[pt] Técnicas de visualização científica criam imagens na tentativa de revelar estruturas e fenômenos complexos. Técnicas ilustrativas têm sido incorporadas aos sistemas de visualizacão científica para melhorar a expressividade de tais imagens. A visualização de linhas caracteríticas é uma técnica importante para transmitir uma melhor informacão sobre a forma das superfícies. Neste trabalho, propomos combinar visualização volumétrica de malhas não estruturadas com isosuperfícies ilustradas. Isto é feito estendendo um algoritmo de traçado de raio em GPU para incorporar ilustração com linhas de variação extrema da iluminação(photic extremum lines), um tipo de linha característica que captura mudanças bruscas de luminância, revelando formas de um jeito perceptualmente correto. / [en] Scientic visualization techniques create images attempting to reveal complex structures and phenomena. Illustrative techniques have been incorporated to scientic visualization systems in order to improve the expressiveness of such images. The rendering of feature lines is an important technique for better depicting surface shapes and features. In this thesis, we propose to combine volume visualization of unstructured meshes with illustrative isosurfaces. This is accomplished by extending a GPU-based ray-casting algorithm to incorporate illustration with photic extremum lines, a type of feature lines able to capture sudden changes of luminance, conveying shapes in a perceptually correct way.

[pt] Na visualização de campos escalares de dados volumétricos, o uso de seções de corte é uma técnica eficaz para se inspecionar a variação do campo no interior do domínio. A técnica de visualização consiste em mapear sobre a superfície da seção de corte um mapa de cores, o qual representa a variação do campo escalar na interseção da superfície com o volume. Este trabalho propõe um método eficiente para o mapeamento de campos escalares de malhas não estruturadas em seções de corte arbitrárias. Trata-se de um método de renderização direta (a interseção da superfície com o modelo não é extraída) que usa a GPU para garantir bom desempenho. A idéia básica do método proposto é utilizar o rasterizador da placa gráfica para gerar os fragmentos da superfície de corte e calcular a interseção de cada fragmento com o modelo em GPU. Para isso, é necessário testar a localização de cada fragmento na malha não estruturada de maneira eficiente. Como estrutura de aceleração, foram testadas três variações de grades regulares para armazenar os elementos (células) da malha, e cada elemento é representado pela lista de planos de suas faces, facilitando o teste de pertinência fragmento-elemento. Uma vez determinado o elemento que contém o fragmento, são aplicados procedimentos para interpolar o campo escalar e para identificar se o fragmento está próximo à fronteira do elemento, a fim de representar o aramado (wireframe) da malha na superfície de corte. Resultados obtidos demonstram a eficácia e a eficiência do método proposto. / [en] For the visualization of scalar fields in volume data, the use of cross sections is an effective technique to inspect the field variation inside the domain. The technique consists in mapping, on the cross section surfaces, a colormap that represents the scalar field on the surfasse-volume intersection. In this work, we propose an efficient method for mapping scalar fields of unstructured meshes on arbitrary cross sections. It is a direct-rendering method (the intersection of the surface and the model is not extracted) that uses GPU to ensure efficiency. The basic idea is to use the graphics rasterizer to generate the fragments of the cross-section surface and to compute the intersection of each fragment with the model. For this, it is necessary to test the location of each fragment with respect to the unstructured mesh in an efficient way. As acceleration data structure, we tested three variations of regular grids to store the elements (cells) of the mesh, and each elemento is represented by the list of face planes, easing the in-out test between fragments and elements. Once the element that contains the fragment is determined, it is applied procedures to interpolate the scalar field and to check if the fragment is close to the element boundary, to reveal the mesh wireframe on the surface. Achieved results demonstrate the effectiveness and the efficiency of the proposed method.

