虚拟现实题库及部分答案.docx

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虚拟现实题库及部分答案

一、填空题

1.虚拟现实的本质特征：

Immersion（沉浸）Interaction（交互）Imagination（想象），其中沉浸是最弱的，是虚拟现实最重要的技术特征。

2.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。

3.虚拟对象建模包括：

几何建模、图像建模、图像与几何相结合建模、视觉外观设计建模。

4.虚拟环境建模包括：

物理建模、行为建模、运动建模、声音建模。

其中分形技术属于物理建模。

5.几何建模的方法包括：

多边形；非统一有理B样条；构造立体几何。

6.虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。

7.一个典型的虚拟现实系统的组成主要由:

头盔显示设备、多传感器组、力反馈装置构成。

8.根据虚拟现实对“沉浸性”程度和交互程度的不同，可把虚拟现实系统划分为四种典型类型，沉浸式、桌面式、增强式、分布式。

9.正是由于人类两眼的视差，使人的大脑能将两眼所得到的细微差别的图像进行融合，从而在大脑中产生有空间感的立体物体视觉。

10.在虚拟现实系统的输入部分，基于自然交互设备主要有力反馈设备、数据手套、三维鼠标。

二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

1.以下属于视觉感知设备的有（ABCDEF）

A.头盔显示器B.立体眼镜显示系统C.洞穴式立体显示系统

D.响应工作台立体显示系统E.墙式立体显示系统F.裸眼立体显示系统

2.触觉反馈设备不包括（E）

A.充气式触觉反馈装置；B.振动式触觉反馈装置；C.视觉式触觉反馈装置；

D.电刺激式触觉反馈装置；E.声波触觉反馈装置F.神经肌肉刺激式触觉反馈装置

3.HMD（Head_Mounted_Display）即头盔式显示器，主要组成是（CD）

A.显示元件B.光学系统C.触觉元件D.听觉系统

4.空间位置跟踪技术有多种，常见的跟踪系统有（ABCDE）

A.机械跟踪器B.电磁跟踪器C.超声波跟踪器D.惯性跟踪器

E.光学跟踪器

5.所谓力反馈，是运用先进的技术手段将虚拟物体的空间无能运动转变成物理设备的机械运动，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面。

该项技术最早应用于（AB）

A.尖端医学B.军事领域C.房地产领域D.教育仿真

6.立体显示技术是虚拟现实系统的一种极为重要的支撑技术，要实现立体的显示，现有多种方法与手段进行实现。

主要有（ABCDE）

A.互补色B.偏振光C.时分式D.光栅式E.真三维显示F.全息影像

7.为了保证虚拟环境的真实性，常需要对虚拟物体进行碰撞检测，实现方法有多种但其中的（B）方法是碰撞检测算法中广泛使用的一种方法，它是解决碰撞检测问题复杂性的一种有效方法。

A.直接检测法B.包围盒检测法C.分割检测法D.Lin-Canny检测法，

8.洞穴式立体显示装置（CAVEComputerAutomaticVirtualEnviroment）系统是一套基于高端计算机的多面式的房间式立体投影解决方案,CAVE主要由（ABC）组成:

A.高性能图形工作站B.投影设备C.跟踪系统D.声音系统

9.在真实感实时绘制技术中，为了提高显示的逼真度，加强真实性，常利用的方法有（ABC）

A.纹理映射B.反走样C.环境映射D.细节层次模型法

10.在基于几何图形的实时绘制技术实现过程中，目前有下面几种用来降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的方法，其中（C）法应用较为普遍。

A.预测计算法B.脱机计算法C.细节层次模型法D.可见消隐法E.3D剪切法

三、简答题

1.简述虚拟现实系统中的主要技术和典型硬件组成。

答：

主要技术：

立体显示技术、环境建模技术、真实感图形绘制技术、三维虚拟声音的实现技术、自然交互与传感技术、实时碰撞检测技术。

典型硬件：

显示和观察设备、交互设备、传感设备、三维立体声系统、三维数据获取设备。

2.阐述场景管理的目标及设计思想

3.简述虚拟现实引擎的架构

4.简述基于场景包围体的场景组织技术

5.简述场景绘制的主要几何剖分技术及其特点。

6.什么是虚拟现实技术？

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。

7.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）。

8.什么是消隐技术？

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。

9.什么是景深技术？

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。

10.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。

11.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，破获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。

