[pt] Muitas são as aplicações onde se faz necessário transmitir modelos 3D via Internet. Entre eles merece destaque o compartilhamento de dados entre ambientes colaborativos situados em diferentes localidades. Este compartilhamento permite a sua análise e visualização, porém restrições de largura de banda da rede (Internet/Intranet) assim como o custo de armazenamento limitam a complexidade do modelo a ser transmitido/armazenado. As malhas geométricas são utilizadas em diferentes áreas da computação gráfica e visualização científica, como exemplos podem se citar elementos finitos os quais são utilizados em modelos CAD, jogos, modelagem de terrenos, geometria computacional entre outros. Devido à grande complexidade das malhas, estas são processadas por meios computacionais usando alguma estrutura de dados que represente da melhor forma o modelo em questão. A principal motivãção deste trabalho é verificar a viabilidade do uso de uma nova estrutura de dados para representar e comprimir malhas irregulares (triângulos e quadrângulos). Nesta nova abordagem será apresentada a estrutura de dados CHalfEdge. Ela usa os conceitos e idéias da representação HalfEdge e esta por sua vez possui um baixo custo de armazenamento e mantém um alto poder de expressão. Neste trabalho é desenvolvido tambem um algoritmo de compressão de malhas triangulares e/ou quadrangulares com suporte a alças. Este novo algoritmo proposto é uma extensão da compressão de malhas triangulares EdgeBreaker. / [en] Many applications need to transmit 3D models over the Internet, among those data sharing between collaborative environments situated in different locations. Those data sharing aim to analyze and visualize them but bandwidth constraints and storage costs limit the complexity of models than can be transmitted/stored. Polygonal meshes are used in different areas of Computer Graphics and Scientific Visualization. For instance, finite elements and boundary representations are used in CAD models, games, terrain modelling, etc. Due the great complexity of those meshes, they must be represented by a specific data structure that suits them. The main motivation of this work is to verify the feasibility of the use of a new data structure to represent and to compress irregular meshes (triangles and quads). It is introduced the CHalfEdge data structure based on the ideas of the HalfEdge data structure, which are used to represent models by boundary representation. In this work it is also proposed a new algorithm to compress and decompress irregulars meshes with genus, this new algorithm is an extension of the EdgeBreaker compression for regular meshes.

[pt] A interpretação tridimensional de conjuntos densos de linhas exige o uso de modelos de iluminação mais elaborados. A oclusão ambiente é uma técnica utilizada para simular, de forma realista e barata, a iluminação ambiente indireta. Este trabalho apresenta um novo algoritmo para renderização de linhas com oclusão de ambiente. O algoritmo proposto é baseado na voxelização da cena e no cálculo do volume ocupado do hemisfério associado a cada ponto do linha. Propõe-se uma adaptação no algoritmo de voxelização de cenas 3D formada por sólidos para o tratamento correto da cena formada por linhas. Assim, uma descrição volumétrica da geometria é criada em um buffer de textura. O hemisfério em torno de cada ponto visível é amostrado por diversos pontos, e para cada amostra se acessa um prisma, cujo volume ocupado é calculados a partir da voxelização. Ao acumular os resultados de cada amostra, estima-se a oclusão de ambiente causada pela geometria em cada ponto visível pelo observador. Esta estratégia mostra-se adequada, pois tem como resultado imagens com alta qualidade em tempo real para cenas com grande complexidade. / [en] The three-dimensional understanding of dense line sets requires the use of more sophisticated lighting models. Ambient occlusion is a technique used to simulate realistically and efficiently, the indirect ambient lighting. This paper presents a new algorithm for rendering lines with ambient occlusion. The proposed algorithm is based on the voxelization of the scene and on the computation of occlusionin the hemisphere associated to each visible point. It is proposed an adaptation of the voxelization algorithm of 3D scenes made up of solids to the correct treatment of the scene formed by lines. Thus, a volumetric geometry description is created in a texture buffer. The hemisphere around every visible point is sampled by several points, and for each sample is generated a prism, which occluded volume is calculated from the voxelization. By accumulating the results of each sample, the estimated ambient occlusion caused by the geometry at each point visible to the observer is computed. This strategy proved to be appropriate, resulting in high-quality images in real time for complex scenes.

