Optimization of Physics Simulations in 3D Graphics: The Influence of Collision Approximations on Computational Intensity and Simulation Accuracy

Thesis title: Optimalizace fyzikálních simulací v 3D grafice: Vliv kolizních aproximací na výpočetní náročnost a přesnost simulací
Author: Nedbálek, Michal
Thesis type: Bakalářská práce
Supervisor: Dušek, Václav
Opponents: Krauz, Tomáš
Thesis language: Česky
Abstract:
Tato bakalářská práce analyzuje vztah mezi výpočetními nároky fyzikální simulace ve 3D prostředí a její výslednou přesností v závislosti na zvolené kolizní aproximaci. Hlavní motivací je formulovat konkrétní doporučení pro výběr vhodného kolizního tvaru při tvorbě fyzikálních simulací, u kterých je nutné hledat rovnováhu mezi realismem a výkonem. Teoretická část práce nejprve vysvětluje procesy umožňující zkoumání simulací, od základů počítačové animace po principy fyzikálních enginů, konkrétně pak enginu Bullet. Následně se práce věnuje simulačním smyčkám, rozlišným fázím detekce kolizí (broadphase a narrowphase) a souvisejícím matematickým algoritmům, jako Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK) či Expanding Polytope Algorithm (EPA). Popsány jsou také teoretické základy kolizních aproximací, od jednoduchých primitiv po komplexní trojúhelníkové sítě. V praktické části je v prostředí programu Blender realizován kontrolovaný kvantitativní experiment, ve kterém je simulován pád Jenga věže po nárazu projektilu. Použití vlastního Python scriptu umožňuje eliminaci lidského faktoru, plnou automatizaci nastavení fyzikálních parametrů a precizní měření metrik, jako jsou výpočetní čas simulace, její stabilita (míra zbytkového jitteringu) či rozptyl kostek od středu. Kvantitativní analýza výsledků ukazuje, že aproximace Convex Hull nabízí vyšší míru realismu (o 7 % delší uraženou dráhu a o 10 % větší rozptyl kostek), ovšem za cenu nárůstu výpočetního času o 119 % ve srovnání s tvarem Box. Aproximace Box se naopak prokazuje jako stabilnější řešení, a to díky o 19 % nižší míře jitteringu. Třetí testovaný tvar Mesh se ukazuje jako zcela nevhodný pro dynamické objekty kvůli své nestabilitě.
Keywords: 3D grafika; fyzikální simulace; fyzikální engine; kolize; kolizní aproximace; Blender
Thesis title: Optimization of Physics Simulations in 3D Graphics: The Influence of Collision Approximations on Computational Intensity and Simulation Accuracy
Author: Nedbálek, Michal
Thesis type: Bachelor thesis
Supervisor: Dušek, Václav
Opponents: Krauz, Tomáš
Thesis language: Česky
Abstract:
This bachelor’s thesis examines the correlation between computational costs of a physics simulation and its physical accuracy, depending on chosen collision approximation. The main motivation for this thesis is to formulate specific recommendations on choosing the right collision shapes for similar physics simulations in the future. The theoretical part first explains the processes behind simulations, from the basics of computer animation to the principles of physics engines, focusing on the Bullet physics engine. It then pays special attention to simulation loops, distinct phases of collision detection (broadphase and narrowphase) and their corresponding mathematical algorithms, such as Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK) and Expanding Polytope Algorithm (EPA). In addition, the theoretical section provides sufficient background on the differences between various collision approximations, ranging from primitives to complex triangle meshes. The practical part presents a controlled quantitative experiment made in Blender. This experiment consists of a Jenga tower being toppled by a projectile impact. The use of a custom Python script eliminates any potential human interference. Furthermore, it automates the application of all physical parameters on the Jenga blocks and enables the measuring of key data metrics. A few of the metrics to mention are the time needed to finish each simulation, the amount of excess jittering or the scatter distance of all the Jenga blocks from the center. The results of the quantitative analysis show that the Convex Hull approximation offers higher levels of realism (a 7 % increase in the distance travelled by each block and a 10 % larger scatter distance from the center). On the other hand, the Convex Hull approximation tends to be 119 % more computationally excessive than the Box approximation. What is more surprising is the Box collision shape proves to be the more stable alternative due to its 19% lower amount of excess jittering. The Mesh collision shape being examined as the third shape turned out to be completely unsuitable for dynamic objects because of its instability.
Keywords: 3D graphics; Physics simulation; collision approximation; Blender; collision; Physics engine

Information about study

Study programme: Multimédia v ekonomické praxi
Type of study programme: Bakalářský studijní program
Assigned degree: Bc.
Institutions assigning academic degree: Vysoká škola ekonomická v Praze
Faculty: Faculty of Informatics and Statistics
Department: Department of Multimedia

Information on submission and defense

Date of assignment: 15. 1. 2026
Date of submission: 4. 5. 2026
Date of defense: 19. 6. 2026
Identifier in the InSIS system: https://insis.vse.cz/zp/95177/podrobnosti

Files for download

    Last update: