[pt] Um dos maiores gargalos do pipeline gráfico hoje é a largura de banda disponível entre a GPU e CPU. Para minimizar esse gargalo funcionalidades programáveis foram inseridas nas placas de vídeo. Com o Geometry Shader é possível criar vértices em GPU, porém, este estágio da pipeline apresenta performance baixa. Com o lançamento das novas APIs gráficas (DirectX11 e OpenGL4) em 2009, foi adicionado o Tessellator, que permite a criação de vértices em massa na GPU. Esta dissertação estuda este novo estágio da pipeline, bem como apresenta algoritmos clássicos (PN-Triangles e Phong Tessellation) que originalmente foram feitos para CPU e propõe novos algoritmos (Renderização de Tubos e Terrenos em GPU) para tirar proveito deste novo paradigma. / [en] One of the main bottlenecks in the graphics pipeline nowadays is the memory bandwidth available between the CPU and the GPU. To avoid this bottleneck, programmable features were inserted into the video cards. With the Geometry Shader launch it is possible to create vertices in the GPU, however, this pipeline stage has a low performance. With the new graphic APIs (DirectX11 and OpenGL4) a Tessellator stage that allows massive vertex generation inside the GPU was created. This dissertation studies this new pipeline stage, as well as presents classic algorithms (PN-Triangles and Phong Tessellation) that were originally designed for CPU and proposes new algorithms (Tubes and Terrain rendering in the GPU) that takes advantage of this new paradigm.

[pt] Ultimamente, sensores orbitais de alta resolução espacial estão fornecendo uma quantidade crescente de dados sobre a superfície da Terra. A análise destes dados implica em uma alta carga computacional, que tem motivado pesquisas envolvendo hardwares e softwares mais eficientes para estas aplicações. Neste contexto, uma questão importante reside na segmentação de imagens que envolve longos tempos de processamento e é etapa fundamental na análise de imagens baseada em objetos. Os avanços recentes das modernas unidades de processamento gráfico ou GPUs abriram a possibilidade de se explorar a capacidade de processamento paralelo para melhorar o desempenho da segmentação. Este trabalho apresenta uma versão paralela do algoritmo de segmentação multicritério, introduzido originalmente por Baatz e Schappe (2000), concebido para ser executado por GPUs. A arquitetura do hardware subjacente consiste em um sistema massivamente paralelo com múltiplos elementos processadores projetado especialmente para o processamento de imagens. O algoritmo paralelo é baseado no processamento de cada pixel em uma diferente linha de controle (thread) de modo a aproveitar a capacidade paralela da GPU. Esta dissertação também sugere alterações no cálculo de heterogeneidade do algoritmo, o que aumenta o desempenho computacional da segmentação. Os experimentos com o algoritmo paralelo proposto apresentaram uma aceleração maior do que 7 em relação à versão sequencial. / [en] Lately, orbital sensors of high spatial resolution are providing an increasing amount of data about the Earth surface. Analysis of these data implies in a high computational load, which has motivated researches on more efficient hardware and software for these applications. In this context, an important issue lies in the image segmentation that involves long processing times and is a key step in object based image analysis. The recent advances in modern programmable graphics units or GPUs have opened the possibility of exploiting the parallel processing capabilities to improve the segmentation performance. This work presents a parallel version of the multicriterion segmentation algorithm, introduced originally by Baatz and Schappe (2000), implemented in a GPU. The underlying hardware architecture consists of a massive parallel system with multiple processing elements designed especially for image processing. The parallel algorithm is based on processing each pixel as a different thread so as to take advantage of the fine-grain parallel capability of the GPU. In addition to the parallel algorithm, this dissertation also suggests a modification to the heterogeneity computation that improves the segmentation performance. The experiments under the proposed parallel algorithm present a speedup greater than 7 in relation to the sequential version.

[pt] O principal objetivo deste trabalho é apresentar um novo método para visualização de variedades implícitas de dimensão 3 mergulhadas no R4. Esse método consiste primeiramente de um pré-processamento em CPU utilizando uma árvore 16-Tree e a Aritmética Intervalar para encontrar as regiões do domínio onde a variedade se encontra. Esses dados são posteriormente processados em GPU para efetuar a visualização, e para isso foi utilizada uma generalização da técnica Ray Casting. / [en] The main objective of this work is to present a new method for the visualization of implicit 3-manifolds in R4. This method consists primarily of a preprocessing in the CPU using a 16-tree and Interval Arithmetic to detect regions of the domain where the variety is present. These data are then processed in the GPU to perform the visualization, and for this a generalization of Ray Casting technique was adopted.

[pt] A reconstrução de superfícies é um problema que recebe bastante atenção em Computação Gráfica dada a importância de suas aplicações. Uma solução comum é representar essas superfícies por malhas triangulares. Neste trabalho é proposta uma estrutura de tetraedros com cúbicas definidas em seu interior que são utilizadas para aproximar a superfície. Essas cúbicas, chamadas de TetraQuads, são superfícies implícitas de grau 3 definidas como interpolação de quádricas posicionadas nos vértices dos tetraedros. Esses elementos foram idealizados de forma que seja rápido o processamento para visualização dessa estrutura pelo hardware gráfico. Os objetos definidos dessa maneira carregam mais informações do ponto de vista da geometria diferencial que uma malha triangular. Por esse motivo, têm uma modelagem mais complexa a ser resolvida. Esse problema é discutido ao apresentar os passos para reconstrução de superfícies por TetraQuads a partir de nuvens de pontos. / [en] Surface reconstruction is a problem that receives a lot of attention in Computer Graphics due to the importance and the number of its applications. A common solution is to represent these surfaces through triangular meshes. This work introduces an alternative structure of tetrahedrons with cubics defined in its interior, which are used to approximate the surface. Those cubics, called TetraQuads, are third-degree implicit surfaces defined as an interpolation of quadrics positioned at the tetrahedrons vertices. These elements are constructed for an efficient visualization by the graphics hardware. Objects defined in this manner contain more information from the differential geometry point of view than a triangle mesh, which entails a more complex modeling problem. This problem is discussed throughout the steps of surface reconstruction from point clouds through TetraQuads.

[pt] Ainda hoje a animação de caracteres tridimensionais é um processo manual. Aplicações como jogos de computadores, ou capturas de movimentos para efeitos especiais em filmes requerem incessante intervenções do artista, que praticamente guia os movimentos a cada passo. Nesses exemplos as ferramentas disponíveis oferecem geralmente edição de detalhes, ou no espaço ou no tempo. Essa tese utiliza duas abordagens analíticas ao processo de animação: harmônica e modal, permitindo descrever movimentos com poucos controles. O resultado destas animações é mostrado em tempo real para o usuário graças às suas implementações na GPU. Em particular, permite escolher os parâmetros de controle através de galerias animadas em tempo real ou ainda usar as freqüências da música para guiar a animação. / [en] Animation of three-dimensional characters is still a mostly manual process. Applications such as computer games and motion capture for special effects in movies require continuous intervention from the artist, who needs to guide the movement almost step by step. In such examples the available tools provide controls mainly over local details, either in space or in time. This thesis uses two analytical frameworks to deal with the process of animation: harmonic and modal analyses, allowing the description of movements with a reduced set of controls. A GPU implementation of the resulting animations allows for real-time rendering of those. In particular, it allows applications such as interactive control tuning through design galleries animated in real-time or three-dimensional music visualization. Particularly, it allows the choice of control parameters through the use of animated galleries in realtime and the use of music frequencies to guide the animation.