[pt] Nesta dissertação, propomos um método não supervisionado para modelar o pavimento da calçada da praia de Copacabana, e pavimentos de pedras portuguesas em geral. Dada uma imagem de referência em preto e branco, a saída do algoritmo proposto são as geometrias individuais de todas as pedras que compõem o pavimento. Diferentemente das técnicas anteriores para criação de mosaicos, focamos em capturar as particularidades desses pavimentos: as pedras (ladrilhos) devem seguir completamente as arestas da imagem, sendo em sua maioria representadas por quadriláteros irregulares sem orientação específica. Um conjunto de experimentos demonstra a eficácia e estabilidade da nossa proposta. / [en] In this dissertation, we propose an unsupervised method to model the Copacabana beach sidewalk pavement, and Portuguese pavements in general. Given a black and white source image, the proposed method outputs the geometry of all individual stones that compose the pavement. Different from previous mosaic techniques, we focus on capturing the particularities of such pavements: stones (tiles) follow the edges, being mostly represented by irregular quadrilaterals with no particular orientation. A set of experiments demonstrates the effectiveness and stability of our proposal.

[pt] Em geologia sedimentar estudam-se as formações e evoluções de sedimentos que formam camadas rochosas que encobrem a crosta terrestre. Diferentes processos físicos, químicos e biológicos são responsáveis pela formação e distribuição de sedimentos. Em um ambiente subaquoso são predominantes as rochas sedimentares de origem terrígena e carbonática. As rochas carbonáticas são oriundas de processos químicos, bioquímicos e aloquímicos envolvendo a deposição e decomposição de organismos ricos em cálcio como algas, conchas e corais. Essas rochas vêm sendo amplamente estudadas na indústria de óleo e gás, pois podem ser bons reservatórios de hidrocarbonetos. Tendo em vista a importância destas rochas, este trabalho concentra-se na formação e evolução de plataformas carbonáticas, existentes principalmente em ambientes de águas quentes e claras. Neste contexto, é proposto um modelo matemático determinístico que possa representar a evolução de plataformas carbonáticas dados alguns parâmetros iniciais como a subsidência inicial, taxas de crescimento e variações do nível do mar. Em cima deste modelo matemático foi desenvolvido um simulador computacional de sedimentação carbonática tridimensional, CarbSM, que leva em conta três fábricas carbonáticas: interior da plataforma, borda da plataforma e águas profundas. Com esses ambientes são associadas taxas máximas de crescimento in situ, além de funções restritivas, tais como: profundidade, condições marinhas e sedimentação terrígena; possibilitando o cálculo das taxas resultantes. Desta forma, o sistema é capaz de simular a evolução de plataformas carbonáticas em diversos cenários geológicos. Para entrada de dados e análise dos resultados obtidos, CarbSM oferece uma extensa interface ao usuário e utiliza técnicas de computação gráfica para visualização tridimensional interativa dos modelos. / [en] Sedimentary geology focuses on the formation and evolution of the Earth’s surface. Various physical, chemical and biological processes are responsible for supplying and distributing sediments. The presence of sedimentary rocks of siliciclastic and carbonate origins are dominant in subaqueous environments. Carbonate rocks are originated from biochemical processes involving the deposition and decomposition of calcium rich organism such as algae, shells and corals. These types of rocks are of great interest for the oil and gas industry due to their potential to form good hydrocarbon reservoirs. Therefore, this work studies the formation and evolution of carbonate platforms, most common in clear and hot waters. A deterministic mathematical model is proposed to represent the evolution of carbonate platforms given a set of entry data like initial subsidence, growth rates and sea level fluctuations. Based on this mathematical model a tridimensional carbonate sedimentation computational simulator, CarbSM, was developed taking into account three carbonate factories: platform interior, platform margin and deep-water carbonates. These environments are linked to maximum in situ growth rates and the resulting rates are obtained through a series of restriction functions, such as: depth, marine conditions and clastic sedimentation. This way, the developed tool can simulate the evolution of carbonate platforms within diverse geological scenarios. CarbSM offers an extensive user interface and uses computer graphics rendering techniques for data input and interactive tridimensional visualization of the simulated models.

[pt] Projetos recentes de Estruturas Offshore criaram a necessidade de prototipação virtual de modelos de CAD massivos. Esses modelos tipicamente têm centenas de milhões de triângulos e, por essa razão, não podem ser enviados diretamente para as placas gráficas atuais que podem renderizar interativamente apenas alguns milhões de triângulos. Existem várias abordagens para lidar com esse problema incluindo uma nova estratégia de uso de impostores baseada na visualização de Voxels. Essa estratégia é promissora, já que lida bem com níveis de detalhe, oclusão e armazenamento em memória secundária. Esta dissertação apresenta uma variação do algoritmo de Voxels Distantes (Far Voxels), que é implementada e testada sobre modelos de CAD típicos. Finalmente, a partir desses testes, a dissertação apresenta algumas conclusões e sugestões para trabalhos futuros. / [en] Current projects of Offshore Structures require virtual prototyping of huge CAD models. These models usually have hundreds of millions of triangles and for this reason they cannot be sent directly to current graphical boards that can render interactively only a few millions of triangles. There are many different approaches to deal with this problem including a new impostor strategy based on Voxel visualization. This strategy is promising because it deals well with level of detail, occlusion and out of core model storage. This dissertation presents a variant of the Far Voxels algorithm. This variant is implemented and tested against typical CAD models. Finally, from these tests, the dissertation presents some conclusions and suggestions for future work.

