ТОПОЛОГІЧНІ СТРУКТУРИ ВІРТУАЛЬНОЇ РЕАЛЬНОСТІ

Анотація

У статті розв’язано актуальну науково-практичну проблему підвищення обчислювальної ефективності рендерингу та забезпечення стабільності динамічної деформації тривимірних поверхонь у системах віртуальної реальності в режимі реального часу. Сучасні технології тривимірного сканування, сегментації медичних знімків та генеративного штучного інтелекту створюють високополігональні неструктуровані сітки з надмірною щільністю (до 107 полігонів) і численними топологічними дефектами. Безпосередній рендеринг таких об’єктів на автономних VR-гарнітурах викликає критичне падіння частоти кадрів нижче норми у 90 FPS та виникнення ефекту кіберзаколисування. Традиційні методи спрощення геометрії хаотично руйнують структуру направляючих ліній, що призводить до появи візуальних артефактів та зламів сітки під час анімації.

Для подолання цих обмежень розроблено алгоритм адаптивної ретопології, що базується на декомпозиції геометричних даних на два незалежні рівні. А саме, обчислювально легкий регулярний чотирикутний каркас та карту високочастотних деталей для апаратного прорахунку освітлення. Математичний апарат алгоритму поєднує первинне спрощення за метрикою квадратичної помилки із контролем Ейлерової характеристики для збереження топологічного роду поверхні, а також генерацію тангенціального орієнтаційного крос-поля. Це дозволило автоматично прокладати ребра полігонів уздовж ліній головних кривизн поверхні та переносити топологічні сингулярності у статичні, нерухомі під час анімації зони об’єкта.

Експериментальна апробація розробленого алгоритму здійснена у середовищі Unreal Engine 5.5 на автономній VR-гарнітурі Meta Quest 3 та стаціонарній системі PCVR. Для тестування використано три типи моделей- високоточний скан голови людини, анатомічну модель серця та індустріальний механічний вузол. Результати моделювання показали, що запропонований метод забезпечує зниження середньої геометричної похибки Гаусдорфа в 4,5 раза порівняно з традиційною децимацією. При цьому час генерації одного кадру на Meta Quest 3 скоротився до 8,3–10,8 мс, що дозволило досягти стабільної частоти кадрів на рівні 92–120 FPS.

Ключові слова: топологічні структури, моделювання, нейронні мережі, віртуальна реальність, міміка аватару