光照模型计算灰度，然后绘制和输出
23.遥感影像的基本思路、优点
1在获取区域内的地形数据的基础上，在数字化航摄图像上按一定的点位分布要求选取一定数量的明显特征点，测量其向坐标的精确值以及在地面的精确位置，据此安航摄像片的成像原理和有关公式确定纹理图像与相应地面之间的映射关系，解算出变换参数。
同时利用生成三维地形图的透视变换原理，确定纹理图像与地形立体图之间的映射关系。
2优点：
大面积同步观测，时效性，数据综合性和可比性，经济性，局限性。
24.空间后方变换和直接线性变换的概念、公式、优点、参数求解要求
直接线性变换是一种直接描述遥感图象与地面相应坐标之间透视关系的解析表达式。
他包含11个参数，含有对影象坐标的线性误差改正的作用，稳定性强。
公式是：
x=Sx/Sz
y=Sy/Sz
其中：
Sx=L1X+L2Y+L3Z+L4
Sy=L5X+L6Y+L7Z+L8
Sz=L9X+L10Y+L11Z+1
（x，y）为遥感图像上冷一点的想坐标，（X，Y，Z）为该点的地面坐标；L1L2L3.....L11为11个变换参数。
空间后方交会是通过定义遥感图像曾相识传感器的内、外部姿态参数来描述这种中心投影关系的，公式为：
x=x0-f*F’x/F’z
y=y0-f*F’y/F’z
其中：
F’x=a1（X-X1）+b1（Y-Y1）+c1（Z-Z1）
F’y=a2（X-X2）+b2（Y-Y2）+c2（Z-Z2）
F’z=a3（X-X3）+b3（Y-Y3）+c3（Z-Z3）
（x0，y0，-f）、（ai、bi、ci，i=1、2、3。
a2、a3、b3是三个独立的方向余弦）、（XYZ）
25.重采样的方法
（1）最临近象元法
（2）双线性内插（3）双三次样条函数（4）拉格朗日多项式
填空题：
1、虚拟现实的本质特征：
沉浸性
交互性
构想性
2、沉浸感是最弱的，是虚拟现实最重要的技术特征。
3、视觉感知设备：
头盔显示器；
立体眼镜显示系统；
洞穴式立体显示系统；
响应工作台立体显示系统；
墙式立体显示系统；
裸体立体显示系统。
4、电磁式位置跟踪设备可分为交流电发射器型与直流电发射器型。
5、触觉反馈设备：
充气式触觉反馈装置；
振动式触觉反馈装置；
视觉式触觉反馈装置；
电刺激式触觉反馈装置；
神经肌肉刺激式触觉反馈装置。
6、虚拟对象建模：
几何建模、图像建模、图像与几何相结合建模、视觉外观设计。
7、分形技术属于物理建模。
8、虚拟环境建模：
物理建模、对象行为建模、运动建模、几何建模。
9、几何建模的方法：
多边形；
非均匀有理B样条曲线；
细分曲面技术建模。
10、碰撞检测的方法：
直接检测法；
包围盒检测法；
分割检测法；
Lin-Canny检测法。
名词解释：
虚拟现实技术：
虚拟环境是人工构造的，存在于计算机内部的环境。
用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉的一种技术。
（简单的说，就是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能使用传感设备与之相关作用的新技术。
）
LOD技术：
即LevelOfDetails，细节层次。
我们用LOD来描述一个物体在不同的距离上进行渲染时可选的细节程度。
在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法效率的技术。
消隐技术：
就是要解决形体的二义性问题，通过消隐线或消隐面方法，提高图形的真实感的技术。
要消除二义性，必须在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面，称作消除隐藏线或隐藏面，或简称为消隐。
消隐技术就是给定一组三维对象及投影方式（视见约束），判定线、面或体的可见性的过程。
景深技术：
指被摄景物中能产生较为清晰影像的最近点至最远点的距离。
简答题：
1.关于行为建模、行人的运动建模有哪些？
行为建模:
基于Agent的行为建模，基于状态图的行为建模，基于物理的行为建模，基于特征的行为建模和基于事件驱动的行为建模。
行人的运动建模有典型代表性模型有：
元胞自动机模型、磁力场模型、社会力模型以及排队论模型等。
2.光照模型反射和透射的光则进入我们的视觉系统，我们便看见物体。
为此，我们需要了解已知物理形态和光源性质的条件下，计算物体的光照效果的数学模型。
最常使用的表面明暗光滑法的方法有两种：
gourand方法和phong模型。
Phong模型：
phong光滑发不是采用亮度插值，二十采用法线方向插值。
然后，按照插值后每一点的法线方向，用光照模型求其亮度。
用phong方法可以产生很好地镜面反射的高光效果，真实感更强，但同时，计算工作量也大。
3.纹理映射过程：
当光栅化程序检索到对应的纹理像素的颜色后，用它来改变明暗模型中的像素颜色。
这个过程成为调制，用纹理颜色乘以几何处理引擎输出的表面颜色。
4.消隐技术分类：
包围盒技术、空间分割技术
论述题：
关于虚拟现实的构成部分，应用方向发展方向？
构成部分：
计算机：
是系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。
负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现
输入与输出设备（接口）：
特殊的设备，用以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应反馈信息
应用软件：
虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等
数据库：
存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。
