虚拟现实技术导论 习题答案或解题思路 梁晓辉

《虚拟现实技术导论》习题解题思路第1章概论1.虚拟现实的概念是什么？其主要特征是什么？目前，学术界关于虚拟现实的概念与定义并不统一。本书中的虚拟现实是指：“采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的3D虚拟环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。”学术界和产业界将虚拟现实的典型特征概括为3I，即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和构想（Imagination）。实际上，这些典型特征体现了虚拟现实的两个重要特点：3D及交互。从科学研究的角度，虚拟现实又具有以下3个主要特点：依托的学科多、应用型强，以及高度以来数据资源和计算资源。2.构造虚拟环境的主要过程是什么？虚拟现实系统的构建过程包括建模与渲染两大环节。其中，建模又可分为几何建模、物理建模与行为建模；渲染则包括视觉渲染、听觉渲染与触觉渲染等。此外，还需要为用户使用提供人机交互界面。这里所使用的通用技术主要包括计算机图形学、计算机视觉与人机交互。此外，对复杂虚拟现实系统，还要设计分布式架构。3.你认为构造虚拟环境的难点是什么？本题是开放性问题，没有标准答案。读者可以从建模、渲染、性能优化、用户交互设计、多感官反馈、硬件兼容性、安全性和隐私、可访问性和包容性、成本控制、社区互动等方面展开回答。第2章概论1.安装Unity，了解其主要功能。Unity的安装方式请参考官网及相应文档：/releases。一般来说，Windows平台推荐安装UnityHub以及VisualStudio（提供C#组件）；MacOS类似，只不过需要安装VisualStudioforMac。Linux对Unity的支持没有Windows或macOS全面，具体安装请查看官方文档或社区论坛以获得帮助。2.了解HTCVive、MicrosoftHololens的主要特点。HTCVive是一款由HTC公司与Valve合作开发的高端虚拟现实（VR）头戴显示设备。主要特点包括高分辨率显示、110°视野、基于Lighthouse的房间尺度追踪、多传感器的运动追踪、无线控制器、与SteamVR的兼容性等。具体特性可参考官方文档或社区论坛。MicrosoftHololens是一款混合现实（MixedReality,MR）头戴显示设备。主要特点包括混合现实技术、无须外部传感器、空间映射、手势控制、眼动追踪等。具体特性可参考官方文档或社区论坛。3.了解ARKits、ARCore的主要功能。ARKit是苹果公司开发的一款用于iOS设备的增强现实（AugmentedReality,AR）框架。它允许开发者在iOS应用中轻松集成AR功能。其主要功能包括：设备运动追踪：ARKit使用设备的摄像头和传感器来追踪设备在空间中的位置和运动。环境理解：ARKit能够识别和理解现实世界中的水平面和垂直面，如地面、桌面、墙壁等。3D物体检测：某些版本的ARKit具备识别和追踪3D物体的能力。面部追踪：ARKit可以识别和追踪人脸的特征，用于面部滤镜和动画。深度信息：利用TrueDepth摄像头，ARKit能够获取场景的深度信息。光照估计：ARKit能够估计场景的光照条件，使虚拟对象的光影效果更加自然。动画和物理：支持在AR环境中添加动画效果和物理效果，如重力、碰撞等。模型和纹理：支持复杂的3D模型和高质量纹理，提供丰富的视觉体验。开发者API：提供了一系列API供开发者使用，以便创建定制的AR体验。与Unity和UnrealEngine集成：ARKit可以与Unity和UnrealEngine集成，简化开发流程。ARCore是谷歌开发的一款用于Android设备和iOS设备的增强现实（AugmentedReality,AR）平台。其主要功能与ARKits类似，不过适用的操作系统更广一些。第3章虚拟现实建模及相关技术1.在Unity中构造包括陆地、海洋、植物等的虚拟环境。Unity中提供了地形工具“Terrian”来创建地形，调整地形的大小和分辨率；可使用“PaintTerrian”工具添加不同的高度图来形成山脉、平原等地形特征。在此基础桑，可以使用“Texture”和“Material”给地形添加纹理和材质，使地形呈现出草地、土壤、沙子等效果。