《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論》習(xí)題解題思路第1章概論1.虛擬現(xiàn)實(shí)的概念是什么？其主要特征是什么？目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的概念與定義并不統(tǒng)一。本書中的虛擬現(xiàn)實(shí)是指：“采用以計(jì)算機(jī)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(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。”學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界將虛擬現(xiàn)實(shí)的典型特征概括為3I，即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和構(gòu)想（Imagination）。實(shí)際上，這些典型特征體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的兩個(gè)重要特點(diǎn)：3D及交互。從科學(xué)研究的角度，虛擬現(xiàn)實(shí)又具有以下3個(gè)主要特點(diǎn)：依托的學(xué)科多、應(yīng)用型強(qiáng)，以及高度以來(lái)數(shù)據(jù)資源和計(jì)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(shí)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(jī)交互界面。這里所使用的通用技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺與人機(jī)交互。此外，對(duì)復(fù)雜虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，還要設(shè)計(jì)分布式架構(gòu)。3.你認(rèn)為構(gòu)造虛擬環(huán)境的難點(diǎn)是什么？本題是開放性問題，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。讀者可以從建模、渲染、性能優(yōu)化、用戶交互設(shè)計(jì)、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(dòng)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(qǐng)參考官網(wǎng)及相應(yīng)文檔：/releases。一般來(lái)說(shuō)，Windows平臺(tái)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(duì)Unity的支持沒有Windows或macOS全面，具體安裝請(qǐng)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(diǎn)。HTCVive是一款由HTC公司與Valve合作開發(fā)的高端虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭戴顯示設(shè)備。主要特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)追蹤、無(wú)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(shí)（MixedReality,MR）頭戴顯示設(shè)備。主要特點(diǎn)包括混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無(wú)須外部傳感器、空間映射、手勢(shì)控制、眼動(dòng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality,AR）框架。它允許開發(fā)者在iOS應(yīng)用中輕松集成AR功能。其主要功能包括：設(shè)備運(yùn)動(dòng)追蹤：ARKit使用設(shè)備的攝像頭和傳感器來(lái)追蹤設(shè)備在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)。環(huán)境理解：ARKit能夠識(shí)別和理解現(xiàn)實(shí)世界中的水平面和垂直面，如地面、桌面、墻壁等。3D物體檢測(cè)：某些版本的ARKit具備識(shí)別和追蹤3D物體的能力。面部追蹤：ARKit可以識(shí)別和追蹤人臉的特征，用于面部濾鏡和動(dòng)畫。深度信息：利用TrueDepth攝像頭，ARKit能夠獲取場(chǎng)景的深度信息。光照估計(jì)：ARKit能夠估計(jì)場(chǎng)景的光照條件，使虛擬對(duì)象的光影效果更加自然。動(dòng)畫和物理：支持在AR環(huán)境中添加動(dòng)畫效果和物理效果，如重力、碰撞等。模型和紋理：支持復(fù)雜的3D模型和高質(zhì)量紋理，提供豐富的視覺體驗(yàn)。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(yàn)。與Unity和UnrealEngine集成：ARKit可以與Unity和UnrealEngine集成，簡(jiǎn)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality,AR）平臺(tái)。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(shí)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(lái)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(lái)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(duì)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(shí)，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(dòng)畫。通常可以利用Unity的資源商店來(lái)下載人物3D模型并導(dǎo)入項(xiàng)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(lái)導(dǎo)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(dòng)畫等，將其調(diào)整為想要的樣式。Unity為人物創(chuàng)建動(dòng)畫有兩種方式。第一種是使用動(dòng)畫組件（Animation）。動(dòng)畫組件Animation是Unity從舊版本延續(xù)下來(lái)的動(dòng)畫系統(tǒng)。它的使用流程比較簡(jiǎn)單，為模型添加Animation組件，然后通過動(dòng)畫剪輯修改關(guān)鍵幀，最后為Animation組件應(yīng)用該動(dòng)畫剪輯即可。