12.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

四、综合题

1.描述CyberGlove数据手套是如何工作的？

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。

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。

2.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。

3.什么叫LOD？

阐述其基本思想、作用及应用。

1）LOD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。

2）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。

3）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。

4）LOD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。

4.描述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。

5.论述关于虚拟现实的构成部分、应用方向、发展方向及趋势？

1）构成部分：

1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

2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

3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④数据库：

存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。

2）应用方向：

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娱乐领域应用仿真驾驶系统；

3）发展方向：

1动态环境建模技术；

2实时三维图形生成和显示技术；

3新型人机交互设备的研制；

4智能化语音虚拟现实建模；

5网络分布式虚拟现实技术的研究与应用。

4）发展趋势：

1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。

2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。

6.从以下几个案例系统中任选一个案例论述其虚拟现实系统的应用现状、构建方法、关键技术及发展趋势（限500—800字左右）。

1驾驶仿真系统

2军事作战模拟系统

3虚拟手术系统

4虚拟城市系统

53D游戏制作

驾驶仿真系统

应用现状

目前汽车驾驶仿真系统主要应用于：

1）院校汽车相关专业数字汽车科研与教学。

2）院校科研单位交通、飞行、运输等相关专业科研与仿真体验；

3）科博管汽车仿真数字体验展相；

4）驾校的新式培训手段；

5）大型工业企业驾驶技术人工虚拟培训；

6）越野、坦克作战等单兵和协同实战演习;

构建方法

汽车驾驶仿真系统的构建由硬件和软件两部分组成。

硬件设备由模拟驾驶舱、操纵控制系统、仪表系统、多媒体计算机及音响系统等构成。

软件系统包括道路环境的计算机实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，操作评价，数据管理，网络控制，操作平台等。

由于本系统可以放入实车进行实验，因而在没有力和反馈装置的条件下，对于汽车运动控制的模拟主要由实车部件中的方向盘、油门、离合、刹车和档位操作来完成。

软件中视景仿真系统的构建是在Windows操作系统环境下,通过VIRTOOLS调用3DSMax建立和处理的模型来完成的。

关键技术

汽车驾驶仿真系统在模型优化过程中所用到的几种关键技术：

1）MIP纹理映射技术。

使用纹理映射技术对模型进行处理来达到显示真实感的效果和要求。

2）LOD模型简化技术。

LOD技术是可根据物体与视点的距离来选择显示不同细节层次的模型，从而加快系统图形处理和渲染的速度。

3）BSP消隐处理技术。

使用图形的消隐处理技术，能正确物体处理遮挡关系，使三维物体的对应位置关系在二维显示器上得到正确的反映。

4）Instance实例建模技术。

实例技术（Instance）就是将多个外观一致的物体以同一个样例存入内存，使用时从同一块内存区域提取数据。

5）汽车运动仿真技术。

根据系统所要实现的功能要求，汽车要能够进行前进、后退行驶，转向和上下坡的俯仰等运动

6）汽车运动管理技术。

在汽车运动管理技术中引用人工智能的一个分支--专家系统，来管理汽车的运动。

7）模型生成技术。

利用计算机实时图像生成技术，产生车辆行驶过程中驾驶员所看到的虚拟三维场景，它是影响一个汽车驾驶仿真系统沉浸感的关键因素。

发展趋势

1复合型驾驶仿真系统的研究

目前驾驶仿真系统研的究内容还不能从整体上集中反映驾驶员应有的全部特性。

因此，能够全面反映驾驶员对道路、汽车、环境的心理和生理感受的虚拟系统，建立多源信息协同认知的复合型驾驶员模型应该是今后驾驶仿真系统的主要发展方向之一。

2特殊驾驶仿真系统的研究

针对不同类型汽车的某些特殊行驶状态，尤其是汽车处于危险情形，研究驾驶员应该做出的操纵行为，并将研究结论用于汽车的自动驾驶中，将会显著地提高汽车安全性能，减少交通事故的发生。

故特殊驾驶员仿真模型也是一个主要研究的方向。

3驾驶仿真系统的实用化研究

随着计算机、通信、信息处理、传感等相关技术的发展，国内外学者已经开发出智能交通系统、车辆自动智能巡航系统、驾驶员疲劳监测仪器等各式各样智能产品。

但是，这些产品目前除了智能交通系统外，其他产品大多还处于试验与研究阶段，实际运用比较少。

所以其实用化研究将是其另一个主要发展方向。

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