[pt] Na última década em Computação Gráfica, foram desenvolvidas várias técnicas de simulação do comportamento de objetos como corpos rígidos, água, fumaça, cabelo e tecido. Enquanto essas técnicas se concentram em modelos físicos simplificados através de fluidos newtonianos monofásicos ou de sólidos ideais, propomos aqui novas técnicas de simulação de fluidos viscoplásticos e multifásicos baseadas numa abordagem lagrangeana da equação de quantidade de movimento. Essas técnicas consistem na discretização do fluido através de um sistema de partículas ao invés dos tradicionais métodos baseados em malhas. A simulação computacional da dinâmica de fluidos é feita utilizando o método numérico conhecido como SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Nessa tese, representamos um material viscoplástico como um fluido não-newtoniano que varia entre os estados sólido e líquido, e de alta para baixa viscosidade dependendo de uma força externa aplicada ao material ou de sua própria temperatura. A simulação de fluidos multifásicos é realizada através de um método híbrido malha-partícula a fim de garantir a incompressibilidade no método SPH. / [en] In the last decade in Computer Graphics, they were development many techniques to simulate the behavior of objects such as rigid bodies, water, smoke, hair and cloth. While these techniques focus in simplifled physical models through monophase fluids or ideal solids, we propose new simulation techniques of viscoplastic and multiphase fluids based on a lagrangian approach of momentum equation. These techniques consist in the fluid discretization through particles system instead of traditional grid-based methods. The computational fluid dynamics is performed using the method called SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). In this thesis, we represent a viscoplastic material like a non-newtonian fluid that it varies between solid and liquid states, and from low to high viscosity depending on the external force applied on material or its own temperature. The simulation of multiphase fluids is made using a hybrid method grid- particle to guarantee the incompressibility of SPH method.

[pt] A geologia sedimentar trata do estudo dos processos físicos, químicos e biológicos atuantes na superfície da Terra não só no presente como também ao longo de toda a sua evolução. Em função disso, ela pode ser aplicada em diversos campos, como, por exemplo, no estudo da formação de combustíveis fósseis. Um dos focos principais da geologia sedimentar reside em determinar os parâmetros e processos pelos quais as bacias sedimentares são preenchidas. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um simulador numérico de sedimentação tridimensional, chamado de STENO, com ênfase nos processos deposicionais em ambientes de plataforma, talude e bacia. O algoritmo do simulador é baseado nos conceitos quantitativos formulados pela Estratigrafia de Seqüências, como mecanismos de controle primário da arquitetura dos estratos sedimentares, e em uma análise numérica para simulação do fluxo bidimensional de um fluido incompressível, em regime permanente, não viscoso, em função da batimetria da região a ser modelada através de um grid regular definido pelo usuário. O campo de velocidades, calculado a partir das velocidades de aporte de sedimentos e das velocidades de corrente, é utilizado para determinar a direção de escoamento dos sedimentos (linhas de correntes). A abordagem dada pelo algoritmo do STENO é inovadora em termos dos algoritmos existentes, pois considera que os sedimentos são transportados hidrodinamicamente, isto é, na direção x e y eles são transportados seguindo as linhas de corrente e na direção z a movimentação/deposição dos sedimentos é controlada pelo ângulo de estabilidade de cada fração litológica (areia, silte ou argila) e pelo volume do espaço disponível para acomodação em cada uma das colunas formadas a partir das células do modelo discretizado. / [en] Sedimentary Geology deals with the study of the physical, chemical and biological processes operating in the surface of the Earth, not only in the present days, but also along all History. Therefore, it can be applied in miscellaneous fields, as, for example, in the study of fossils fuels formation. One of the main focus of sedimentary geology inhabits in determining the parameters and processes for which the sedimentary basins are filled. In this work the development of a numerical simulator of sedimentation 3D, called STENO is presented, with emphasises the depositary processes in platform, slope, and basin environments. The algorithm of the simulator is based on the formulated quantitative concepts for Sequence Stratigraphy, as mechanisms of primary control of the architecture of sedimentary stratus, and in a numerical analysis for simulation of the 2D steady-state flow of a incompressible fluid, not viscous, in function of the bathymetry of the region represented by one regular grid defined by the user. The velocity field calculated from boundary conditions (sediment aport velocity and for field stream velocity) it is used to determine the direction of draining of the sediments (streamlines). The algorithm of STENO is innovative because it considers that the sediments are carried hydrodynamicsly, that is, in direction x and y they are carried following streamlines and in direction z. The movement/deposition of sediments is controlled by an angle of stability of each lithology fraction (sand, silte or clay) and by the volume of the available space for accommodation in each one of the columns formed in the cells of the discretized model.

