Optimisation of 3D models for visualisation in virtual reality systems

Abstract

The relevance of the study is conditioned by the growing use of virtual reality in education, medicine, design and engineering systems, where traditional 3D models are often too resource-intensive for stable interactive reproduction. The purpose of the study was to identify and test the effectiveness of complex adaptation of digital objects to interactive spatial reproduction in conditions of limited hardware resources. The research methodology combined theoretical analysis with experimental testing in Unity 2022.3 on the Meta Quest 2 platform with performance and visual quality assessment. The results of the study showed that direct use of traditional 3D models in virtual reality is ineffective due to excessive load on hardware resources and instability of scene reproduction. It was established that the highest efficiency is provided by complex adaptation, which combines simplification of the polygonal grid, reduction of the volume of texture data, simplification of materials, application of detail levels, and stage optimisation. After adaptation, the number of polygons in the studied models decreased by 95-96%, and the volume of texture data – by 85-88%. In the test virtual environment, the average frame rate increased from 42 to 85 frames per second, which confirmed a significant increase in scene performance. However, the increase in performance was not accompanied by a critical loss of visual quality, since the overall shape of objects remained at the level of 98-99%, and the level of visual immersion remained high. The results of the study can be used by developers of virtual reality applications, computer graphics specialists, teachers, designers, and engineers to create training simulators, architectural visualisation, medical simulators, and technical virtual reality systems with increased performance and visual realism.

Актуальність дослідження зумовлена зростанням використання віртуальної реальності в освіті, медицині, проєктуванні та інженерних системах, де традиційні 3D-моделі часто виявляються надто ресурсоємними для стабільного інтерактивного відтворення. Метою дослідження було виявлення й перевірка ефективності комплексної адаптації цифрових об’єктів до інтерактивного просторового відтворення за умов обмежених апаратних ресурсів. Методологія дослідження поєднувала теоретичний аналіз із експериментальним тестуванням у Unity 2022.3 на платформі Meta Quest 2 з оцінюванням продуктивності та візуальної якості. Результати дослідження показали, що пряме використання традиційних тривимірних моделей у віртуальній реальності є малоефективним через надмірне навантаження на апаратні ресурси та нестабільність відтворення сцени. Встановлено, що найвищу ефективність забезпечує комплексна адаптація, яка поєднує спрощення полігональної сітки, скорочення обсягу текстурних даних, спрощення матеріалів, застосування рівнів деталізації та сценову оптимізацію. Після адаптації кількість полігонів у досліджених моделях зменшилася на 95-96 %, а обсяг текстурних даних – на 85-88 %. У тестовому віртуальному середовищі середня частота кадрів зросла з 42 до 85 кадрів за секунду, що підтвердило істотне підвищення продуктивності сцени. Водночас підвищення швидкодії не супроводжувалося критичною втратою візуальної якості, оскільки загальна форма об’єктів збереглася на рівні 98-99 %, а рівень візуального занурення залишився високим. Результати дослідження можуть бути використані розробниками додатків віртуальної реальності, фахівцями з комп’ютерної графіки, викладачами, проєктувальниками та інженерами для створення навчальних симуляторів, архітектурної візуалізації, медичних тренажерів і технічних систем віртуальної реальності із підвищеною продуктивністю та збереженням візуальної переконливості.