[pt] Interferometria tem sido utilizada para estudar uma variedade de efeitos físicos, desde os experimentos iniciais de Michelson e Morley que forneceram evidências para a teoria da relatividade restrita até os aparelhos de detecção de ondas gravitacionais utilizado no Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). O Propósito dessa dissertação é entender como explorar anyons e suas características únicas para construir interferômetros. Anyons são quasipartículas bi-dimensionais conhecidas por apresentarem estatística fracionária e possuírem aplicações em modelos de computação quântica. Para estudar sua utilidade no contexto de interferometria nós apresentamos uma perspectiva de computação quântica para experimentos de interferência. Em seguida, introduzimos modelos anyônicos e suas aplicações em computação quântica universal. Propomos um circuito quântico que implementa um certo tipo de interferômetro, e como realizá-lo em diferentes modelos anyônicos. Finalmente, discutimos um modelo de computação quântica baseado em ótica linear de anyons fermiônicos que permitiria a criação de uma versão lógica do nosso interferômetro em termos de um interferômetro físico. / [en] Interferometry has been used to study a variety of physical effects, from the early experiments of Michelson and Morley that provided evidence to special relativity to the more recent gravity-wave detection devices used by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) experiment. The purpose of this thesis is to understand how one can exploit anyons and its unique characteristics to build interferometers, and understand whether there are immediate advantages in doing so. Anyons are two-dimensional quasiparticles known for their unusual fractional statistics and applications in quantum computing models. To study their usefulness in the context of interferometry, we present a quantum computational approach to interference experiments. Next we give an introduction to anyon models and how they can be used to perform universal quantum computing. We propose a quantum circuit which implements a certain type of interferometer, and how it can be realized in different anyon models. Finally, we discuss a quantum computing model based on linear optics with fermionic anyons that would enable the creation of a logical version of our interferometer in terms of a physical interferometer.

[pt] Esta tese investiga a utilização de computação evolutiva aplicada à síntese de circuitos eletrônicos. A computação evolutiva compreende uma classe de algoritmos que utilizam certos aspectos da evolução natural como metáforas. Particularmente, a seleção natural, a recombinação de material genético e a mutação são os mecanismos biológicos nos quais a maior parte destes algoritmos evolutivos buscam inspiração. Embora algoritmos evolutivos tenham encontrado em problemas de otimização o seu maior potencial de aplicação, a utilização dos mesmos na síntese de circuitos eletrônicos vem sendo intensamente investigada nos últimos anos, dando início à área de pesquisa denominada de Eletrônica Evolutiva. Esta tese enfoca a área de eletrônica evolutiva sob o ponto de vista de engenharia de circuitos, e seu maior objetivo é oferecer embasamento teórico e experimental para proposta de novas ferramentas de Computer Aided Design (CAD) de circuitos eletrônicos. Nesta pesquisa, a utilização de algoritmos evolutivos não se restringiu àqueles que empregam apenas os três operadores genéticos descritos anteriormente, isto é, seleção, recombinação e mutação. Investigou-se a inclusão de novos métodos e operadores ao fluxo básico dos algoritmos evolutivos, com o propósito de melhorar seu desempenho em problemas na área de Eletrônica Evolutiva. Particularmente, estudou-se a utilização de complexidade através de sistemas com representação variável sistemas evolutivos que utilizem como metáfora o conceito biológico de especiação. Além disso, uma nova metodologia para otimização com múltiplos objetivos, baseada em conceitos de aprendizado de Redes Neurais Artificiais, for também concebida nessa tese. Realizou-se um amplo estudo de casos, abrangendo eletrônica analógica, digital e microeletrônica. Uma grande variedade de circuitos de caráter prático foi sintetizada, tais como: filtros, amplificadores, osciladores, retificadores, receptores, comparadores, multiplexadores e portas digitais básicas. Novos paradigmas de eletrônica evolutiva foram também concebidos, com o intuito de tornar os circuitos projetados competitivos com aqueles convencionalmente utilizados; estes paradigmas referem-se à forma como os circuitos são avaliados ao longo do algoritmo evolutivo. A plataforma para realização dos experimentos consistiu de simuladores de circuitos e também de circuitos integrados reconfiguráveis. Os resultados mostram que esta nova classe de ferramentas de CAD pode chegar a circuitos mais eficientes do que os obtidos por ferramentas convencionais. Além disso, circuitos eletrônicos sintetizados por computação evolutiva são em geral bastante distintos daqueles projetados convencionalmente, o que contribui para a concepção de novas metodologias de projeto. / [en] This thesis investigates the application of evolutionary computing techniques in the synthesis of electronic circuits. Evolutionary computation encompasses a particular class of algorithm which employ some aspects of natural evolution as metaphors. Particularly, most of these algorithms borrow ideas from the natural selection, genetic material recombination and mutation biological mechanisms. Even though evolutionary algorithms have been intensively investigates recently, starting a new research area called Evolutionary Electronics. This work focuses on evolutionary electronics from a enginnering perspective and the main objective is the proposal of a new generation of a Computer Aided Design (CAD) tools. Many case studies have been analysed, covering digital and analog microelectronics. The work aimed the achievement of competitive results comparing to other CAD tools. The research has made use of evolutionary algorithms tailored to these application, by including other genetic operators besides the ones defined above. The following methods have been embedded in the evolutionary methodology: memory based genetic algorithms, use of variable length representation systems and the use of the biological speciation metaphor. Furthermore, a new multiple-objective optimization method, based on artificial neural networks learning algorithms, has also been employed in the case studies. A large number of circuits of practical interest have been sysnthesised, such as filters, amplifiers, oscillators, rectifiers, receptors, comparators refer to new approaches for circuits evaluation, particularly in the digital domain. Circuit simulators and analog the reconfigurable circuits have been used as platforms for the evolutionary process. The results show that the circuits synthesided through evolutionary computation are, in some cases, more efficient than the human designed ones. Besides, the evolved circuits are usually quite different from their human designed counterparts, which can contribute to the creation of new design methodologies. The author identified many promising ways of evolutionary algorithms application in analog and digital design, which may, in the future, overcome conventional design in terms of area, speed and power consumption.

[pt] Modelagem de canais turbidíticos é um tema muito presente nas pesquisas da extração do petróleo. O desafio encontra-se em elaborar formas de extração e identificação desses canais em uma superfície pré-determinada. De outro lado, tem-se a sísmica que pode gerar, no resultado final da captação, listas de probabilidades do acúmulo de hidrocarbonetos desta superfície. Unindo estes assuntos, o objetivo deste trabalho é criar um modelo de extração de canais turbidíticos a partir de superfícies interpretadas pela sísmica, utilizando técnicas computacionais e, em particular, um algoritmo de erosão volumétrica. Além do modelo final proposto nesta pesquisa, uma contribuição foi agregar uma particularidade probabilística do dado 3D, em estudo, no algoritmo de erosão utilizado. / [en] Turbidite channels modeling is a very present theme in oil extraction research. The challenge lies in elaborating ways of extracting and identifying these channels on a predetermined surface. On the other hand, seismic data can generate, in the final result of the capture, lists of probabilities of the accumulation of hydrocarbons on this surface. Bringing these subjects together, the objective of this work is to create a model for the extraction of turbiditic channels from surfaces interpreted by Seismic, using computational techniques and, in particular, a volumetric erosion algorithm. In addition to the proposed model in this research, one contribution was to add a probabilistic particularity of the 3D data in the erosion algorithm used.

