Details

Предметом исследования являются методы оптимизации степени детализации трехмерных моделей для виртуальных лабораторий, обеспечивающие баланс между визуальной достоверностью и производительностью систем VR. Цель работы – повышение качества виртуальных лабораторий за счет разработки эффективного метода оптимизации детализации трехмерных моделей, обеспечивающего сохранение визуальной достоверности при выполнении требований к производительности систем VR. Методы исследования: анализ научной литературы и технической документации, сравнительный анализ движков Unity и Unigine, математическое моделирование, вычислительный эксперимент в среде Unity 6.3 LTS, статистическая обработка результатов измерений, визуальная экспертная оценка качества упрощения геометрии. В работе предложен и реализован адаптивный метод упрощения полигональных моделей, объединяющий метод квадратичных ошибок с воксельной кластеризацией переменного размера, управляемой локальной кривизной поверхности и положением границ материалов. Метод реализован в виде компонента AdaptiveLodBuilder для движка Unity. На тестовой сцене виртуальной лаборатории из шести объектов экспериментально подтверждено сокращение геометрической нагрузки в 9 раз (с 180.2 тыс. до 20.4 тыс. треугольников) при сохранении всех объектов в кадре и визуальной узнаваемости их форм. Частота кадров возросла с 99.2 FPS на исходной сцене до 169.4 FPS при адаптивном методе (прирост в 1.71 раза); в стресс-тесте при разрешении 4K – с 42.6 до 73.3 FPS. Область применения результатов: разработка учебных и научно-исследовательских виртуальных лабораторий на платформе Unity, в том числе для использования на устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами (мобильные платформы, автономные VR-шлемы). В результате разработанный метод обеспечивает существенное преимущество перед стандартным механизмом LOD Unity в задачах виртуальных лабораторий. При сопоставимых показателях частоты кадров сохраняет идентифицируемую геометрию всех объектов сцены, что является критически важным для образовательных приложений. Метод реализован в виде готового программного компонента, пригодного к практическому применению. В процессе работы были использованы следующие информационные технологии и программное обеспечение: игровой движок Unity 6.3 LTS, среда разработки Microsoft Visual Studio, язык программирования C#, программное обеспечение для 3D-моделирования Blender, библиотеки Math.NET и Computational Geometry Unity Library.

The subject of research is the methods for optimizing the level of detail of three-dimensional models for virtual laboratories that ensure a balance between visual fidelity and the performance of VR systems. The aim of the work is to improve the quality of virtual laboratories through the development of an efficient method for optimizing the level of detail of three-dimensional models, ensuring the preservation of visual fidelity while meeting the performance requirements of VR systems. Research methods: analysis of scientific literature and technical documentation, comparative analysis of the Unity and Unigine engines, mathematical modeling, a computational experiment in the Unity 6.3 LTS environment, statistical processing of measurement results, expert visual assessment of geometry simplification quality. The work proposes and implements an adaptive method for simplifying polygonal models that combines the quadric error metric with variable-size voxel clustering driven by the local surface curvature and the position of material boundaries. The method is implemented as an AdaptiveLodBuilder component for the Unity engine. On a test virtual-laboratory scene comprising six objects, a reduction of the geometric load by a factor of 9 (from 180.2 thousand to 20.4 thousand triangles) was experimentally confirmed, while keeping all objects within the frame and preserving the visual recognizability of their shapes. Frame rate increased from 99.2 FPS in the original scene to 169.4 FPS with the adapted method (a 1.71x increase); in the stress test at 4K resolution, from 42.6 to 73.3 FPS. Field of application of the results: the development of educational and research virtual laboratories on the Unity platform, including for use on devices with limited computational resources (mobile platforms and standalone VR headsets). As a result, the developed method provides a substantial advantage over Unity’s standard LOD mechanism in virtual-laboratory tasks. At comparable frame-rate values, it preserves the identifiable geometry of all objects in the scene, which is critically important for educational applications. The method is implemented as a ready-to-use software component suitable for practical application. The following information technologies and software were used during the work: the Unity 6.3 LTS game engine, the Microsoft Visual Studio development environment, the C# programming language, the Blender 3D-modeling software, and the Math.NET and Computational Geometry Unity Library libraries.