发展方向：
动态环境建模技术；
实时三维图形生成和显示技术；
新型人机交互设备的研制；
智能化语音虚拟现实建模；
网络分布式虚拟现实技术的研究与应用。
常见的虚拟现实系统？
仿真驾驶系统；
军事作战系统；
医学；
虚拟城市系统。
实际生活中缺少的应用难点，导致因素：
成本高
CyberGlove是如何工作的？
CyberGlove是一种复杂且昂贵的传感手套，它使用的是线性弯曲传感器。
CyberGlove集成了很薄的电子张力变形测量器，安装在弹性尼龙弯曲材料上，该手套去掉了手掌区域和指尖部分。
手套传感器或者是矩形的（用于测量弯曲角度），或者是U形的（用于测量外展和内收角度）。
手套中有18个到22个传感器，用于测量手指的弯曲（每个手指2个到3个）、外展（每个手指1个）和拇指前置、手掌弧度、手腕的偏航角和俯仰角。
传感器的分辨率为0.5°，并且能够在关节运动的整个范围内保持该分辨率，该手套具有去耦传感器，两个手套的输出互不干扰。
关节角度是通过一对张力变形侧量器电阻的变化间接侧量出的。
在手指运动过程中，一个张力变形测量器处于压力（C）作用下，另一个处于张力（T）作用下。
它们的电阻变化使得Wheatstone桥上的电压产生变化，如图（c）所示。
手套中有许多Wheatstone桥电路，它们产生的不同电压被多路复用、放大，继而通过一个模/数转换器被数字化。
来自18个传感器的手套数据通过RS-232串行线发送给主计算机。
通信速率（当前为115.2kbaud）允许每秒最多发送150个数据集．如果使用滤波（为了减小传感器噪声），采样率将下降到112个数据集，而带有22个传感器的CyberGlove模型会下降得更多。
为了弥补用户手的大小差异带来的误差，以及把张力变形测量器产生的电压转换成关节角度．需要对CyberGlove手套进行校正。
HMD的视场和分辨率有什么关系？
为什么说他们很重要？
头盔显示器把图像投影到用户面前1-5m（3-15ft）的位置，通过放置在HMD小图像面板和用户眼睛之间的特殊光学镜片，能使眼睛聚焦在如此近的距离而不易感到疲劳，同时也能起到放大小面板中的图像的作用，使它尽可能填满人眼的视场（fieldofview，简称FOV），惟一的负面影响是显示器像素之间的距离（A1‑A2）也同时被放大了。
因此，HMD显示器的颗粒度（表达为arc-minutes/pixel）在虚拟图像中变得很明显。
HMD分辨率越低，FOV越高，眼睛视图中对应于每个像素的arc-minutes数目也越大。
但是，FOV过大使得出口瞳孔直径变大，从而在图像边缘产生阴影。
什么是HRTF？
用convolvotron如何实现？
把人放在一个有多个声源（喇叭）的Dome下，在实验者的内耳放置一个微型麦克风。
当喇叭依次打开时，把麦克风的输出存储下来并且进行数字化。
这样，就可以用两个函数（分别对应一只耳朵）测量出对喇叭的响应，称为与头部相关的脉冲响应（head-relatedimpulseresponses，简称HRIR）。
相应的傅里叶变换称为与头部相关的传递函数（head-relatedtransferfunctions，简称HRTF），它捕获了声音定位中用到的所有物理线索。
HRTF依赖于声源的方位角、高度、距离和频率。
对于远声场声音，HRTF只与方位角、高度和频率有关。
每个人都有自己的HRTF，因为任何两个人的外耳和躯干的几何特征都不可能完全相同。
通过实验确定了用户的HRTF,就有可能获得任何声音，将pinnal变换作为有限脉冲响应（finiteimpulseresponse，简称FIR）滤波器，通过耳机给该用户回放声音。
这样，用户就会产生听到了声音的感觉，并且能感觉到这个声音来自放置在空间中相应位置的虚拟扬声器。
这种信号处理技术称为卷积。
实验表明，该技术具有非常高的识别率，特别是当听到的声音是用自己的HRTF生成时，识别率会更高。
一种方法是围绕一些通用的HRTF设计硬件，并且允许因此而出现的错误。
考虑到VR仿真中的高计算负载和实时性要求，这种三维声音生成硬件也是需要的。
对包含6面墙和4个声源的环境，其计算模型需要每秒十亿次运算，这需要有专门的硬件才能保证获得比较好的整体系统响应。
否则CPU将过于饱和，从而会降低图形流的吞吐量。
第一个虚拟三维声音产生器是1988年由CrystalRiverEngineering为NASA签约开发的。
这个实时数据信号处理器称为Convolvotron，由旋转在分离外壳中的一组与PC兼容的双卡组成。
随着数字信号处理（DSP）芯片和微电子技术的进步，现在的convolvotron更加小巧。
它们由处理每个声源的“卷积引擎”组成。
触觉反馈和力反馈有什么不同？
接触反馈传送接触表面的几何结构、虚拟对象的表面硬度、滑动和温度等实时信息。
它不会主动抵抗用户的触摸运动，不能阻止用户穿过虚拟表面。
力反馈提供虚拟对象表面柔顺性、对象的重量和惯性等实时信息。
它主动抵抗用户的触摸运动，并能阻止该运动（如果反馈力比较大）。
设计一个触觉反馈接口需要完成：
首先是用户的安全性和合适性；轻便性和用户的舒适度。
主要设计内容：
实施手控力；手工操作的自由度和灵活性；手的感觉带宽手部触觉反馈的安全性和舒适性。
OpenGL绘制流水线的三个阶段是什么？
如何平衡它们的负载？
openGL的操作可以简单地理解为两个过程：
vertex-processingoperation和pixel-processingoperation，固定功能流水线中对这两个操作都有预设的功能，而在使用shader的时候需要对整个图形流水线有更深
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