虛擬現(xiàn)實技術(shù)導論 習題答案或解題思路 梁曉輝_第1頁
虛擬現(xiàn)實技術(shù)導論 習題答案或解題思路 梁曉輝_第2頁
虛擬現(xiàn)實技術(shù)導論 習題答案或解題思路 梁曉輝_第3頁
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《虛擬現(xiàn)實技術(shù)導論》習題解題思路第1章概論1.虛擬現(xiàn)實的概念是什么?其主要特征是什么?目前,學術(shù)界關(guān)于虛擬現(xiàn)實的概念與定義并不統(tǒng)一。本書中的虛擬現(xiàn)實是指:“采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的一定范圍的3D虛擬環(huán)境,用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進行交互作用、相互影響,從而獲得親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗?!睂W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界將虛擬現(xiàn)實的典型特征概括為3I,即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和構(gòu)想(Imagination)。實際上,這些典型特征體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的兩個重要特點:3D及交互。從科學研究的角度,虛擬現(xiàn)實又具有以下3個主要特點:依托的學科多、應用型強,以及高度以來數(shù)據(jù)資源和計算資源。2.構(gòu)造虛擬環(huán)境的主要過程是什么?虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)建過程包括建模與渲染兩大環(huán)節(jié)。其中,建模又可分為幾何建模、物理建模與行為建模;渲染則包括視覺渲染、聽覺渲染與觸覺渲染等。此外,還需要為用戶使用提供人機交互界面。這里所使用的通用技術(shù)主要包括計算機圖形學、計算機視覺與人機交互。此外,對復雜虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),還要設(shè)計分布式架構(gòu)。3.你認為構(gòu)造虛擬環(huán)境的難點是什么?本題是開放性問題,沒有標準答案。讀者可以從建模、渲染、性能優(yōu)化、用戶交互設(shè)計、多感官反饋、硬件兼容性、安全性和隱私、可訪問性和包容性、成本控制、社區(qū)互動等方面展開回答。第2章概論1.安裝Unity,了解其主要功能。Unity的安裝方式請參考官網(wǎng)及相應文檔:/releases。一般來說,Windows平臺推薦安裝UnityHub以及VisualStudio(提供C#組件);MacOS類似,只不過需要安裝VisualStudioforMac。Linux對Unity的支持沒有Windows或macOS全面,具體安裝請查看官方文檔或社區(qū)論壇以獲得幫助。2.了解HTCVive、MicrosoftHololens的主要特點。HTCVive是一款由HTC公司與Valve合作開發(fā)的高端虛擬現(xiàn)實(VR)頭戴顯示設(shè)備。主要特點包括高分辨率顯示、110°視野、基于Lighthouse的房間尺度追蹤、多傳感器的運動追蹤、無線控制器、與SteamVR的兼容性等。具體特性可參考官方文檔或社區(qū)論壇。MicrosoftHololens是一款混合現(xiàn)實(MixedReality,MR)頭戴顯示設(shè)備。主要特點包括混合現(xiàn)實技術(shù)、無須外部傳感器、空間映射、手勢控制、眼動追蹤等。具體特性可參考官方文檔或社區(qū)論壇。3.了解ARKits、ARCore的主要功能。ARKit是蘋果公司開發(fā)的一款用于iOS設(shè)備的增強現(xiàn)實(AugmentedReality,AR)框架。它允許開發(fā)者在iOS應用中輕松集成AR功能。其主要功能包括:設(shè)備運動追蹤:ARKit使用設(shè)備的攝像頭和傳感器來追蹤設(shè)備在空間中的位置和運動。環(huán)境理解:ARKit能夠識別和理解現(xiàn)實世界中的水平面和垂直面,如地面、桌面、墻壁等。3D物體檢測:某些版本的ARKit具備識別和追蹤3D物體的能力。