[pt] A simulação numérica é uma ferramenta essencial para a engenharia de reservatórios moderna, em particular no desenvolvimento de campos de óleo marítimos. A maioria das simulações de reservatórios utilizam malhas estruturadas em três dimensões, com tamanho variando de alguns milhares a dezenas de milhões de células. Algumas simulações apresentam um alto custo computacional que pode dificultar os estudos de desenvolvimento de um campo, mesmo com a alta capacidade computacional disponível hoje. Malhas de simulação não-estruturadas são uma alternativa para reduzir o tamanho dos modelos de reservatórios (e, consequentemente, o tempo de execução das simulações), sem sacrificar a qualidade dos resultados. Este trabalho utiliza malhas de Voronoi, também conhecidas como malhas de bissetores perpendiculares, uma vez que suas propriedades permitem simplificar as equações discretizadas do escoamento em comparação com outros tipos de malhas não-estruturadas. Dois passos são críticos para a criação de um modelo não-estruturado de reservatórios a partir de um modelo geológico refinado: geração da malha e transferência de escala das propriedades. A maioria dos métodos propostos para ambas as tarefas utilizam informações de simulações na malha refinada. Embora essa abordagem apresente bons resultados, pode ser muito custosa e precisa ser refeita caso haja alterações significativas nas condições de escoamento. Este trabalho discute técnicas para geração de malha e transferência de escala que não dependam de simulações na escala fina. As técnicas utilizam apenas a distribuição de propriedades de reservatórios e o posicionamento de poços, falhas e outras feições discretas. A abordagem adotada para geração da malha parte de uma disposição regular de pontos que são redistribuídos de acordo com um mapa de espaçamento previamente definido. Dois algoritmos iterativos para redistribuição desses pontos baseados em modelos físicos são propostos. Diversos critérios de espaçamento também são investigados. Dois algoritmos de transferência de escala em malhas não-estruturadas são propostos. Estes métodos se baseiam nas técnicas de Cardwell and Parsons e de renormalização para transferência de escala em malhas estruturadas. Por fim, exemplos representativos são utilizados para demonstrar as potencialidades e eficácia das estratégias propostas. / [en] Numerical simulation represents an essential tool for modern reservoir engineering, especially for the development of offshore oil fields. Most reservoir simulations are performed on three-dimensional structured grids, with a size ranging from a few thousands to tens of millions of cells. Some simulations can have a high computational cost that hinders the field development studies, even using the processing power available nowadays. Unstructured meshes are an effective alternative to reduce the size of reservoir models (and, consequently, the overall simulation time) without sacrificing the quality of the results. In this work, we adopt Voronoi meshes, also known as perpendicular bisector grids, since their properties simplify the discretized flow equations in reservoir simulations when compared to other types of unstructured meshes. Two main steps are critical to creating an unstructured reservoir model from a refined geological model: grid generation and upscaling of the reservoir properties. Most methods employed for both steps rely on information obtained from simulations using fine-scale meshes. Although this approach yields good results, it can be time-consuming and may be optimal only for the specified set of flow conditions. This work discusses the generation of unstructured grids and upscaling techniques that do not require any previous simulations. Instead, they are based only on reservoir property distributions and the location of discrete features such as wells and faults. The proposed grid generation strategy starts from a regular set of points and then redistributes them according to a previously defined spacing map. Two iterative redistribution algorithms based on physical models are presented, and several criteria for spacing maps are also investigated. Two upscaling algorithms for unstructured grids are proposed, based on the Cardwell and Parsons and renormalization techniques for structured meshes. Finally, representative examples are presented to demonstrate the capabilities and effectiveness of the proposed strategies.

[pt] A visualização volumétrica é uma importante técnica para a exploração de dados tridimensionais complexos, como, por exemplo, o resultado de análises numéricas usando o método dos elementos finitos. A aplicação eficiente dessa técnica a malhas não-estruturadas tem sido uma importante área de pesquisa nos últimos anos. Há dois métodos básicos para a visualização dos dados volumétricos: extração de superfícies e renderização direta de volumes. Na primeira, iso-superfícies de um campo escalar são extraídas explicitamente. Na segunda, que é a utilizada neste trabalho, dados escalares são classificados a partir de uma função de transferência, que mapeia valores do campo escalar em cor e opacidade, para serem visualizados. Com a evolução das placas gráficas (GPU) dos computadores pessoais, foram desenvolvidas novas técnicas para visualização volumétrica interativa de malhas não-estruturadas. Os novos algoritmos tiram proveito da aceleração e da possibilidade de programação dessas placas, cujo poder de processamento cresce a um ritmo superior ao dos processadores convencionais (CPU). Este trabalho avalia e compara dois algoritmos para visualização volumétrica de malhas não-estruturadas, baseados em GPU: projeção de células independente do observador e traçado de raios. Adicionalmente, são propostas duas adaptações dos algoritmos estudados. Para o algoritmo de projeção de células, propõe-se uma estruturação dos dados na GPU para eliminar o alto custo de transferência de dados para a placa gráfica. Para o algoritmo de traçado de raios, propõe-se fazer a integração da função de transferência na GPU, melhorando a qualidade da imagem final obtida e permitindo a alteração da função de transferência de maneira interativa. / [en] Volume visualization is an important technique for the exploration of threedimensional complex data sets, such as the results of numerical analysis using the finite elements method. The efficient application of this technique to unstructured meshes has been an important area of research in the past few years. There are two basic methods to visualize volumetric data: surface extraction and direct volume rendering. In the first, the iso-surfaces of the scalar field are explicitly extracted. In the second, which is the one used in this work, scalar data are classified by a transfer function, which maps the scalar values to color and opacity, to be visualized. With the evolution of personal computer graphics cards (GPU), new techniques for volume visualization have been developed. The new algorithms take advantage of modern programmable graphics cards, whose processing power increases at a faster rate than the one observed in conventional processors (CPU). This work evaluates and compares two GPU- based algorithms for volume visualization of unstructured meshes: view- independent cell projection (VICP) and ray-tracing. In addition, two adaptations of the studied algorithms are proposed. For the cell projection algorithm, we propose a GPU data structure in order to eliminate the high costs of the CPU to GPU data transfer. For the raytracing algorithm, we propose to integrate the transfer function in the GPU, which increases the quality of the generated image and allows to interactively change the transfer function.