Animation系統(tǒng)在制作一些簡(jiǎn)單動(dòng)畫的時(shí)候十分方便，但是當(dāng)動(dòng)畫的數(shù)量增多，如一個(gè)角色包含幾十種甚至上百種動(dòng)畫的情況下，Animation系統(tǒng)就比較吃力的。新版動(dòng)畫系統(tǒng)（Animator）可以方便管理大量動(dòng)畫及動(dòng)畫間的切換和過渡，同時(shí)也區(qū)分了普通動(dòng)畫和人物骨骼動(dòng)畫。每一個(gè)Animator組件都會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)動(dòng)畫控制器文件，在動(dòng)畫控制器文件中，可以設(shè)定Animator組件中包含的動(dòng)畫與動(dòng)畫之間的過渡、動(dòng)畫屬性及動(dòng)畫層等多種動(dòng)畫功能，使用起來(lái)十分方便。和Animation一樣，需要通過“動(dòng)畫-動(dòng)畫”菜單打開動(dòng)畫面板創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫剪輯；區(qū)別在于創(chuàng)建一個(gè)新的動(dòng)畫剪輯后，會(huì)自動(dòng)在項(xiàng)目面板中創(chuàng)建動(dòng)畫控制器，并關(guān)聯(lián)到Animator組件中。也可以通過手動(dòng)創(chuàng)建“動(dòng)畫器控制器”命令來(lái)手動(dòng)創(chuàng)建動(dòng)畫控制器并與Animator組件關(guān)聯(lián)。在動(dòng)畫控制器中，一般會(huì)導(dǎo)入多個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)之間的切換就需要通過腳本來(lái)控制：3.通過Kinect獲取室內(nèi)場(chǎng)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(chǎng)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(zhǔn)備：確保室內(nèi)環(huán)境有足夠光照，因?yàn)镵inect以來(lái)紅外傳感器和彩色相機(jī)來(lái)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(gè)室內(nèi)空間；捕捉數(shù)據(jù)：可以使用KinectSDK中的應(yīng)用程序或自己編寫程序來(lái)捕捉室內(nèi)場(chǎng)景的彩色圖像和深度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：利用KinectSDK提供的應(yīng)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(shí)間和空間上同步；數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波等；生成點(diǎn)云：將深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云；點(diǎn)云處理：使用點(diǎn)云處理軟件（如MeshLab，Blender）或程序處理和優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)；構(gòu)建網(wǎng)格：將點(diǎn)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(lái)實(shí)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(duì)生成的3D模型進(jìn)一步優(yōu)化，包括減少多邊形數(shù)量、平滑表面和修復(fù)空洞等。第4章虛擬現(xiàn)實(shí)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(lái)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(yùn)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(shí)間等各種屬性，然后進(jìn)行不同搭配來(lái)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(dǎo)入官方提供的StandardAssets資源包得到。這些粒子系統(tǒng)本身就是預(yù)制件，可以在場(chǎng)景視圖中進(jìn)行預(yù)覽；在層級(jí)面板中創(chuàng)建粒子系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個(gè)基本的粒子系統(tǒng)。2.利用ARKits或ARCore，添加虛擬人物動(dòng)畫、煙火特效。由于ARKit和ARCore均提供了對(duì)Unity的支持，因此建議利用Unity的ARFoundation（Unity的跨平臺(tái)AR應(yīng)用接口）來(lái)開發(fā)。其中，人物動(dòng)畫和煙火特效制作方式和上題類似。最終利用Unity的跨平臺(tái)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(chǎng)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(fù)雜的3D場(chǎng)景。以下是利用這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造場(chǎng)景圖的方法：八叉樹構(gòu)造場(chǎng)景圖：首先創(chuàng)建一個(gè)八叉樹節(jié)點(diǎn)類，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)包圍盒（通常是一個(gè)立方體或長(zhǎng)方體），以及最多八個(gè)子節(jié)點(diǎn)；接著，分析場(chǎng)景中的所有對(duì)象，確定它們的包圍盒。再接著，從根節(jié)點(diǎn)開始，根據(jù)對(duì)象的包圍盒將它們分配到相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)中。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的物體數(shù)量超過預(yù)設(shè)的閾值，或者達(dá)到了最大深度，停止分割。遞歸地將對(duì)象分配到子節(jié)點(diǎn)，并為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建新的包圍盒。由此構(gòu)建出場(chǎng)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(diǎn)過載而其他節(jié)點(diǎn)空閑。在渲染過程中，只渲染攝像機(jī)視錐體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，減少渲染計(jì)算量。