对于地形，使用透明或半透明的材质，即可模拟水面，并可添加波浪效果。同时，使用“Terrian”工具中的“PaintTrees”可以添加树木和植被，并可调整植被的密度和分布。2.在Unity中添加人物，并制作动画。通常可以利用Unity的资源商店来下载人物3D模型并导入项目。这些模型以.fbx或.obj格式提供。通过将模型文件拽入Assets面板中来导入。在Assets中，通过检查其在Inspector面板中的设置，包括网格、材质和动画等，将其调整为想要的样式。Unity为人物创建动画有两种方式。第一种是使用动画组件（Animation）。动画组件Animation是Unity从旧版本延续下来的动画系统。它的使用流程比较简单，为模型添加Animation组件，然后通过动画剪辑修改关键帧，最后为Animation组件应用该动画剪辑即可。Animation系统在制作一些简单动画的时候十分方便，但是当动画的数量增多，如一个角色包含几十种甚至上百种动画的情况下，Animation系统就比较吃力的。新版动画系统（Animator）可以方便管理大量动画及动画间的切换和过渡，同时也区分了普通动画和人物骨骼动画。每一个Animator组件都会关联一个动画控制器文件，在动画控制器文件中，可以设定Animator组件中包含的动画与动画之间的过渡、动画属性及动画层等多种动画功能，使用起来十分方便。和Animation一样，需要通过“动画-动画”菜单打开动画面板创建一个动画剪辑；区别在于创建一个新的动画剪辑后，会自动在项目面板中创建动画控制器，并关联到Animator组件中。也可以通过手动创建“动画器控制器”命令来手动创建动画控制器并与Animator组件关联。在动画控制器中，一般会导入多个状态，状态之间的切换就需要通过脚本来控制：3.通过Kinect获取室内场景，并构造室内模型。Kinect可以捕捉室内空间中的深度信息以及彩色图像，非常适用于室内场景的三维扫描和建模。使用Kinect构造室内模型的基本步骤包括：环境准备：确保室内环境有足够光照，因为Kinect以来红外传感器和彩色相机来捕捉信息；设置Kinect：将Kinect放置在合适的位置，确保它可以覆盖整个室内空间；捕捉数据：可以使用KinectSDK中的应用程序或自己编写程序来捕捉室内场景的彩色图像和深度数据；数据配准：利用KinectSDK提供的应用程序或自己编写程序确保彩色图像和深度数据在时间和空间上同步；数据预处理：对捕捉到的数据进行预处理，包括去噪、滤波等；生成点云：将深度数据转换为点云；点云处理：使用点云处理软件（如MeshLab，Blender）或程序处理和优化点云数据；构建网格：将点云数据转换为三角网格，一般通过表面重建算法，如泊松重建来实现；纹理映射：将捕捉到的彩色图像映射到网格上；后处理：对生成的3D模型进一步优化，包括减少多边形数量、平滑表面和修复空洞等。第4章虚拟现实建模及相关技术1.在Unity中制作火、烟等特效。Unity提供了粒子系统来模拟火、烟等特效。粒子系统由粒子和发射器两部分组成。粒子都是由发射器创建并发射的。粒子系统的运行类似烟花、香水、喷雾剂。在粒子系统中，我们通过设置发射器的形状、速度和存活时间等各种属性，然后进行不同搭配来产生出丰富多样的粒子效果。创建粒子系统前，需要先添加一些粒子样式。可以在资源商店中通过导入官方提供的StandardAssets资源包得到。这些粒子系统本身就是预制件，可以在场景视图中进行预览；在层级面板中创建粒子系统可以创建一个基本的粒子系统。2.利用ARKits或ARCore，添加虚拟人物动画、烟火特效。由于ARKit和ARCore均提供了对Unity的支持，因此建议利用Unity的ARFoundation（Unity的跨平台AR应用接口）来开发。其中，人物动画和烟火特效制作方式和上题类似。最终利用Unity的跨平台能力发布到AppStore火GooglePlay上，或通过第三方渠道（.apk安装包）分享。3.利用八叉树或层次包围盒树构造场景图。八叉树（Octree）和层次包围盒树（BoundingVolumeHierarchy,BVH）是两种常见的空间分割数据结构，用于高效地管理和渲染复杂的3D场景。以下是利用这两种数据结构构造场景图的方法：八叉树构造场景图：首先创建一个八叉树节点类，每个节点包含一个包围盒（通常是一个立方体或长方体），以及最多八个子节点；接着，分析场景中的所有对象，确定它们的包围盒。