[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] Esse tese apresenta diversas técnicas sobre tecnologia paralela em jogos eletrônicos. A tese inicia apresentando diversas arquiteturas possíveis para um motor de jogos. Uma nova arquitetura é proposta, mais flexível e adequada para processadores do futuro que terão um grau maior de paralelismo. Em seguida, uma nova técnica para processar uma octree, uma estrutura de dados clássica da computação gráfica, é apresentada. As últimas técnicas apresentadas são relacionadas a detecção de colisão. Novas ténicas para processamento de grids hieráquicos e balanceamento de detecção colisãom um conjunto de objetos são apresentadas. / [en] This thesis presents several techniques about parallel technology on electronic games. The thesis begins presenting several possible architectures for a game engine. A new architecture is presented, more flexible and adequate for the processors of the future that will have a higher level of parallelism. Following, a new technique for processing an octree, a classic data structure for computer graphics, is presented. The last techniques presented are related to collision detection. New techniques for processing hierarquical grids and balancing collision detection on a set of objets are presented.

[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] Este trabalho propõe uma técnica chamada de Opacidade 3D para visualização volumétrica de dados sísmicos. O grande desafio da visualização volumétrica é definir uma função de transferência multidimensional que melhor se adapte ao dado que se deseja visualizar. Será apresentada uma função de transferência que utiliza três tabelas de cores 1D para compor a uma tabela de cores 3D. O trabalho de Silva[30] sobre opacidade 2D serviu de motivação para o desenvolvimento da técnica de opacidade 3D e ao longo deste trabalho são feitas comparações entre ambos. São apresentados exemplos reproduzindo a opacidade 2D e outros mostrando como a técnica proposta pode auxiliar no estudo de determinados eventos sísmicos. / [en] This work proposes a 3D opacity technique for the volume rendering of seismic data. The greater challenge of volume rendering is to define a multidimensional transfer function better adapted to the data to be visualized. This work presents a transfer function that uses three 1D color tables to compose a 3D color table. The work from Silva[30] about 2D opacity has served as a motivation for the development of the 3D opacity technique and, hence, some comparisons are made between them. Some examples are presented in order to reproduce the 2D opacity technique and to show how the proposed technique can improve the visualization of specific seismic events.

[pt] Este trabalho apresenta uma nova proposta para a implementação de um sistema de partículas em GPU. A simulação é feita inteiramente no processador gráfico, o que elimina a transferência de dados entre a CPU e a GPU. O sistema proposto é capaz de simular partículas de diferentes diâmetros em ambientes confinados, incluindo tratamento de colisão entre partículas, restrições e colisão de partículas com o ambiente. A detecção de colisão entre as partículas é feita com base numa estrutura de subdivisão do espaço em uma grade regular de células. Em GPUs atuais, o sistema é capaz de simular um milhão de partículas a taxas iterativas. Também é proposto um método flexível para modelar os obstáculos que compõe o ambiente, permitindo a criação de diferentes cenas sem necessidade de re-codificação de shaders. O sistema é composto por diferentes shaders, responsáveis por cada etapa da simulação. Um programa de fragmentos é responsável por fazer a atualização da posição das partículas. Em seguida, um programa de vértices faz a montagem da estrutura de subdivisão espacial. As etapas seguintes (detecção e tratamento de colisão e de restrições) são efetuadas apenas por programas de fragmentos usando a técnica de relaxação. / [en] This work presents a new proposal for the implementation of a GPU-based particle system. The simulation runs entirely on the graphic processor, thus eliminating data transfer between the CPU and the GPU. The proposed system is able to simulate particles with different diameters in confined environments, including support for inter-particle collisions, constraints, and particle-obstacle collisions. Inter-particle collision detection is accomplished by subdividing the space into a regular grid of cells. On modern graphics cards, the system is able to simulate up to one million particles at interactive rate. It is also proposed a flexible approach for modeling the obstacles that define the environment, allowing the creation of different scenes without relying on shader re-coding. The system is divided in different shaders responsible for each stage of the simulation. One fragment program is responsible to advance the particles in time. After that a vertex program builds the space subdivision structure. The following stages (collision detection and response, and constraint solving) are performed only by fragment programs using the relaxation method.