虚拟现实技术考试试题及答案

虚拟现实技术考试试题及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在虚拟现实系统中，用于追踪用户头部六自由度（6DoF）姿态的最常见传感器融合方案是A.三轴陀螺仪+三轴磁力计B.三轴加速度计+三轴陀螺仪+三轴磁力计C.单目摄像头+IMUD.双目摄像头+超声波测距答案：B解析：6DoF需要同时估计旋转与平移。加速度计提供短时平移线索，陀螺仪提供旋转角速度，磁力计提供绝对航向参考，三者融合可抑制漂移。单目+IMU虽可行，但属于视觉-惯性方案，不是“最常见”的纯IMU方案。1.2下列关于延迟（Motion-to-PhotonLatency）的说法正确的是A.延迟低于50ms即可完全避免眩晕B.延迟主要来源于GPU光栅化阶段C.在OLED滚动式扫描显示中，屏幕刷新瞬间即代表光子到达人眼D.时间扭曲（Timewarp）可在帧率不足时降低有效延迟答案：D解析：Timewarp在帧完成前根据最新姿态重新投影上一帧，有效缩短感知延迟。A项20ms以下才较安全；B项延迟瓶颈在传感器采样、融合、渲染、扫描输出等多环节；C项滚动扫描需考虑像素点亮时刻。1.3在Unity中，使用XRInteractionToolkit抓取虚拟物体时，实现“手摸即抓”而非“按键抓”的核心接口是A.IXRSelectEnterB.XRBaseInteractableC.XRGrabInteractableD.XRDirectInteractor答案：D解析：XRDirectInteractor负责检测手形碰撞体与可交互物体的接触，并自动发起选择（select）事件，无需按键触发。1.4下列哪种编码方式最适合在5GHzWi-Fi信道上传输8K360°立体视频流A.H.264AVCB.H.265HEVCC.AV1D.MJPEG答案：C解析：AV1在同等画质下比HEVC节省约20%码率，且版税免费，适合高分辨率无线VR视频。HEVC虽也可行，但授权复杂；MJPEG压缩效率太低。1.5在OpenXR中，用于查询系统可用参考空间（ReferenceSpace）的函数是A.xrGetSystemPropertiesB.xrEnumerateReferenceSpacesC.xrCreateReferenceSpaceD.xrGetReferenceSpaceBounds答案：B解析：xrEnumerateReferenceSpaces返回运行时支持的参考空间类型列表，如LOCAL、STAGE、VIEW。1.6当使用Vulkan渲染引擎开发VR应用时，将画面分别输出到左右眼的最佳扩展是A.VK_KHR_multiviewB.VK_KHR_shader_float16_int8C.VK_EXT_descriptor_indexingD.VK_KHR_fragment_shading_rate答案：A解析：VK_KHR_multiview允许单次提交渲染多个视图（View），显著减少CPU调用与GPU顶点重复处理，是立体渲染标准扩展。1.7下列关于Fresnel透镜的说法错误的是A.可减少透镜厚度与重量B.环距越小，彩虹纹（God-Ray）越明显C.适用于扩大视场角D.可完全消除色差答案：D解析：Fresnel透镜仍由单一折射材料构成，无法“完全”消除色差，需要软件反向预畸变或复合透镜补偿。1.8在SteamVRTracking2.0中，单基站最大可覆盖水平角度为A.90°B.120°C.150°D.270°答案：C解析：2.0基站采用双转子同步扫描，水平视场150°，垂直110°，大于1.0的120°。1.9下列哪种手势识别技术对环境光照变化最不敏感A.结构光B.ToFC.2D摄像头+深度学习D.电容式近场传感答案：D解析：电容式传感通过电场变化检测手指距离，无需光学成像，对光照零依赖。1.10在UE5的VR模板中，默认使用的抗锯齿方案是A.FXAAB.TAAC.MSAA4×D.DLSS答案：B解析：UE5默认启用TAA，因其在延迟渲染管线中与屏幕空间效果兼容性最好；MSAA需要前向渲染，DLSS需额外插件。2.多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）2.1以下哪些技术可有效降低VR运动病的发生率A.动态缩小视野（FOVDimming）B.增加帧率至120fpsC.使用空间定位音效D.在移动时显示虚拟鼻子E.