O aumento do poder computacional e conseqüente desenvolvimento das técnicas de simulação numérica, aliados ao avanço tecnológico dos periféricos de medição, fizeram com que muitas áreas de pesquisa, passassem a necessitar de ferramentas gráficas e de auxílio computacional para apoiar o processo de interpretação das informações geradas. A aplicação de técnicas gráficas para ampliar a capacidade de interpretação de dados científicos tem sido denominada visualização em computação científica (ViSC - Visualization in Scientific Computing). Modelos aerodinâmicos construídos no laboratório, foram simulados em software numérico de método dos painéis e submetidos a rotinas desenvolvidas em C++ as quais serviram de superfície para uma ferramenta do tipo biblioteca, de baixo custo, muito utilizada em universidades do mundo todo, chama VTK (Visualization Tool Kit), que possui elementos gráficos para a geração de visualizações de qualquer tipo de dados. Esses códigos em C++ são responsáveis pelos tipos de visualização gerados e principalmente por permitir o uso da ferramenta. As visualizações de distribuição de pressão e isolinhas nas superfícies dos modelos são de suma importância na identificação de problemas aerodinâmicos possibilitando correções e modificações antes mesmo de o modelo ser construído. / The increase of computational power and the technical development of numerical are responsible for the creation of many new areas that use graphics tools and computational aid for the interpretation of the information generated. The application of graphics techniques to increase the capability of scientific interpretation is called ViSC or Visualization in Scientific Computation. Laboratory built freeflight and wind tunnel models were calculated using numerical software and submitted to routines developed in C++ language which produced various types of visualization while using VTK. Visualization of pressure distributions and streamlines on the model surfaces are important for identification of aerodynamic problems and making corrections and modifications possible before the construction of the physical model.

Estruturas de dados volumétricas são de extrema utilidade em várias aplicações, e em particular na área de Visualização Científica. Essas estruturas são úteis em duas etapas do processo de visualização. A primeira é na representação de dados, isto é, de informações associadas aos valores, medidos ou simulados, os quais se deseja visualizar. A outra fase que necessita de uma estrutura de dados é a fase de exploração, ou seja, o modelo criado é usado tanto para exploração interativa quanto para a realização de simulações sobre o mesmo, por exemplo, numa cirurgia virtual. Está em desenvolvimento no ICMC, uma estrutura de dados volumétrica, chamada Singular Half-Face, que tem como característica a modelagem explícita das singularidades presentes no modelo, além de outros elementos topológicos. Este trabalho de mestrado visa testar a viabilidade da estrutura num contexto de visualização em fluxo de dados, incorporando-a à biblioteca gráfica de visualização Visualization ToolKit (VTK), que possui definição extremamente pobre da topologia dos objetos que representa. Adicionando essa nova classe e realizando sobre ela técnicas convencionais de visualização e exploração de dados, é estudada sua capacidade de apoiar todas as fases do processo de visualização. / Volumetric data structures are of extreme utility in various applications, and particularly in the area of Scientific Visualization. These structures are useful in two stages of the visualization process. The first one is in data representation, that is, in the organization of information associated with the values, measured or simulated, to be visualized. The other phase of the visualization data flow that needs a data structure is the exploration phase. It would be useful to have a model designed to be used both for interactive exploration and for simulation in a number of application, for example, in virtual surgery. A volumetric data structure, named Singular Half-Face (SHF) is being developed at the ICMC, that has as its main characteristic the explicit modeling of singularities present in the model, besides other essential topological elements. This dissertation aims at testing the viability of this structure in a context of visualization in data flow, by incorporating it in the Visualization ToolKit (VTK) class library, whose data structures are extremely poor in definition of the topology of the objects that they represent. By adding SHF to this library and carrying out conventional visualization and data exploration on it, we wish to study its support to all the phases of the visualization process.

Geometrical modeling is a crucial aspect of simulations involving manufactured objects. Apart from the pure construction of curves and surfaces, the analysis of their quality is equally important in the design and manufacturing process. In computer-aided simulation, the original freeorm surfaces need to be tessellated into triangulated surfaces before the simulation procedure. To concurrently and interactively visualize the results from both simulation and surface interrogation in a virtual environment, I propose two novel surface interrogation algorithms for triangulated surfaces instead of the traditional freeorm surfaces. The novel algorithms are interactive and immersive versions of two well-established surface interrogation techniques ? reflection lines and generalized focal surfaces. These two algorithms have been designed to overcome some limitations of the traditional approaches and make them available for interactive and immersive applications. For reflection lines, the new algorithm maps the triangulated surface onto the light plane so that the computation of distance between reflection ray and light line in three dimensions can be reduced to computation of intersections between light lines and triangle edges in two dimensions, simplifying the computation. For generalized focal surfaces, the new algorithm estimates curvature by simple computation of the derivatives of a3rd degree triangular Bézier patch on each triangle and removes the requirement for a minimum number of neighbor points and implicit requirements on how the neighbor points are distributed. Proposed future work on real-time rendering of surface interrogation using a texture mapping technique is discussed.

