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

Multigen Creator，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（Level Of Detail）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、CAD Wall、VR Center、

CA VE、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（Digital Elevation Model）；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（Digital Elevation Models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：①沉浸性②交互性③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：①头盔显示器；②立体眼镜显示系统；③洞穴式立体显示系统；④响应工作台立体显示系统；⑤墙式立体显示系统；⑥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：①充气式触觉反馈装置；②振动式触觉反馈装置；③视觉式触觉反馈装置；④电刺激式触觉反馈装置；⑤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：①多边形；②非均匀有理B样条曲线；③细分曲面技术建模。

10、碰撞检测的方法：①直接检测法；②包围盒检测法；③分割检测法；④Lin-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Level Of Details，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：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。

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。

常见的虚拟现实系统？①仿真驾驶系统；②军事作战系统；③医学；④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115.2 kbaud）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1-5 m(3-15 ft)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(field of view，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-related impulse responses，简称HRIR)。相应的傅里叶变换称为与头部相关的传递函数(head-related transfer functions，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（finite impulse response，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Crystal River Engineering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-processing operation和pixel-processing operation，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的理解。

ertex操作的第一个阶段是为你的场景定义基本的几何信息，这个阶段的输入是一组顶点的信息（就是在绘制的时候使用glVertex*,glNormal*及glTexCoord*等API定义的顶点）以及组定义（一对glBegin和glEnd中间包含的操作）。

第二个阶段是定义容纳整个场景的world坐标并将所有的models放置其中。每个几何图元在放置到world空间中之后，通常需要进行model转换，比如缩放，旋转或者平移变换。

第三个阶段定义了eye空间，这个空间定义你场景中的viewing信息。这个阶段的输入是你定义的viewing环境，通常使用glu函数gluLookAt(...)。

第四个阶段是剪切空间，这个工作是在你将场景投影到视角空间的时候完成的。这个阶段的输入是你的投影定义，或者是按视角定义，或者是按正交定义。第五个阶段是在屏幕空间上用指定的视角信息确定顶点像素信息。有两个基本的操作要做，一是在指定的clip space的边缘进行剪切，完成之后，会有新的顶点添加或者删除，当有剪裁发生时，新的顶点像素会需要插入新的颜色或者插入新的texture坐标，会使用边在渲染过程中同样的插入方式。第二个基本操作是将3D的clip空间中的坐标转换为特定视角下2D的整型视觉空间的坐标。

描述你所知道的图形绘制模式，他们具有那些特征？

基于几何图形绘制技术（GBP)；

基于几何图形混合图像加速的绘制技术；

基于图像绘制技术；

基于几何图形绘制技术（GBP)；特征：主要围绕图形建模和实时图形渲染两个方面进行。

实时图像渲染则主要关心几何裁剪、实时消减和几何元素简化几个方面。

基于几何图形混合图像加速的绘制技术；特征：降低了传统基于几何绘制技术的复杂度，但

仍不能从根本上解决它支持大场景生成时效率低、计算量大、实时性差以及对图形显示设备

要求高等问题。

基于图像绘制技术；特征：基于图像绘制是一门利用已有多视角目标场景图形生成新视角下

虚拟图像的综合运用计算机图形学和计算机视觉等多领域知识的技术。

画出单播LAN 中多用户VR 所使用的网络拓扑，并解释在每种情况下更新信息如何从一个

用户传送到另一个用户。

什么是VR 层次结构？以虚拟手为例，说明如何构造层次结构。

层次定义了作为一个整体一起运动的一组对象，但是各部分也可以独立运动。

层次意味着虚拟对象至少可以分为两级。上一级对象称为父对象，下一级对象称为子对

象。父对象的运动会被其所有的子对象复制，而子对象的运动却不会影响父对象的位置。子

对象通常会在层次中被复制多次（有多个实例）。

父- 子层次在数学上可以用前面介绍过的齐次变换矩阵来描述。一个矩阵在矩阵乘积公

式中的位置与它所表示的层次级别有关。

虚拟手的层次结构为一个手掌父节点和5个手指子节点。因此，当手掌运动时（根据

跟踪器的数据），所有子节点（手指）也随之运动。为了实现一个抓握手势，需要把每个手

指再进一步细分为子结构。手指是第一指关节的父节点，第一指关节是第二指关节的父节

点．而第二指关节又是末梢关节的父节点，如图所示。使用来自传感手套的数据改变手指分

段的位置，可以模拟出虚拟手的动作，这是通过改变手的树图结构中各个节点之间的变换矩

阵Ti ←j(t ）实现的。用下面的公式可以确定指尖在世界坐标系中的位置：

模型分割是如何影响绘制速度的？描述各种模型分割方法，并给出评价。

没找到

绘制流水线几何处理阶段的投影、剪裁和屏幕映射子阶段是如何工作的？试画图说明。

当我们把绘制的图形传递给OpenGL 后，OpenGL 还要做许多才能完成3D 空间到屏幕的

投影。这一系列的过程称为OpenGL 渲染流水线。一般的渲染流水线过程有如下几步： 显

示列表 求值程序 顶点操作 图元装配 像素操作 纹理装配 光栅化 片断操作

OpenGL 建立三维模型的基本步骤

finger receiver receiver source source w fingertipl w T )t (T )t (T )t (T )t (T T )t (T ←←←←←←←=332211