采用瞬移（Teleport）位移答案：ABDE解析：空间音效与眩晕无直接因果，其余四项均通过减少视觉-前庭冲突或提供参考系缓解不适。2.2关于Inside-Out追踪，正确的有A.无需外部基站B.易受强光直射干扰C.需至少两个红外摄像头D.可结合IMU做视觉-惯性融合E.在纯色墙面环境可能丢失答案：ABDE解析：C项“红外”非必须，HoloLens使用可见光摄像头亦可；其余均正确。2.3下列属于foveatedrendering带来的副作用A.外围分辨率降低B.眼跳时可能出现瞬态模糊C.GPU占用率提高D.需要精准眼动追踪E.增加透镜设计复杂度答案：ABD解析：C项应为“降低”GPU占用；E项与透镜无关。2.4在WebXR中，以下哪些会话模式支持沉浸式VRA.inlineB.immersive-vrC.immersive-arD.dom-overlayE.spatial-tracking答案：B解析：只有immersive-vr能进入头显独占模式；immersive-ar用于透视AR；inline为网页内嵌；dom-overlay是叠加层特性；spatial-tracking是特性非模式。2.5关于相位对齐（PhaseSync）技术，正确的有A.用于减少固定渲染管线延迟B.在Quest2中由OculusRuntime自动管理C.需要应用使用VrApi或OpenXRD.会将CPU/GPU工作尽可能推迟到帧截止前E.与屏幕刷新率无关答案：ABCD解析：相位对齐依赖刷新率动态调整提交时机，E项错误。3.判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）3.1人眼对60Hz以上刷新已无法察觉差异，故VR设备90Hz足够。答案：×解析：60Hz在桌面显示器上可行，但VR需覆盖大视场且缺乏运动模糊，90Hz仍可能诱发眩晕，120Hz以上更稳妥。3.2在Vulkan中，Viewport变换可在顶点着色器之后由光栅化器自动完成。答案：√解析：Vulkan固定功能阶段仍负责viewport变换，开发者只需指定参数。3.3使用单通道实例化（Single-PassInstanced）渲染时，Unity会自动将UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID加入Shader。答案：√解析：Unity在导入阶段为VR的SPI变体自动添加实例宏。3.4透镜畸变系数k1、k2仅与透镜曲率有关，与屏幕到透镜距离无关。答案：×解析：畸变系数受透镜-屏幕相对位置、瞳距微调机构影响，需出厂标定。3.5在OpenXR中，参考空间VIEW的原点位于左眼中心。答案：×解析：VIEW空间原点位于当前活动眼中心，随渲染眼变化，非固定左眼。3.6电容式手套无法检测握拳动作，因为电极间距不变。答案：×解析：握拳时指节与掌心电极覆盖面积变化，可测电容差异，故能识别。3.7DLSS2.0需要游戏引擎提供深度缓冲与运动矢量。答案：√解析：DLSS2.0采用时序反馈，需深度与MV重建高分辨率。3.8在UE5中，Nanite虚拟几何目前不支持VR的立体渲染。答案：×解析：UE5.1起Nanite已支持VR，但仍有部分平台限制。3.9滚动式扫描OLED的像素点亮顺序是从上到下逐行，因此下方画面延迟更高。答案：√解析：底部像素扫描时刻晚于顶部，导致下方Motion-to-Photon延迟大。3.10使用Vulkan的VK_KHR_display扩展可直接绕过窗口系统，实现“裸屏”输出。答案：√解析：VK_KHR_display允许直接控制显示控制器，适合嵌入式VR系统。4.填空题（每空2分，共20分）4.1在SteamVRTracking中，基站发射的同步脉冲周期为________μs，转子激光扫描频率为________Hz。答案：100，60解析：100μs同步间隙，转子60Hz对应3600rpm。4.2若单眼分辨率为1832×1920，RGB子像素排列，每子像素8bit，帧率90Hz，无压缩时原始带宽为________Gbit/s。答案：7.57解析：1832×1920×3×8×90=7.57Gbit/s。4.3在OpenXR中，将XrPosef的orientation设为(0,0,0,1)代表________旋转。答案：单位四元数，即无旋转。4.4透镜焦距40mm，屏幕到透镜距离37mm，则虚像距离约为________mm（按高斯公式）。答案：493解析：1/f=1/u+1/v，u=37，f=40，解得v≈-493mm，负号表示虚像。4.5当使用MSAA4×时，每个像素包含________个采样点，深度缓冲大小将变为原来的________倍。答案：4，1解析：深度缓冲通常不多重采样，仍每像素1深度值；颜色缓冲4×。4.6在Vulkan中，若viewport宽高为1:1，最小深度0，最大深度1，则裁剪空间z坐标经视口变换后映射到________范围。答案：0到1解析：Vulkan默认使用0-1深度范围。4.7人眼瞬时视场角（InstantaneousFOV）约________°，双眼重叠区域约________°。答案：120，114解析：单眼水平120，双眼重叠114。4.8若IMU采样率为1kHz，融合算法使用1ms预测，则预测步长对应________个采样周期。答案：14.9在UnityShader中，声明float4x4unity_StereoMatrixP[2]用于存储________矩阵。答案：左右眼投影矩阵。4.10当使用72Hz刷新时，帧间隔为________ms；若GPU耗时10ms，则剩余________ms可用于CPU逻辑。答案：13.89，3.89解析：13.89-10=3.89ms（忽略垂直同步开销）。5.简答题（每题10分，共30分）5.1描述从用户转动头部到画面更新的完整延迟链路，并给出各环节典型耗时与优化手段。答案：链路：传感器采样→数据融合→渲染线程→GPU渲染→扫描输出→像素点亮。典型耗时：1.传感器采样0.1ms（1kHzIMU）；2.融合+预测0.3ms；3.渲染线程准备2ms；4.GPU渲染8ms；5.扫描输出0-8ms（滚动扫描平均4ms）；6.像素响应1ms（OLED）。总延迟≈15.4ms。优化：提高IMU采样到2kHz；使用PhaseSync将渲染提交推迟到帧截止前1ms；GPU采用单通道实例化+多视图；启用Timewarp重投影；使用全局刷新OLED或缩短扫描时间。5.2解释“边缘漂浮（EdgeDrift）”现象在Inside-Out追踪中的成因，并给出两种抑制算法。答案：成因：当用户靠近纯色墙面或动态遮挡时，视觉特征稀疏，视觉-惯性融合系统的外参估计出现缓慢漂移，表现为虚拟场景边缘相对真实世界缓慢平移或旋转。抑制算法：1.回环检测+位姿图优化：在用户回到已访问区域时，利用历史关键帧进行全局BA，修正累积漂移；2.动态置信度加权：当匹配特征点数低于阈值，降低视觉更新权重，依赖短期高精度的IMU积分，同时触发系统提示用户靠近纹理丰富区域。5.3对比单通道实例化（SPI）与双通道（Multi-Pass）立体渲染在CPU、GPU、内存三方面的差异。答案：CPU：SPI只需一次提交，DrawCall减半，CPU时间降低30-50%；Multi-Pass需两次SetRenderTarget与常量缓冲区更新。GPU：SPI顶点着色器输出两倍顶点，片段着色器并行度提高，像素冗余减少，整体GPU时间降低15-25%；Multi-Pass需两次光栅化，ROP负载翻倍。内存：SPI仅需一张两倍宽度的RenderTexture，内存带宽节省约40%；Multi-Pass需左右两张，缓存命中率低。6.计算题（每题15分，共30分）6.1已知某VR头显单眼水平FOV100°，垂直90°，屏幕分辨率2160×2160，透镜放大倍率1.8×，人眼极限角分辨为60PPD（PixelsPerDegree）。求该头显实际PPD与理论所需分辨率，并评估是否达到视网膜级别。答案：实际PPD：水平2160/100=21.6，垂直2160/90=24，取最小值21.6PPD。理论所需：单眼水平100×60=6000，垂直90×60=5400。视网膜差距：6000/2160≈2.78倍，即需6000×5400分辨率。结论：未达视网膜，需提升2.8×线性分辨率或采用注视点渲染+人眼超采样技术。6.2一款移动芯片GPU峰值算力800GFLOPS，需以90Hz驱动2880×1700单眼分辨率，采用1.4×超采样，像素着色器平均200条指令，纹理采样4次，每次等效20FLOPS。估算GPU利用率。答案：总像素：2880×1700×1.4²=9.67M，双眼19.34M。每像素FLOPS：200+4×20=280。总FLOPS：19.34M×280×90=4.87×10¹¹=487GFLOPS。利用率：487/800=60.9%。结论：剩余39%算力可用于阴影、后处理、Timewarp。7.综合设计题（25分）设计一套“无手柄”VR交互系统，要求：1.支持双手自然抓取、捏合、滑动；2.定位精度≤2mm，延迟≤40ms；3.成本增量＜50USD；4.兼容Quest2类一体机。请给出传感器选型、布置、算法流程、交互映射与误差控制策略。答案：传感器选型：双频60GHz雷达（GoogleSoli演进版），3cm天线阵列，0.8mm波长成像，单芯片8USD；电容式指环10个电极，FPC0.5USD；头显前置2个120Hz全局快门摄像头，已存在，零增量。布置：雷达置于头显底部，倾斜30°覆盖0.1-0.5m范围；电容环嵌入指环，通过BLE5.2广播数据；摄像头提供视觉约束。算法流程：1.雷达输出3D点云+微多普勒速度；2.电容环提供10维电容向量，映射手指屈曲角；3.视觉提供腕部6DoF；4.以EKF融合三项观测，状态向量18维（腕6DoF+每指2关节×5）；5.使用LSTM网络识别捏合、抓取、滑动，窗口16帧，延迟20ms；6.交互映射：捏合阈值8mm指尖距；滑动速度>15cm/s触发滚动；7.误差控制：雷达SNR<10dB时切换至纯视觉+IMU预测，电容漂移每30s自动零偏。成本：8+0.5+2（BLESoC）=10.5USD，远低于50USD。延迟：雷达5ms+电容2ms+融合3ms+识别20ms+渲染10ms=40ms边界。8.编程题（25分）使用OpenXR+Vulkan编写最小化示例，完成以下功能：1.创建沉浸式VR会话；2.获取左右眼视图矩阵与投影矩阵；3.渲染一个每眼不同颜色的立方体；4.提交交换链并显示。要求：代码完整，含错误检查，使用VK_KHR_multiview，立方体旋转角度每秒30°。答案：（关键片段，完整400行代码略，此处给出核心逻辑）```cpp//1.创建Instance与SessionXrInstanceinstance;xrCreateInstance(&instanceCreateInfo,&instance);XrSystemIdsystemId;xrGetSystem(instance,&systemGetInfo,&systemId);XrSessionsession;xrCreateSession(instance,&sessionCreateInfo,&session);//2.创建SwapchainXrSwapchainCreateInfoswapInfo{XR_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO};swapInfo.arraySize=2;//立体swapInfo.width=1832,height=1920,format=VK_FORMAT_R8G8B8A8_SRGB;xrCreateSwapchain(session,&swapInfo,&swapchain);//3.Vulkan设备与MultiviewVkDevicedevice=CreateVkDeviceWithMultiview();//启用VK_KHR_multiviewVkRenderPassrp=CreateRenderPassMultiview(2);//两个View//4.渲染循环while(running){XrFrameStateframeState{XR_TYPE_FRAME_STATE};xrWaitFrame(session,nullptr,&frameState);xrBeginFrame(session,nullptr);XrViewLocateInfoviewInfo{XR_TYPE_VIEW_LOCATE_INFO};viewInfo.displayTime=frameState.predictedDisplayTime;viewInfo.space=space;uint32_tviewCount;xrLocateViews(session,&viewInfo,&viewState,&viewCount,views);//更新Uniformfloatangle=frameState.predictedDisplayTime1e-930*M_PI/180;glm::mat4rot=glm::rotate(glm::mat4(1),angle,glm::vec3(0,1,0));uboLeft.MVP=projLeftviewLeftrot*model;uboRight.MVP=projRightviewRightrot*model;//录制CommandBuffervkBeginCommandBuffer(cmd,&beginInfo);vkCmdBeginRenderPass