再接着，从根节点开始，根据对象的包围盒将它们分配到相应的子节点中。如果一个节点中的物体数量超过预设的阈值，或者达到了最大深度，停止分割。递归地将对象分配到子节点，并为每个子节点创建新的包围盒。由此构建出场景的八叉树结构。注意要确保八叉树平衡，避免某些节点过载而其他节点空闲。在渲染过程中，只渲染摄像机视锥体内的节点，减少渲染计算量。为实现这一功能，还需要设计空间查询算法，如碰撞检测，只查询与查询区域相交的八叉树节点。BVH构造场景图：BVH构造场景图的方式和八叉树类似，首先创建BVH节点，每个节点包含一个包围盒，以及子节点（可以是叶子节点或内部节点）。接着，选择分割轴，确定沿着哪个轴（X，Y或Z）进行分割，通常选择包围盒最长的轴。接着，将场景中的对象集合按选择的轴分割为两部分，每部分具有自己的包围盒。对每部分递归地应用分割过程，直到达到叶子节点。叶子结点包含实际的3D模型或对象。由此构造出BVH树。在这一过程中，同样要注意优化BVH树以减少节点数量和不平衡向，提高渲染和查询效率。在渲染时，利用BVH快速剔除不在视锥体内的节点。在进行空间查询时，如光线投射或碰撞检测，只考虑与查询相交的节点。第5章虚拟现实前沿性方向1.增强现实与虚拟现实有何不同？二者在关键技术方面差异主要在哪里？增强现实技术是随着虚拟现实技术的发展而产生的，二者之间存在不可分割的纽带关系。虽然它们所需要的基础技术相同，但也存在一些区别。如前所述，虚拟现实综合了建模技术、渲染技术、人机交互技术、传感技术等，使得用户从感官效果上沉浸在一个虚拟环境中。而增强现实则主要借助显示技术、人机交互技术、传感技术和计算机视觉技术等将计算机生成的虚拟环境或物体与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上分辨不出虚拟和真实的部分。基于此，与虚拟现实应用最终希望真实地模拟现实世界不同，增强现实应用的最终目的是利用附加的信息去增强用户对真实世界的观察和感知。增强的信息既可以是虚拟的三维模型，也可以是真实物体的非几何信息，例如路标、文字提示等。二者在关键技术方面的差异主要表现为以下三方面：（1）对沉浸感的要求不同。VR系统强调用户在虚拟环境中视听觉、触觉等完全沉浸，这往往需要借助于能够将用户视听觉与现实环境隔离的设备，如沉浸式头盔显示器（ImmersiveHead-MountedDisplay，IHMD）。与之相反的是，AR系统不仅不隔离现实环境，还强调用户在现实环境的存在感，并努力维持用户视听觉等感官效果的不变形。这就需要借助能将虚拟环境与真实环境融合的设备，如透视式头盔显示器（See-ThroughHead-MountedDisplay，STHMD）。（2）注册（Registration）。在沉浸式VR系统中，“注册”强调呈现给用户的虚拟环境与用户各种感官的匹配，例如用户推开一扇虚拟的门，用户所看到的就应该是屋内的场景；一列虚拟火车向用户驶来，用户听到的鸣笛声就应该是由远及近的。这里所谓的“注册”主要是指用户视听觉系统与其他感官系统以及用户本体感受之间的一致性。然而，AR系统中的“注册”概念来源于计算机视觉，主要是指用户在真实环境中运动过程中维持正确的视点“对准”关系。例如，在现实环境中叠加显示了一个虚拟的餐桌，用户在行走过程中看到的餐桌应该随视点正确变化，并且产生与真实环境一致的光照变化。（3）对系统计算能力的要求不同。一般来说，要求VR系统精确再现我们周围的简单环境也需要付出巨大的代价。这主要体现在两方面，一方面，虚拟环境的建模与渲染本身需要巨大的人力成本与计算开销；另一方面，显示环节的实时性对数据传输提出了苛刻的要求。当前技术条件下，虚拟环境的逼真程度还未能匹配上人的感官能力。AR技术相较而言要求较低，盖因其主要是在充分利用周围业已存在的真实环境的基础上扩充一些附加信息，这就大大降低了对计算能力的要求。2.智能化对虚拟现实、增强现实有哪些影响？该题是开放性问题，没有标准答案。可以从以下几个方面展开论述：内容创造。利用AI算法自动生成VR和AR内容，主要体现在智能化建模方面；用户交互性增强。利用AI算法，如NLP、CV登记书实现语音智能识别、手势识别等，提升用户的交互体验；场景理解与分析。利用智能化技术可以使VR/AR系统更好地理解用户当前所处场景，提供更加精准的空间定位和物体识别；智能推荐