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Este trabalho apresenta o Animbs (Animation for MBS), um sistema capaz de visualizar dados gerados por um sistema de simulação de engenharia (SD/FAST) na forma de animações por computador. SD/FAST é um sistema utilizado para o modelamento e a simulação de sistemas mecânicos multicorpos (MBS). O sistema Animbs permite a associação de uma geometria ao MBS sendo simulado e utiliza os dados produzidos pela simulação do SD/FAST para criar uma animação do comportamento do sistema mecânico e, dessa forma, melhorar a análise de dados feita pelos usuários do SD/FAST. / This work presents Animbs (Animation for MBS), a software that enables the visualization of data generated by an engineering simulation system (SD/FAST) in the form of computer animation. SD/FAST is a system for modeling and simulation of multibody systems (MBS). The Animbs system allows the association of a geometry to the MBS being simulated, and uses the data produced by the SD/FAST simulation to create an animated view of the MBS behavior, thus providing support for enhanced data analysis by users of SD/FAST.

Este trabalho apresenta o Super Spider: um sistema de exploração visual baseado no Spider Cursor, que abrange várias técnicas interativas da área de Visualização Computacional e conta com novos recursos de auxílio à investigação visual, além de ser uma ferramenta portável e flexível. / This work presents the Super Spider: a visual exploration system, based on Spider Cursor, that embraces many interactive techniques of Computer Visualization area and take into account innovative techniques to aid visual investigation, besides consisting of a portable and flexible tool.

Os centros operacionais e de pesquisa em previsão numérica do tempo geralmente trabalham com uma grande quantidade de dados complexos multivariados, tendo que interpretá-los num curto espaço de tempo. Técnicas de visualização científica podem ser utilizadas para ajudar a entender o comportamento atmosférico. Este trabalho descreve a arquitetura e as facilidades apresentadas pelo sistema VisualMet, que foi implementado com base em um estudo das tarefas desenvolvidas pelos meteorologistas responsáveis pelo 8º Distrito de Meteorologia, em Porto Alegre. Este centro coleta dados meteorológicos três vezes ao dia, de 32 estações locais, e recebe dados similares do Instituto Nacional de Meteorologia, localizado em Brasília, e do National Meteorological Center, localizado nos Estados Unidos. Tais dados são resultados de observações de variáveis tais como temperatura, pressão, velocidade do vento e tipos de nuvens. As tarefas dos meteorologistas e as classes de dados foram observadas e analisadas para definir as características do sistema. A arquitetura e a implementação do VisualMet seguem, respectivamente, uma abordagem orientada a ferramentas e o paradigma de programação orientada a objetos. Dados obtidos das estações meteorológicas são instancias de uma classe chamada "Entidade". Três outras classes de objetos representando ferramentas que suportam as tarefas dos meteorologistas foram modeladas. Os objetos no sistema são apresentados ao usuário através de duas janelas, "Base de Entidades" e " Base de Ferramentas". A implementação da "Base de Ferramentas" inclui ferramentas de mapeamento (para produzir mapas de contorno, mapas de ícones e gráficos), ferramentas de armazenamento (para guardar e recuperar imagens geradas pelo sistema) e uma ferramenta de consulta (para ler valores de variáveis de estações selecionadas). E dada especial atenção a ferramenta de mapa de contorno, onde foi utilizado o método Multiquádrico para interpolação de dados. O trabalho apresenta ainda um estudo sobre métodos de interpolação de dados esparsos, antes de descrever detalhadamente os resultados obtidos com a ferramenta de mapa de contorno. Estes resultados (imagens) são discutidos e comparados com mapas gerados manualmente por meteorologistas do 8º Distrito de Meteorologia. Possíveis extensões do presente trabalho são também abordadas. / The weather forecast centers deal with a great volume of complex multivariate data, which usually have to be understood within short time. Scientific visualization techniques can be used to support both daily forecasting and meteorological research. This work reports the architecture and facilities of a system, named VisualMet, that was implemented based on a case study of the tasks accomplished by the meteorologists responsible for the 8th Meteorological District, in the South of Brazil. This center collects meteorological data three times a day from 32 local stations and receives similar data from both the National Institute of Meteorology, located in Brasilia, and National Meteorological Center, located in the United States of America. Such data result from observation of variables like temperature, pressure, wind velocity, and type of clouds. The tasks of meteorologists and the classes of application data were observed to define system requirements. The architecture and implementation of Visual- Met follow the tool-oriented approach and object-oriented paradigm, respectively. Data taken from meteorological stations are instances of a class named Entity. Three other classes of tools which support the meteorologists' tasks are modeled. Objects in the system are presented to the user through two windows, "Entities Base" and "Tools Base". Current implementation of the "Tools Base" contains mapping tools (to produce contour maps, icons maps and graphs), recording tools (to save and load images generated by the system) and a query tool (to read variables values of selected stations). The results of applying the multiquadric method to interpolate data for the construction of contour maps are also discussed. Before describing the results obtained with the multiquadric method, this work also presents a study on interpolation methods for scattered data. The results (images) obtained with the contour map tool are discussed and compared with the maps drawn by the meteorologists of the 8th Meteorological District. Possible extensions to this work are also presented.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa visualizador de processos em aqüíferos intitulado VPA, como módulo integrante de um pa cote de programas computacionais aplicados ao gerenciamento de recursos hídricos subterrâneos denominado SPA (Simulação de Processos em Aqüí- feros). Esse visualizador foi desenvolvido para sistema operacional SuSE Linux, utilizando como ambientes gráficos o KDE e o GNOME. O ambiente de programação Glade 2 foi escolhido para programação e desenvolvimento do visualiza dor. Este ambiente de programação em C é distribuído nos âmbitos de open source development (GNU), e serve como complemento da interface gráfica com o usuário GUI (Graphic User Interfa ce). Em conjunto com esta linguagem de programa ção foi usado o Data Explorer IBM OpenDX, dis-tribuído também nos termos de open source development, como ferramenta para visualização de simulações em duas e três dimensões. Assim, é possível visualizar os resultados gera dos pela simulação de processos de escoamento de fluidos e transporte de poluentes no subsolo por meio dos módulos de pré e pós-processamento do pacote SPA, na forma de dados binários. O mó dulo desenvolvido representa uma alternativa robusta e econômica para a visualização cientí- fica de processos em aqüíferos. / In this work the development of an aquifer poces ses viewer program called VPA is presented. The program is integrated as a module of a compu- tational package devoted to groundwater resources management named SPA (Simulation for Processes in Aquifers). The program was developed on SuSE Linux operational system utilizing KDE and GNOME graphical environments. The graphic templates for the VPA graphical user interface (GUI)were taken from Glade 2. That graphical library is written in C programming language and is distributed under the open source development license (GNU). Scientific visualization routines from Data Ex- plorer IBM OpenDX, also distributed under GNU license, were gathered to VPA giving to it capabi lity to generate two and three-dimensional gra- phics to numerical results. Thus, VPA constitutes the post-processing tool for reading numerical results from binary files and constructing graphics for fluid flow and pol lutant transport simulation in groundwater in the SPA environment. Such module shows itself an economic and robust alternative in scientific visualization to aquifer processes.