[pt] Aplicações de Realidade Virtual (VR) com rastreamento de movimentos da cabeça precisam de efeitos de espacialização de alta qualidade. A abordagem tradicional para RV/jogos (interpolação dos canais L+R para construção do estereo) se mostrou insuficiente por ser incapaz de simular a acústica do mundo real. Por isso a pesquisa na área tem migrado para espacialização 3D do áudio. O receptor tem a sensação de que o som veio de um local no espaço 3D. Em outras palavras, ele pode localizar o emissor apenas pelo áudio por consequência permite a construção ambientes mais imersivos e coerentes quando usados em conjunto de técnicas visuáis. Nesse novo contexto, motores de jogos devem prover aos designers de áudio uma gama de ferramentas especializadas para a espacialização de àudio 3D além as de uso geral, que encluem: reverberações e reflexões usadas na construção de ambientes como igrejas e cavernas (locais com ecos); modulação, para criar variações de frequência e aliviar na repetitividade de sons recorrentes (como os de passos e tiros); mix e fade de volumes, utilizado na criação de momentos dramáticos na história e reprodução musical. Nesse trabalho, nós propomos um motor de áudio de tempo real para espacialização de fontes sonoras pontuais em ambientes virtuais. Vai possuir uma arquitetura documentada e de código aberto que provê um conjunto de efeitos e a habilidade de os compor. Nós implementamos a espacialização de áudio em 3D sobre bancos de dados de respostas impulsionais da cabeça (HRIRs) e efeitos sonoros com técnicas de processamento digital de sinais (DSP). Apesar da existência de sistemas comerciais poderosos de áudio para VR estejam disponíveis (e.g. Oculus), nosso protótipo pode ser uma alternativa se a simplicidade, testabilidade e ajustes forem levados em conta. / [en] Virtual Reality (VR) applications with low-latency head tracking require high-quality spatial audio effects. However, classic VR/game sound approaches cannot properly simulate the acoustic of the real world. Current audio research is moving towards 3D spatial audio to have a more realistic simulation. In 3D spatial audio, the listener has the sensation that sound comes from a particular direction in 3D space. In other words, the listener can localize a source based on audio and have a more coherent and immersive experience when paired with visual simulation. In this new context, game engines should provide sound designers with a set of 3D spatial audio tools. The following common effects are desirable in this type of toolbox: reverberations and reflections, which can be employed in the creation of caverns or churches (places with lots of echoes); modulation, which can increase the perceived variety of a recorded sound, by slightly varying its pitch (as in the sounds of footsteps); mixing and fading volumes, which can create dramatic moments in storytelling and music reproduction. In this work, we propose a realtime audio engine to spatialize sound point sources in virtual environments. This engine is an open-source architecture that provides a basic set of audio effects and an efficient way to mix and match them. We implement 3D audio spatialization by leveraging recorded head-related impulse responses (HRIRs) and we produce special sound effects with digital signal processing (DSP) techniques. Although some powerful commercial audio SDKs for Virtual Reality are currently available (e.g. Oculus), our audio engine prototype may be a flexible option when adaptation, simplification, testing, and parameter tuning are necessary.

[pt] O processo de renderização fotoreal para cinema e TV demanda, cada vez mais, poder de processamento, necessitando não só de algoritmos paralelos, bem como sistema de distribuição de tarefas. No entanto, mesmo em sistemas de produção, o tempo necessário para avaliar uma animação pode chegar a vários dias, dificultando a melhoria da qualidade artística e limitando alterações. Neste trabalho foca-se na otimização de três processos inerentes à renderização, a renderização local, na qual o sistema trabalha para renderizar um conjunto de pixels de forma otimizada, aproveitando os recursos de hardware disponíveis e aproveitando dados de renderizações previamente realizadas, pelo nó ou teste. O processo de gerenciamento, extremamente crítico para o resultado, é alterado para não só distribuir, mas analisar toda a infraestrutura de renderização, otimizando o processo de distribuição e permitindo o estabelecimento de metas como prazo e custo. Além disso, o modelo de gerenciamento é expandido para a nuvem, utilizando-a como transbordo de processamento. Ainda, um novo processo foi criado para avaliar a renderização de forma colaborativa, onde cada nó comunica resultados parciais e assim otimiza a renderização de outros. Por fim, diversas técnicas inovadoras foram criadas para melhorar o processo como um todo, removendo desperdícios e reaproveitando trabalho. / [en] The photorealistic rendering process for cinema and TV increasingly demands processing power, requiring fast parallel algorithms and effective task distribution systems. However, the processes currently used by the academia and by the industry still consume several days to evaluate an animation in super-resolution (typically 8K), what makes difficult the improvement of artistic quality and limits the number of experiments with scene parameters. In this work, we focus on the optimization of three processes involved in photorealistic rendering, reducing the total time of rendering substantially. Firstly, we optimize the local rendering, in which the system works to render a set of pixels optimally, taking advantage of the available hardware resources and using previous rendering data. Secondly, we optimize the management process, which is changed not only to distribute frames but also to analyze all the rendering infrastructure, optimizing the distribution process and allowing the establishment of goals as time and cost. Furthermore, the management model is expanded to the cloud, using the cloud as a processing overflow. Thirdly, we propose a new optimized process to evaluate the rendering task collaboratively, where each node communicates partial results to other nodes, allowing the optimization of the rendering process in all nodes. Altogether, this thesis is an innovative proposal to improve the whole process of high-performance rendering, removing waste of resources and reducing rework.