[pt] A teoria do Comando e Controle estudada sobre a ótica de John Boyd, importante estrategista militar do século XX, é uma poderosa ferramenta não apenas para o escopo militar mas também para qualquer outra atividade civil que demande o monitoramento de pessoas, veículos, embarcações ou quaisquer outros elementos de interesse. Atualmente a introdução de técnicas de computação gráfica são importantes para o ciclo OODA (Observar–Orientar–Decidir–Agir), especialmente nos passos da observação e da orientação. Estes artifícios tornam estas etapas mais eficientes e menos sujeitas a erros. A implementação das premissas de Comando e Controle com a tecnologia atual não é uma tarefa trivial. Aspectos relacionados à escolha de componentes móveis e distribuídos bem como a implementação de diversos elementos gráficos são problemas intrínsecos a esta atividade. Cada um destes aspectos podem ser construídos com uma grande variedade de tecnologias, nem sempre compatíveis entre si. A presente dissertação propõe a construção de um framework de baixo custo capaz de implementar, de maneira eficaz, um sistema informatizado de apoio ao Comando e Controle. O framework é baseado em softwares abertos e confiáveis tendo sua versatilidade comprovada em variados tipos de aplicações. A dissertação também exemplifica a implementação de duas aplicações distintas, demonstrando a tecnologia empregada, a fim de possibilitar a avaliação de diferentes atividades. / [en] The Command and Control theory of John Boyd, a 20th century military strategist, is a powerful tool not only for the military, but also for any civilian activities that require monitoring people, vehicles, boats, or any other elements of interest. Nowadays computer graphics techniques are important for the OODA loop (Observe–Orient–Decide–Act), especially on observing and orienteering steps. They make these steps more efficient and less prone to errors. The implementation of Command and Control techniques with current technology is not a simple task. It involves the implemantation of graphical, mobile and distributed components. Each of these components can be implemented with a variety of technologies, that are often incompatible with each other. This dissertation proposes a low cost framework capable of effectively support the implemantation of a Command and Control computer system. The framework is based on open source reliable technologies and has proven versatile for different types of applications. The dissertation also presents the implementation of two different applications with the proposed technology to support its evaluation.

[pt] Ray-Casting é uma técnica muito usada em visualizção volumétrica para a criação de imagens médicas, a partir de dados obtidos por ressonância magnética (MRI) e tomografias computadorizadas (CT). No entanto, ray- casting tem um alto custo computacional que resulta em um processo de visualização lento, o que compromete a interatividade necessária para uma boa compreensão do conjunto de dados tri-dimensionais.Este trabalho propõe estratégias para a otimização do algoritmo de ray-casting e para melhorar sua eficiência. Além disso, esta tese investiga o uso em um ambiente de computação distribuída, através de um protocolo de comunicação entre estações de trabalho heterogêneas e não dedicadas, conectadas em uma rede local.As idéias propostas foram implementadas em duas versões do algoritmo, uma sequencial e uma paralela. Os resultados obtidos com essas implementações em conjuntos de dados reais mostram que é possível obter tempo interativo com as máquinas disponíveis atualmente e em condições normais de uso da rede local por outros usuários. / [en] Ray-Casting is a useful volume visualization technique applied to medical images such as computer tomography (CT) and magnetic resonance image (MRI). It has, however, a high computational cost that results in a slow rendering process, which compromises the interactivity that is necessary for a good comprehension of the three-dimensional data set. This work proposes optimization strategies to the ray- casting algorithm to improve its effciency. To enhance, even further, the thesis investigates the use of a distributed computer environment through a communication protocol between heterogeneous and non- dedicate LAN-connected workstations. The ideas proposed here were implemented in two versions of the algorithm, one se- quential and one parallel. Test results, obtained with these implementations and real data sets, show that it is possible to obtain interactive time with the current available machines.

[pt] Aplicações móveis devem possuir a capacidade de adaptar seu funcionamento a mudanças no contexto computacional do dispositivo e do usuário. Demandas específicas e espontâneas do usuário, a disponibilidade e a variabilidade de recursos como energia ou conectividade sem fio, assim como mudanças na localização do usuário são possíveis motivos para tais adaptações, que geralmente visam a adequar seu funcionamento ao novo contexto, otimizar o seu desempenho ou personalizar a interface com o usuário. Com o objetivo de oferecer ao desenvolvedor de aplicações móveis maior facilidade na implementação de aplicações dinamicamente adaptáveis, o middleware Kaluana define um modelo de componentes orientado a serviços. Este modelo permite a composição, reconfiguração e implantação de componentes. Aplicações implementadas sobre o middleware podem realizar composições entre componentes em tempo de execução. Logo, essas aplicações são dinamicamente adaptáveis, aproveitando-se das características do modelo. O desenvolvimento de componentes é agilizado por meio do uso de ferramentas de reflexão computacional e orientação a serviços para prover abstrações adequadas ao desenvolvedor. A implementação de aplicações adaptáveis consiste na utilização destes componentes de software. Kaluana foi implementado sobre a plataforma móvel Android e foi testado para aplicações móveis sensíveis a localização e baseadas em mapas. / [en] Mobile applications should have the ability to adapt their behaviour according to changes in their context. Specific or spontaneous user requests, variations in the availability of system resources, like energy or wireless connectivity, or changes of the user’s location are possible reasons for such adaptations, that usually aim to adjust the application’s operation to the new context, optimize its performance or personalize its user interface. Aiming to offer greater facility for implementing dynamically adaptive mobile applications, the Kaluana middleware defines a service-oriented component based model. This model supports dynamic component composition, reconfiguration and deployment. Applications executed on the middleware can compose Kaluana components at execution time. Therefore, these applications are dynamically adaptive, taking advantage of the model features. The components development is faster due to usage of computational reflection tools and service orientation concepts that provide adequate abstractions to the developer. This way, dynamic adaptable applications built upon Kaluana consist on compositions of these software components. Kaluana was implemented on the top of Android platform and was tested for the development of map based location-aware mobile applications.

[pt] Tecnologias de middleware têm sido amplamente adotadas pela indústria de software para reduzir o custo do desenvolvimento de sistemas computacionais. No entanto, é difícil estimar o desempenho de aplicações baseadas em middleware devido a fatores como a especificidade de implementação das plataformas de middleware e a multiplicidade de serviços e configurações provida para diferentes cenários de implantação. O gerenciamento do desempenho de aplicações baseadas em middeware pode ser uma tarefa não trivial. Computação autonômica é um novo paradigma para construir sistemas autogerenciáveis, que procuram operar com o mínimo de intervenção humana. Este trabalho investiga o uso de abordagens estatísticas para construir mecanismos autonômicos de controle do desempenho de aplicações baseadas em middleware. Particularmente, investigamos o tema sob três perspectivas. A primeira é pertinente à previsão de problemas de desempenho. Propomos o uso de técnicas de classificação para derivar modelos de desempenho que auxiliem o gerenciamento autonômico das aplicações. Nesse sentido, diferentes classes de modelos em aprendizado estatístico são avaliadas, tanto em cenários de aprendizado offline quanto online. A segunda perspectiva refere-se à redução da emissão de alarmes falsos, visando a construção de mecanismos robustos a falhas transientes dos classificadores. Este trabalho propõe um algoritmo que aumenta o poder de predição das técnicas de aprendizado estatístico combinando-as com testes estatísticos para a detecção de tendência. Por fim, a terceira perspectiva é pertinente ao diagnóstico das causas de um problema de desempenho. Para esse contexto, também propomos o uso de testes estatísticos. Os resultados apresentados nesta tese demonstram que abordagens estatísticas podem contribuir para a construção de ferramentas eficazes e eficientes para a caracterização do desempenho de aplicações baseadas em middleware. Portanto, essas abordagens podem contribuir de forma decisiva para diferentes perspectivas do problema. / [en] Middleware technologies have been widely adopted by the software industry to reduce the cost of developing computer systems. Nonetheless, predicting the performance of middleware-based applications is difficult due to specific implementation details of a middleware platform and a multitude of settings and services provided by middleware for different deployment scenarios. Thus, the performance management of middleware-based applications can be a non-trivial task. Autonomic computing is a new paradigm for building self-managed systems, i.e., systems that seek to operate with minimal human intervention. This work investigates the use of statistical approaches to building autonomic management solutions to control the performance of middleware-based applications. Particularly, we investigate this issue from three perspectives. The rest is related to the prediction of performance problems. We propose the use of classiffcation techniques to derive performance models to assist the autonomic management of distributed applications. In this sense, different classes of models in statistical learning are assessed in both online and online learning scenarios. The second perspective refers to the reduction of false alarms, seeking the development of reliable mechanisms that are resilient to transient failures of the classifiers. This work proposes an algorithm to augment the predictive power of statistical learning techniques by combining them with statistical tests for trend detection. Finally, the third perspective is related to diagnosing the root causes of a performance problem. For this context, we also propose the use of statistical tests. The results presented in this thesis show that statistical approaches can contribute to the development of tools that are both effective, as well as effcient in characterizing the performance of middleware-based applications. Therefore, these approaches can contribute decisively to different perspectives of the problem.

[pt] Serviços para disseminação de informações (serviços push) têm sido amplamente utilizados, em particular para aplicações envolvendo usuários móveis. Estes serviços geralmente atendem a dispositivos com recursos bem diferenciados e em contextos de execução (conectividade sem fio, reserva de energia, etc.) distintos, fazendo necessário adaptar o conteúdo difundido dinamica- e individualmente para cada cliente. Uma vez que muitas adaptações de conteúdo envolvem operações custosas e demandam alto poder de processamento, estas não devem ser realizadas nos clientes móveis. Por outro lado, executar no servidor, as adaptações para cada cliente móvel, torna- se pouco eficiente e escalável. Assim, em tais serviços, é comum utilizar-se intermediários dedicados às adaptações de conteúdo (de acordo com o contexto) dos clientes. Comunicação assíncrona, como publish/subscribe, é considerada por muitos como a mais apropriada para este tipo de serviço. Por outro lado, sistemas para adaptação de conteúdo sensível a contexto não dão suporte a este tipo de comunicação, até porque a adaptação precisa ser individual, e portanto conflita com o paradigma de comunicação um-para-muitos. Neste trabalho apresentamos uma arquitetura para sistemas publish/subscribe com adaptação sensível a contexto, que utiliza um algoritmo que otimiza a adaptação de conteúdo para grandes conjuntos de clientes de uma difusão. / [en] Services for information dissemination (push services) are being widely used, in particular for applications involving mobile users. These services generally serve devices with diferent resources and with distinct execution contexts (wireless connectivity, energy source, etc.), making it necessary to adapt disseminated content individual and dynamically for each client. Since many content adaptations involve costly operations and demand high processing power, these should not be executed at the mobile clients. On the other hand, it is neither efficient nor scalable to execute the adaptations for each mobile client at the server. Thus, in such services, it is common to use proxies dedicated to content adaptations (based on the context) of clients. Asynchronous communication, such as publish/- subscribe, is considered the most appropriate form of communication for this type of service. On the other hand, systems for context-aware content adaptation do not support this type of communication. In this thesis we present an architecture for publish/subscribe systems with context-aware content adaptation, that uses an algorithm that optimizes the content adaptation for large sets of clients.

[pt] O desenvolvimento de metaheurísticas paralelas autonômicas para serem executadas eficientemente em ambientes de grid é o objetivo desta tese. A aplicação paralela deve ser capaz de se auto-adaptar às mudanças que ocorrem dinamicamente no ambiente, sem que o usuário precise interferir diretamente no código da mesma. Para isso, a metaheurística autonômica deve ser vista como uma aplicação com dois níveis independentes: middleware e estratégia. O middleware é responsável por gerenciar todo o ambiente de execução, de acordo com as características da aplicação. A estratégia hierárquica distribuída permite a cooperação entre todos os processos envolvidos, sem degradar o desempenho da aplicação devido ao aumento da comunicação entre processos. Para validar esta proposta foram desenvolvidas duas implementações paralelas de metaheurísticas, uma para o problema do torneio com viagens espelhado e a outra para o problema da árvore geradora de custo mínimo com restrição de diâmetro. Para ambos os problemas, as implementações desenvolvidas foram testadas no ambiente grid Sinergia, formado por máquinas localizadas em três diferentes cidades do Estado do Rio de Janeiro. As parelizações foram capazes de melhorar, para várias instâncias, os melhores resultados conhecidos na literatura. / [en] The development of autonomic parallel metaheuristics to be efficiently executed in computational grid is the challenge of this thesis. The parallel application must be able to self-adjust to the changes that occur dynamically in the environment, without the user needing to interfere directly in the code of the application. For this, the autonomic metaheuristic should be seen as an application on two independent levels: middleware and strategy. The middleware is responsible for managing the entire execution environment, according to the characteristics of the application. The distributed hierarchical strategy enables the cooperation between all processes involved, without degrading the performance of the application due to increased communication between processes. To validate this proposal, two parallel implementations of metaheuristics were developed, one for the mirrored traveling tournament problem and the other for the diameter constrained minimum spanning tree problem. For both problems, the developed implementations were tested in the grid Synergy environment, formed by machines located in three different cities in the state of Rio de Janeiro. The paralelizations improved, for several instances, the best known results in the literature.

[pt] As Unidades de Processamento Gráfico (GPUs), ou Placas Gráficas, são processadores que foram originalmente projetados para executar tarefas dedicadas às operações da computação gráfica. Porém, a NVIDIA desenvolveu uma extensão da linguagem C para programação de GPUs, chamada CUDA (Compute Unified Device Architecture). Isto permitiu utilizá-las, na Computação de Alto Desempenho, para processar dados genéricos. Já os sistemas físicos estudados pela Mecânica Quântica apresentam dimensões próximas da escala atômica, tais como moléculas, átomos, prótons e elétrons. A Teoria do Funcional da Densidade (DFT) é um dos métodos iterativos mais usados para encontrar uma solução aproximada para a equação de Schrödinger. Contudo, os cálculos realizados em DFT são computacionalmente intensos devido às integrais de troca e correlação eletrônica, integrais para o cálculo da energia de Hartree e energia cinética dos elétrons, as quais requerem maior esforço computacional à medida que o número de elétrons presentes na simulação aumenta. Esta pesquisa teve como objetivo estudar os cálculos do DFT e identificar partes do algoritmo que, se alteradas, apresentassem benefícios de desempenho ao serem executadas em GPU. Assim, funções computacionalmente intensas do método DFT do SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) foram paralelizadas e usadas para calcular propriedades físicas de nanotubos e fulerenos. Verificou-se que a execução da versão paralela do SIESTA para GPU é capaz de atingir ganhos em desempenho, em funções individuais, de uma ou até duas ordens de grandeza, tornando promissor o emprego de GPUs em acelerar o processamento da Teoria do Funcional da Densidade. / [en] The graphics processing units (GPUs), or graphics cards, are processors that were originally designed to perform dedicated tasks to the computer graphics operations. However, NVIDIA has developed an extension of the C language for programming GPUs, called CUDA (Compute Unified Device Architecture). This allowed the use of GPUs, in High Performance Computing, for processing generic data. The physical systems studied by quantum mechanics have dimensions close to atomic scale, such as molecules, atoms, protons and electrons. The Density Functional Theory (DFT) is one of the most used interactive methods to find an approximated solution to the Schrödinger equation. However, the calculations in DFT are computationally intensive because of the exchange and correlation electronic integrals, integrals to calculate the Hartree energy and electrons kinetic energy, which requires greater computational effort as the number of electrons present in the simulation increases. This research aimed to study the DFT calculations and identify parts of the algorithm that, if changed, experience performance benefits from execution in GPU. Thus, computationally intensive DFT functions of the SIESTA method (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) were parallelized and used to calculate the physical properties of nanotubes and fullerenes. It was found that the implementation of SIESTA parallel version on the GPU is able to achieve gains in performance, in individual functions, of one or even two orders of magnitude, making it promising employment of GPUs to speed up the processing of Density Functional Theory.

[pt] Tecnologia Assistiva (TA) visa compensar limitações funcionais motoras, sensoriais ou cognitivas de seus usuários. Uma das razões pela qual TA é difícil de projetar e transformar em um produto é a variabilidade dos tipos e graus de deficiência e das características individuais dos seus os usuários (físicas, psicológicas, culturais e ambientais). Esta variabilidade pode ser tratada por meio de configurações. Este trabalho tem como ponto de partida a premissa de que a capacidade para o usuário final de adaptar a TA pode ter o potencial para melhorar a experiência de uso e a qualidade dos produtos. No entanto, antes de empreender tal esforço, devemos responder a perguntas como: o que é configuração no domínio da TA? O que significa a TA para os seus usuários (e para as pessoas ao redor deles)? O que pode, deve ou não deve ser configurado e como? Neste trabalho, foi realizado um estudo de caso que mistura etnografia e pesquisa-ação com um único participante tetraplégico que veio ao nosso laboratório em busca de tecnologia para ajudá-lo em sua vida cotidiana. Primeiro, nós o entrevistamos e observamos suas necessidades e atividades diárias e, em seguida, desenvolvemos uma plataforma protótipo de TA que controla alguns dispositivos, operada simultaneamente por gesto e interação de voz em sua casa inteligente. Ao longo de dois ciclos de pesquisa-ação, investigamos questões de interação e tecnológicas em relação à configuração e ao uso do nosso protótipo. Com base em nossos resultados, propomos um conjunto de dimensões e um framework colaborativo para a configuração de TA. Nossa principal contribuição é propor uma estrutura conceitual para organizar o espaço do problema de configuração de TA que pode apoiar a criação de tecnologias semelhantes. / [en] Assistive Technology (AT) aims at compensating for motor, sensory or cognitive functional limitations of its users. One of the reasons AT is hard to design and turn into a product is the variability of kinds and degrees of disabilities and individual characteristics among users (physical, psychological, cultural and environmental). This variability can be addressed by means of configurations. This work takes as a starting point the premise that the ability for the end-user to adapt AT may have the potential to improve user s experience and the quality of the products. However, before engaging in such endeavor we must answer questions like: what is configuration in the AT domain? What does AT mean to users (and stakeholders)? What could, should or should not be configured and how? In this work, we conducted a case study mixing ethnography and actionresearch with a single tetraplegic participant who came to our lab seeking for technology that could help him in his daily life. First, we interviewed him and observed his daily needs and activities and then we developed an AT platform prototype that controls some devices to be operated simultaneously by gesture and voice interaction in his smart home. Throughout two action-research cycles, we investigated interaction and technological issues regarding our prototype configuration and use. Based on our findings, we propose a set of dimensions and a collaborative framework for AT configuration. Our main contribution is to propose a conceptual structure for organizing the AT configuration problem space to support the design of similar technologies.