為實(shí)現(xiàn)這一功能，還需要設(shè)計(jì)空間查詢算法，如碰撞檢測(cè)，只查詢與查詢區(qū)域相交的八叉樹節(jié)點(diǎn)。BVH構(gòu)造場(chǎng)景圖：BVH構(gòu)造場(chǎng)景圖的方式和八叉樹類似，首先創(chuàng)建BVH節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)包圍盒，以及子節(jié)點(diǎn)（可以是葉子節(jié)點(diǎn)或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)）。接著，選擇分割軸，確定沿著哪個(gè)軸（X，Y或Z）進(jìn)行分割，通常選擇包圍盒最長(zhǎng)的軸。接著，將場(chǎng)景中的對(duì)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(duì)每部分遞歸地應(yīng)用分割過程，直到達(dá)到葉子節(jié)點(diǎn)。葉子結(jié)點(diǎn)包含實(shí)際的3D模型或?qū)ο蟆Ｓ纱藰?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(diǎn)數(shù)量和不平衡向，提高渲染和查詢效率。在渲染時(shí)，利用BVH快速剔除不在視錐體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行空間查詢時(shí)，如光線投射或碰撞檢測(cè)，只考慮與查詢相交的節(jié)點(diǎn)。第5章虛擬現(xiàn)實(shí)前沿性方向1.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)有何不同？二者在關(guān)鍵技術(shù)方面差異主要在哪里？增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)綜合了建模技術(shù)、渲染技術(shù)、人機(jī)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(gè)虛擬環(huán)境中。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則主要借助顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等將計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境或物體與用戶周圍的現(xiàn)實(shí)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(shí)的部分。基于此，與虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最終希望真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的最終目的是利用附加的信息去增強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)世界的觀察和感知。增強(qiáng)的信息既可以是虛擬的三維模型，也可以是真實(shí)物體的非幾何信息，例如路標(biāo)、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(duì)沉浸感的要求不同。VR系統(tǒng)強(qiáng)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(shí)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(shí)環(huán)境，還強(qiáng)調(diào)用戶在現(xiàn)實(shí)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(shí)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(cè)（Registration）。在沉浸式VR系統(tǒng)中，“注冊(cè)”強(qiáng)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(yīng)該是屋內(nèi)的場(chǎng)景；一列虛擬火車向用戶駛來(lái)，用戶聽到的鳴笛聲就應(yīng)該是由遠(yuǎn)及近的。這里所謂的“注冊(cè)”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(cè)”概念來(lái)源于計(jì)算機(jī)視覺，主要是指用戶在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)過程中維持正確的視點(diǎn)“對(duì)準(zhǔn)”關(guān)系。例如，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中疊加顯示了一個(gè)虛擬的餐桌，用戶在行走過程中看到的餐桌應(yīng)該隨視點(diǎn)正確變化，并且產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境一致的光照變化。（3）對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力的要求不同。一般來(lái)說(shuō)，要求VR系統(tǒng)精確再現(xiàn)我們周圍的簡(jiǎn)單環(huán)境也需要付出巨大的代價(jià)。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(jì)算開銷；另一方面，顯示環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提出了苛刻的要求。當(dāng)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(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)上擴(kuò)充一些附加信息，這就大大降低了對(duì)計(jì)算能力的要求。2.智能化對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有哪些影響？該題是開放性問題，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。可以從以下幾個(gè)方面展開論述：內(nèi)容創(chuàng)造。利用AI算法自動(dòng)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(qiáng)。利用AI算法，如NLP、CV登記書實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音智能識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等，提升用戶的交互體驗(yàn)；場(chǎng)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(dāng)前所處場(chǎng)景，提供更加精準(zhǔn)的空間定位和物體識(shí)別；智能推薦