面部追蹤:ARKit可以識別和追蹤人臉的特征,用于面部濾鏡和動畫。深度信息:利用TrueDepth攝像頭,ARKit能夠獲取場景的深度信息。光照估計:ARKit能夠估計場景的光照條件,使虛擬對象的光影效果更加自然。動畫和物理:支持在AR環(huán)境中添加動畫效果和物理效果,如重力、碰撞等。模型和紋理:支持復雜的3D模型和高質(zhì)量紋理,提供豐富的視覺體驗。開發(fā)者API:提供了一系列API供開發(fā)者使用,以便創(chuàng)建定制的AR體驗。與Unity和UnrealEngine集成:ARKit可以與Unity和UnrealEngine集成,簡化開發(fā)流程。ARCore是谷歌開發(fā)的一款用于Android設(shè)備和iOS設(shè)備的增強現(xiàn)實(AugmentedReality,AR)平臺。其主要功能與ARKits類似,不過適用的操作系統(tǒng)更廣一些。第3章虛擬現(xiàn)實建模及相關(guān)技術(shù)1.在Unity中構(gòu)造包括陸地、海洋、植物等的虛擬環(huán)境。Unity中提供了地形工具“Terrian”來創(chuàng)建地形,調(diào)整地形的大小和分辨率;可使用“PaintTerrian”工具添加不同的高度圖來形成山脈、平原等地形特征。在此基礎(chǔ)桑,可以使用“Texture”和“Material”給地形添加紋理和材質(zhì),使地形呈現(xiàn)出草地、土壤、沙子等效果。對于地形,使用透明或半透明的材質(zhì),即可模擬水面,并可添加波浪效果。同時,使用“Terrian”工具中的“PaintTrees”可以添加樹木和植被,并可調(diào)整植被的密度和分布。2.在Unity中添加人物,并制作動畫。通??梢岳肬nity的資源商店來下載人物3D模型并導入項目。這些模型以.fbx或.obj格式提供。通過將模型文件拽入Assets面板中來導入。在Assets中,通過檢查其在Inspector面板中的設(shè)置,包括網(wǎng)格、材質(zhì)和動畫等,將其調(diào)整為想要的樣式。Unity為人物創(chuàng)建動畫有兩種方式。第一種是使用動畫組件(Animation)。動畫組件Animation是Unity從舊版本延續(xù)下來的動畫系統(tǒng)。它的使用流程比較簡單,為模型添加Animation組件,然后通過動畫剪輯修改關(guān)鍵幀,最后為Animation組件應用該動畫剪輯即可。Animation系統(tǒng)在制作一些簡單動畫的時候十分方便,但是當動畫的數(shù)量增多,如一個角色包含幾十種甚至上百種動畫的情況下,Animation系統(tǒng)就比較吃力的。新版動畫系統(tǒng)(Animator)可以方便管理大量動畫及動畫間的切換和過渡,同時也區(qū)分了普通動畫和人物骨骼動畫。每一個Animator組件都會關(guān)聯(lián)一個動畫控制器文件,在動畫控制器文件中,可以設(shè)定Animator組件中包含的動畫與動畫之間的過渡、動畫屬性及動畫層等多種動畫功能,使用起來十分方便。和Animation一樣,需要通過“動畫-動畫”菜單打開動畫面板創(chuàng)建一個動畫剪輯;區(qū)別在于創(chuàng)建一個新的動畫剪輯后,會自動在項目面板中創(chuàng)建動畫控制器,并關(guān)聯(lián)到Animator組件中。也可以通過手動創(chuàng)建“動畫器控制器”命令來手動創(chuàng)建動畫控制器并與Animator組件關(guān)聯(lián)。在動畫控制器中,一般會導入多個狀態(tài),狀態(tài)之間的切換就需要通過腳本來控制:3.通過Kinect獲取室內(nèi)場景,并構(gòu)造室內(nèi)模型。Kinect可以捕捉室內(nèi)空間中的深度信息以及彩色圖像,非常適用于室內(nèi)場景的三維掃描和建模。使用Kinect構(gòu)造室內(nèi)模型的基本步驟包括:環(huán)境準備:確保室內(nèi)環(huán)境有足夠光照,因為Kinect以來紅外傳感器和彩色相機來捕捉信息;設(shè)置Kinect:將Kinect放置在合適的位置,確保它可以覆蓋整個室內(nèi)空間;捕捉數(shù)據(jù):可以使用KinectSDK中的應用程序或自己編寫程序來捕捉室內(nèi)場景的彩色圖像和深度數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)配準:利用KinectSDK提供的應用程序或自己編寫程序確保彩色圖像和深度數(shù)據(jù)在時間和空間上同步;數(shù)據(jù)預處理:對捕捉到的數(shù)據(jù)進行預處理,包括去噪、濾波等;生成點云:將深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點云;點云處理:使用點云處理軟件(如MeshLab,Blender)或程序處理和優(yōu)化點云數(shù)據(jù);構(gòu)建網(wǎng)格:將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格,一般通過表面重建算法,如泊松重建來實現(xiàn);紋理映射:將捕捉到的彩色圖像映射到網(wǎng)格上;后處理:對生成的3D模型進一步優(yōu)化,包括減少多邊形數(shù)量、平滑表面和修復空洞等。第4章虛擬現(xiàn)實建模及相關(guān)技術(shù)1.在Unity中制作火、煙等特效。Unity提供了粒子系統(tǒng)來模擬火、煙等特效。粒子系統(tǒng)由粒子和發(fā)射器兩部分組成。粒子都是由發(fā)射器創(chuàng)建并發(fā)射的。粒子系統(tǒng)的運行類似煙花、香水、噴霧劑。在粒子系統(tǒng)中,我們通過設(shè)置發(fā)射器的形狀、速度和存活時間等各種屬性,然后進行不同搭配來產(chǎn)生出豐富多樣的粒子效果。創(chuàng)建粒子系統(tǒng)前,需要先添加一些粒子樣式。可以在資源商店中通過導入官方提供的StandardAssets資源包得到。這些粒子系統(tǒng)本身就是預制件,可以在場景視圖中進行預覽;在層級面板中創(chuàng)建粒子系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個基本的粒子系統(tǒng)。2.利用ARKits或ARCore,添加虛擬人物動畫、煙火特效。由于ARKit和ARCore均提供了對Unity的支持,因此建議利用Unity的ARFoundation(Unity的跨平臺AR應用接口)來開發(fā)。其中,人物動畫和煙火特效制作方式和上題類似。最終利用Unity的跨平臺能力發(fā)布到AppStore火GooglePlay上,或通過第三方渠道(.apk安裝包)分享。3.利用八叉樹或?qū)哟伟鼑袠錁?gòu)造場景圖。八叉樹(Octree)和層次包圍盒樹(BoundingVolumeHierarchy,BVH)是兩種常見的空間分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于高效地管理和渲染復雜的3D場景。以下是利用這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造場景圖的方法:八叉樹構(gòu)造場景圖:首先創(chuàng)建一個八叉樹節(jié)點類,每個節(jié)點包含一個包圍盒(通常是一個立方體或長方體),以及最多八個子節(jié)點;接著,分析場景中的所有對象,確定它們的包圍盒。再接著,從根節(jié)點開始,根據(jù)對象的包圍盒將它們分配到相應的子節(jié)點中。如果一個節(jié)點中的物體數(shù)量超過預設(shè)的閾值,或者達到了最大深度,停止分割。遞歸地將對象分配到子節(jié)點,并為每個子節(jié)點創(chuàng)建新的包圍盒。由此構(gòu)建出場景的八叉樹結(jié)構(gòu)。注意要確保八叉樹平衡,避免某些節(jié)點過載而其他節(jié)點空閑。在渲染過程中,只渲染攝像機視錐體內(nèi)的節(jié)點,減少渲染計算量。為實現(xiàn)這一功能,還需要設(shè)計空間查詢算法,如碰撞檢測,只查詢與查詢區(qū)域相交的八叉樹節(jié)點。BVH構(gòu)造場景圖:BVH構(gòu)造場景圖的方式和八叉樹類似,首先創(chuàng)建BVH節(jié)點,每個節(jié)點包含一個包圍盒,以及子節(jié)點(可以是葉子節(jié)點或內(nèi)部節(jié)點)。接著,選擇分割軸,確定沿著哪個軸(X,Y或Z)進行分割,通常選擇包圍盒最長的軸。接著,將場景中的對象集合按選擇的軸分割為兩部分,每部分具有自己的包圍盒。對每部分遞歸地應用分割過程,直到達到葉子節(jié)點。葉子結(jié)點包含實際的3D模型或?qū)ο?。由此?gòu)造出BVH樹。在這一過程中,同樣要注意優(yōu)化BVH樹以減少節(jié)點數(shù)量和不平衡向,提高渲染和查詢效率。在渲染時,利用BVH快速剔除不在視錐體內(nèi)的節(jié)點。在進行空間查詢時,如光線投射或碰撞檢測,只考慮與查詢相交的節(jié)點。第5章虛擬現(xiàn)實前沿性方向1.