Finite element analysis (FEA) software is used to obtain linear and non-linear solutions to one, two, and three-dimensional (3-D) geometric problems that will see a particular load and constraint case when put into service. Parametric FEA models are commonly used in iterative design processes in order to obtain an optimum model given a set of loads, constraints, objectives, and design parameters to vary. In some instances it is desirable for a designer to obtain some intuition about how changes in design parameters can affect the FEA solution of interest, before simply sending the model through the optimization loop. This could be accomplished by running the FEA on the parametric model for a set of part family members, but this can be very timeconsuming and only gives snapshots of the models real behavior. The purpose of this thesis is to investigate a method of visualizing the FEA solution of the parametric model as design parameters are changed in real-time by approximating the FEA solution using surrogate modeling methods. The tools this research will utilize are parametric FEA modeling, surrogate modeling methods, and visualization methods. A parametric FEA model can be developed that includes mesh morphing algorithms that allow the mesh to change parametrically along with the model geometry. This allows the surrogate models assigned to each individual node to use the nodal solution of multiple finite element analyses as regression points to approximate the FEA solution. The surrogate models can then be mapped to their respective geometric locations in real-time. Solution contours display the results of the FEA calculations and are updated in real-time as the parameters of the design model change.

Fish such as the Leopard Shark (Triakis semifasciata) can be tagged on their fin, released back into the wild, and their location tracked though technologies such as autonomous robots. Timestamped location data about their target is stored. We present a way to procedurally generate an animated simulation of T. semifasciata using only these timestamped location points. This simulation utilizes several components. Input timestamps dictate a monotonic time-space curve mapping the simulation clock to the space curve. The space curve connects all the location points as a spline without any sharp folds that are too implausible for shark traversal. We create a model leopard shark that has convincing kinematics that respond to the space curve. This is achieved through acquiring a skinned model and applying T. semifasciata motion kinematics that respond to velocity and turn commands. These kinematics affect the spine and all fins that control locomotion and direction. Kinematic- based procedural keyframes added onto a queue interpolate while the shark model traverses the path. This simulation tool generates animation sequences that can be viewed in real-time. A user study of 27 individuals was deployed to measure the perceived realism of the sequences as judged by the user by contrasting 5 different film sequences. Results of the study show that on average, viewers perceive our simulation as more realistic than not.