[pt] Esta dissertação apresenta a solução de balanceamento de carga baseada em fatias de processamento de dados (Data Processing Slice Load Balancing solution) para permitir o balanceamento de carga dinâmico do processamento de fluxos de dados em sistemas baseados em DDS (Data Distribution Service). Um grande número de aplicações requer o processamento contínuo de alto volume de dados oriundos de várias fontes distribuídas., tais como monitoramento de rede, sistemas de engenharia de tráfego, roteamento inteligente de carros em áreas metropolitanas, redes de sensores, sistemas de telecomunicações, aplicações financeiras e meteorologia. Conceito chave da solução proposta é o Data Processing Slice, o qual é a unidade básica da carga de processamento dos dados dos nós servidores em um domínio DDS. A solução consiste de um nó balanceador, o qual é responsável por monitorar a carga atual de um conjunto de nós processadores homogêneos e quando um desbalanceamento de carga é detectado, coordenar ações para redistribuir entre os nós processadores algumas fatias de carga de trabalho de forma segura. Experimentos feitos com grandes fluxos de dados que demonstram a baixa sobrecarga, o bom desempenho e a confiabilidade da solução apresentada. / [en] This thesis presents the Data Processing Slice Load Balancing solution to enable dynamic load balancing of Data Stream Processing on DDS-based systems (Data Distribution Service). A large number of applications require continuous and timely processing of high-volume of data originated from many distributed sources, such as network monitoring, traffic engineering systems, intelligent routing of cars in metropolitan areas, sensor networks, telecommunication systems, financial applications and meteorology. The key concept of the proposed solution is the Data Processing Slice (DPS), which is the basic unit of data processing load of server nodes in a DDS Domain. The Data Processing Slice Load Balancing solution consists of a load balancer, which is responsible for monitoring the current load of a set of homogenous data processing nodes and when a load unbalance is detected, it coordinates the actions to redistribute some data processing slices among the processing nodes in a secure way. Experiments with large data stream have demonstrated the low overhead, good performance and the reliability of the proposed solution.

[pt] Em torno de 50 por cento das pessoas com autismo apresentam dificuldades em desenvolver qualquer tipo de linguagem funcional. Este estudo apresenta o desenvolvimento e avaliação de um jogo colaborativo multiusuário para interface tangível portável. O jogo foi projetado a partir de requerimentos de um grupo de crianças com autismo, visando estimular a comunicação mediante estratégias colaborativas. Para isso, o jogo foi projetado para interação por duplas de usuários. Cada usuário dispõe de uma interface tangível portável para compartilhar recursos do jogo. Esse compartilhamento e observado pela dupla numa tela maior. O jogo foi avaliado seguindo aspectos de pesquisa relacionados com o interesse dos usuários frente a tecnologia, a percepção de cada usuario do seu interlocutor e as intenções de comunicação geradas entre os usuários para conseguirem colaborar entre si. Foram realizados testes durante 8 semanas com 4 crianças com autismo. Os resultados indicam que tanto o ambiente proporcionado pela tecnologia utilizada quanto as estratégias do jogo permitiram estimular nos usuários, em um ou outro grau, a comunicação através desse espaço de compartilhamento. / [en] About 50 per cent of people diagnosed with autism have dificulties in developing any kind of functional language. This paper presents the development and evaluation of a multi-user collaborative game for mobile tangible interfaces. The game was designed based on requirements of a group of children with autism, in order to stimulate communication through collaborative strategies. The game was designed for interaction by pairs of users. Each user has a mobile tangible interface to share game resources and a TV as a shared space. The game was evaluated following research aspects related to the interest of the users on the technology, the perception of each user s interlocutor and communication intentions observed between the users to collaborate with each other. Tests were carried out for 8 weeks with 4 children with autism. The results indicate that both the environment provided by the technology used as well as the strategies of the game have stimulated the users communication through this shared space.

[pt] A interpretação de falhas sísmicas é uma tarefa complexa e trabalhosa, que está sujeita à experiência do geólogo. Normalmente ela é auxiliada pela análise de atributos sísmicos, que podem não ser suficientes para uma clara visualização das falhas. Este trabalho realiza uma análise dos métodos atuais que utilizam ACO para o realce de atributos de falha, de forma a entender a contribuição de cada etapa para o resultado. Com base nessa análise, um novo método é proposto, o qual elimina as fraquezas encontradas de forma a buscar uma convergência mais estável e rápida ao resultado. / [en] The interpretation of seismic faults is a complex and labourious task, which is dependent on the experience of the geologist. The interpretation is normally aided by seismic attributes. However, they may not be enough for a clear visualization nor to be used in automatic extraction methods. This dissertation accomplishes an examination of the state of the art ACO algorithms for fault enhancement. This study reveals the importance, contributions and weaknesses of each step of these methods. From there, a new method is proposed, which eliminates some of the problems found, acquiring a more stable and quick convergence of the end result.