从三维空间到二维平面，就如同用相机拍照一样，通常都要经历以下几个步骤（括号内表示的是相应的图形学概念）

1 将相机置于三角架上，让它对准三维景物（视点变换，Viewing Transformation）；

2 将三维物体放在适当的位置（模型变换，Modeling Transformation ）；

3 选择相机镜头并调焦，使三维物体投影在二维胶片上（投影变换，Projection Transformation ）；

4 决定二维像片的大小（视口变换，Viewport Transformation ）。

这样，一个三维空间里的物体就可以用相应的二维平面物体表示了，也就能在二维的计算机屏幕上正确显示了。

1、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。

2、虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的。

3、虚拟现实技术应该具备的三个特征:Immersion(沉浸) Interaction(交互) Imagination(想象)

ppt:沉浸性，交互性，构想性，多感知性

4、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

ppt:检测模块，反馈模块，传感器模块，控制模块，建模模块

5、从虚拟现实技术的相关概念可以看出，虚拟现实技术在人机交互方面有了很大的改进。常被称之为“基于自然的人机界面”计算机综合技术，是一个发展前景非常广阔的新技术。

6、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。

7、有关虚拟现实的输入设备主要分为两类。三维位置跟踪器ppt:基于自然的交互设备，三维定位跟踪设备

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

9、三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键设备之一，一般要跟踪参与对象的宽度、高度、深度、俯仰角(pitch)、转动角(yaw)和偏转角（roll）,我们称为6自由度（6DOF）。

10、空间位置跟踪技术有多种，常见的跟踪系统有机械跟踪器\电磁跟踪器\超声波跟踪器\惯性跟踪器\光学跟踪器。

11、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尖端医学和军事领域。

12、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。现已有多种方法与手段进行实现。主要有互补色\偏振光\时分式\光栅式\真三维显示 .

12、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。

13、HMD（Head_Mounted_Display）,头盔式显示器，主要组成是显示元件\ 光学系统

14、洞穴式立体显示装置（CAVE Computer Automatic Virtual Enviroment）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主要组成由高性能图形工作站\投影设备\跟踪系统\声音系统。

13、三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模技术，分别是基于物体的几何信息来描述物体模型的建模方法、涉及到物体的物理属性，行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作原理。

14、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，常利用的方法有纹理映射\反走样 \环境映射。

15、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:预测计算法、脱机计算法、3D剪切法、可见消隐法、细节层次模型法。其中细节层次模型法应用较为普遍。

16、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，但其中的层次包围盒法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。

实时绘制技术\场景简化\快速消隐\纹理化对象\限时绘制\

17、VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。

18、分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality, DVR)：位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，进行信息共享和交互。

一、19、ＨＭＤ：头盔显示器是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接

受来自主填空题

1.虚拟现实的本质特征：Immersion(沉浸) Interaction(交互) Imagination(构想)，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、几何建模。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.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（CA VE Computer Automatic Virtual Enviroment）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,CA VE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

目标：是在降低场景的显示质量情况下，尽量简化场景物体的表示，以减少渲染场景的算法时

间，降低空间复杂度，并同时减少绘制场景物体所占的设备资源和处理时间。

设计思想：在虚拟现实中，场景的组织与管理一般通过场景图来完成，场景图是一种将场景中

的各种数据以图的形式组织在一起的场景数据管理方式。

3.简述虚拟现实引擎的架构

架构主要包括图形计算，逻辑控制，数据处理，业务响应，外围硬件接口，二次开发SDK，图形计算。

4.简述基于场景包围体的场景组织技术

常用的场景物体包围体技术有五大类：包围球，AABB盒，结合使用包围球和AABB包围体，OBB盒和物体的凸包围体。

包围球就是包围物体的最小球体。任意物体的包围球的中心位于物体的重心（即物体的一阶矩），它的直径是物体表面各点之间的距离的最大值。

AABB（轴平行包围盒）结构是平行于坐标轴的包围物体的最小长方体。AABB层次包围盒树，是基于AABB结构构建的层次结构二叉树。

结合使用包围球和AABB包围体。在应用中，由于效率的考虑将二者结合起来。

OBB（有向包围盒）本质上是一个最贴近物体的长方体，只不过该长方体可以根据物体的一阶矩任意旋转。

物体的凸包围体，是最广泛的一种有用的包围体类型。凸包由一组平面定义，这些平面的法线由里指向外。

5.简述场景绘制的主要几何剖分技术及其特点。

主要几何剖分技术包括BSP树、四叉树、八叉树、均分八叉树等。

BSP（空间二叉剖分树）是三维引擎中常用的空间剖分技术，它能应用在深度排序、碰撞检测、绘制、节点裁剪和潜在可见集的计算，极大地加速了三维场景的漫游。

四叉树是一个经典的空间剖分方法。对可以转换为二维的场景，能有效地使用四叉树进行管理。

与二维平面上的均匀剖分相比，四叉树的优点是能提供层次剔除，还能用于加速场景的碰撞检测。

八叉树是另一种有效的三维数据结构，它的构建时间比BSP树短，且容易使用。

三维均匀八叉树剖分将场景均匀地剖分成指定的层次，它可以看成八叉树的一个规则版本，或者说是八叉树是三维均分剖分的一个自适应版本。三维均匀剖分的好处在于构造极为简单，遍历方便，但是存储量比八叉树大。

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115.2 kbaud）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1-5 m(3-15 ft)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(field of view，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Level Of Details，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、CAD Wall、VR Center、CA VE、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

机的3DVR图形信号。

20、简述虚拟现实系统中有哪些主要技术？

1 立体显示技术

2 环境建模技术

3 真实感图形绘制技术

4 三维虚拟声音的实现技术

5 自然交互与传感技术

6 实时碰撞检测技术

VR系统的典型硬件组成: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