增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實有何不同?二者在關(guān)鍵技術(shù)方面差異主要在哪里?增強現(xiàn)實技術(shù)是隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的,二者之間存在不可分割的紐帶關(guān)系。雖然它們所需要的基礎(chǔ)技術(shù)相同,但也存在一些區(qū)別。如前所述,虛擬現(xiàn)實綜合了建模技術(shù)、渲染技術(shù)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)等,使得用戶從感官效果上沉浸在一個虛擬環(huán)境中。而增強現(xiàn)實則主要借助顯示技術(shù)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機視覺技術(shù)等將計算機生成的虛擬環(huán)境或物體與用戶周圍的現(xiàn)實環(huán)境融為一體,使用戶從感官效果上分辨不出虛擬和真實的部分?;诖?,與虛擬現(xiàn)實應用最終希望真實地模擬現(xiàn)實世界不同,增強現(xiàn)實應用的最終目的是利用附加的信息去增強用戶對真實世界的觀察和感知。增強的信息既可以是虛擬的三維模型,也可以是真實物體的非幾何信息,例如路標、文字提示等。二者在關(guān)鍵技術(shù)方面的差異主要表現(xiàn)為以下三方面:(1)對沉浸感的要求不同。VR系統(tǒng)強調(diào)用戶在虛擬環(huán)境中視聽覺、觸覺等完全沉浸,這往往需要借助于能夠?qū)⒂脩粢暵犛X與現(xiàn)實環(huán)境隔離的設(shè)備,如沉浸式頭盔顯示器(ImmersiveHead-MountedDisplay,IHMD)。與之相反的是,AR系統(tǒng)不僅不隔離現(xiàn)實環(huán)境,還強調(diào)用戶在現(xiàn)實環(huán)境的存在感,并努力維持用戶視聽覺等感官效果的不變形。這就需要借助能將虛擬環(huán)境與真實環(huán)境融合的設(shè)備,如透視式頭盔顯示器(See-ThroughHead-MountedDisplay,STHMD)。(2)注冊(Registration)。在沉浸式VR系統(tǒng)中,“注冊”強調(diào)呈現(xiàn)給用戶的虛擬環(huán)境與用戶各種感官的匹配,例如用戶推開一扇虛擬的門,用戶所看到的就應該是屋內(nèi)的場景;一列虛擬火車向用戶駛來,用戶聽到的鳴笛聲就應該是由遠及近的。這里所謂的“注冊”主要是指用戶視聽覺系統(tǒng)與其他感官系統(tǒng)以及用戶本體感受之間的一致性。然而,AR系統(tǒng)中的“注冊”概念來源于計算機視覺,主要是指用戶在真實環(huán)境中運動過程中維持正確的視點“對準”關(guān)系。例如,在現(xiàn)實環(huán)境中疊加顯示了一個虛擬的餐桌,用戶在行走過程中看到的餐桌應該隨視點正確變化,并且產(chǎn)生與真實環(huán)境一致的光照變化。(3)對系統(tǒng)計算能力的要求不同。一般來說,要求VR系統(tǒng)精確再現(xiàn)我們周圍的簡單環(huán)境也需要付出巨大的代價。這主要體現(xiàn)在兩方面,一方面,虛擬環(huán)境的建模與渲染本身需要巨大的人力成本與計算開銷;另一方面,顯示環(huán)節(jié)的實時性對數(shù)據(jù)傳輸提出了苛刻的要求。當前技術(shù)條件下,虛擬環(huán)境的逼真程度還未能匹配上人的感官能力。AR技術(shù)相較而言要求較低,蓋因其主要是在充分利用周圍業(yè)已存在的真實環(huán)境的基礎(chǔ)上擴充一些附加信息,這就大大降低了對計算能力的要求。2.智能化對虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實有哪些影響?該題是開放性問題,沒有標準答案??梢詮囊韵聨讉€方面展開論述:內(nèi)容創(chuàng)造。利用AI算法自動生成VR和AR內(nèi)容,主要體現(xiàn)在智能化建模方面;用戶交互性增強。利用AI算法,如NLP、CV登記書實現(xiàn)語音智能識別、手勢識別等,提升用戶的交互體驗;場景理解與分析。利用智能化技術(shù)可以使VR/AR系統(tǒng)更好地理解用戶當前所處場景,提供更加精準的空間定位和物體識別;智能推薦

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