[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.

[pt] O mapeamento de sombras é uma técnica de renderização amplamente utilizada para a geração de sombras de superfícies arbitrárias em tempo real. No entanto, devido a sua natureza amostrada, apresenta dois problemas de difícil resolução: o aspecto chamuscado de objetos e a aparência serrilhada das bordas das sombras. Em particular, o sombreamento de modelos CAD (Computer-Aided Design) apresenta desafios ainda maiores, devido à existência de objetos estreitos com silhuetas complexas e o elevado grau de complexidade em profundidade. Neste trabalho, fazemos uma análise detalhada dos problemas de chamuscamento e serrilhamento, revisando e completando trabalhos de diferentes autores. Apresentamos ainda algumas propostas para melhoria de algoritmos existentes: o alinhamento de amostras independente de programas de vértice, um parâmetro generalizado para o LiSPSM (Light- Space Perspective Shadow Map), e um esquema de particionamento adaptativo em profundidade. Em seguida, investigamos a eficácia de diferentes algoritmos quando aplicados a modelos CAD, avaliando-os em critérios como facilidade de implementação, qualidade visual e eficiência computacional. / [en] Shadow mapping is a widely used rendering technique for shadow generation on arbitrary surfaces. However, because of the limited resolution available for sampling the scene, the algorithm presents two difficult problems to be solved: the incorrect self-shadowing of objects and the jagged appearance of shadow borders, also known as aliasing. Generating shadows for CAD (Computer-Aided Design) models presents additional challenges, due to the existence of many thin complex-silhouette objects and the high depth complexity. In this work, we present a detailed analysis of self-shadowing and aliasing by reviewing and building on works from different authors. We also propose some impromevents to existing algorithms: sample alignment without vertex shaders, a generalized parameter for the LiSPSM (Light-Space Perspective Shadow Map) algorithm, and an adaptive z- partitioning scheme. Finally, we investigate the effectiveness of different algorithms when applied to CAD models, considering ease of implementation, visual quality and computational efficiency.

[pt] Este trabalho apresenta um novo sistema de renderização distribuída destinado ao uso em agrupamentos de PCs. É feita uma extensão à linha de produção gráfica convencional para uma linha de produção gráfica distribuída, que pelo uso de múltiplas linhas de execução permite paralelizar as operações feitas na CPU, na GPU e na rede que interliga os PCs do agrupamento. Este sistema serviu de base para a implementação e o teste de três arquiteturas para renderização distribuída: uma arquitetura com ordenação no início, uma arquitetura com ordenação no fim para renderização volumétrica e uma arquitetura híbrida que tenta combinar as vantagens da ordenação no início e da ordenação no fim. É apresentado um novo algoritmo de balanceamento de carga baseado nos tempos de renderização do quadro anterior. O algoritmo é de implementação muito simples e funciona bem tanto em aplicações com gargalo na geometria quanto em aplicações com gargalo na rasterização. Este trabalho também propõe uma estratégia de distribuição de trabalho entre os computadores de renderização do agrupamento que usa eficientemente os recursos gráficos disponíveis, melhorando assim o desempenho da renderização. Um novo algoritmo de partição paralela do modelo entre os computadores do agrupamento é proposto para a arquitetura híbrida. / [en] This work presents a new distributed rendering system destined for PC clusters. The conventional graphics pipeline is extended to a distributed pipeline that parallelizes the operations done on the CPU, the GPU and the network by using multiple threads. This system was the base for the implementation of three distributed rendering architectures: a sort-first architecture, a sort-last architecture for volume rendering, and a hybrid architecture that seeks to combine the advantages of both sort-first and sortlast architectures. A new load-balancing algorithm based on the rendering times of the previous frame is proposed. The algorithm is very simple to be implemented and works well for both geometry- and rasterization-bound models. A new strategy to assign tiles to rendering nodes is proposed which effectively uses the available graphics resources, thus improving rendering performance. A new parallel model partition algorithm is proposed for the hybrid architecture.

[pt] A principal meta da computação gráfica é a síntese de imagens. Essas imagens podem ser tanto geradas por computador quanto ser resultado de manipulação digital de fotografias. Diferentes métodos para captura de imagens e fotografia digital mudaram a importância da imagem digital. Em relação a imagens geradas por computador, a busca por imagens mais realistas é importante para a indústria de filmes, de desenvolvimento de jogos entre outras. Uma das maiores revoluções na computação gráfica atual está relacionada a imagens High Dynamic Range. Essas imagens representam o próximo nível em termos de representação de imagens, uma vez que seus valores são verdadeiramente proporcionais às condições de iluminação em uma cena e são capazes de codificar a dynamic range encontrado no mundo real, fato impossível para as imagens tradicionais que apresentam 24 bits por pixel. Quando imagens high dynamic range são utilizadas para codificar as condições de iluminação em uma cena, elas são chamadas mapas de radiância ou mapas de iluminação. O foco principal dessa dissertação é mostrar técnicas de renderização em tempo real utilizando mapas de iluminação. Técnicas conhecidas como Image Based Lighting. Esse trabalho apresenta os conceitos de imagens high dynamic range, seus fundamentos físicos na teoria da luz, uma série de trabalhos importantes em manipulação dessas imagens e uma discussão sobre o pipeline de aplicações em tempo real que utilizam high dynamic range. Finalmente são apresentadas as técnicas para utilização de mapas de iluminação em alta precisão em tempo real. / [en] In 1997, the seminal work by Paul Debevec and Jitendra Malik on the generation of HDR (High Dynamic Range) images, from ordinary LDR (Low Dynamic Range) cameras, facilitated the generation of light probes enormously. In consequence, this caused a boom of works on the rendering of objects with images of light from the real world, which is known as Image- Based Lighting. The present dissertation aims to study this new area, trying to situate itself in the question of real-time compositing of synthetic objects in real images. This dissertation proposes a real-time rendering pipeline for 3D games, in the simple case of static scenes, adapting the non-real-time technique presented by Paul Debevec in 1998. There is no written work about this adaptation in the literature, although exists some reference to developments done by graphics card manufacturers in this direction. Also this dissertation presents an experiment with diffuse objects. Moreover, the author gives ideas towards the solution of shadow problems for diffuse objects.

[pt] A simulação numérica de reservatório de petróleo é um processo amplamente utilizado na indústria de óleo e gás. O reservatório é representado por um modelo de células hexaédricas com propriedades associadas, e a simulação numérica procura prever o fluxo de fluído dentro do modelo. Especialistas analisam os resultados dessas simulações através da inspeção, num ambiente gráfico interativo, do modelo tridimensional. Neste trabalho, propõe-se um novo algoritmo de corte com preservação de contexto para auxiliar a inspeção do modelo. O principal objetivo é permitir que o especialista visualize o entorno de poços. Os poços representam o objeto de interesse que deve estar visível e o modelo tridimensional (o contexto) é preservado na medida do possível no entorno desses poços. Desta forma, torna-se possível avaliar a variação de propriedades associadas às células na vizinhança do objeto de interesse. O algoritmo proposto explora programação em placa gráfica e é válido para objetos de interesse arbitrários. Propõe-se também uma extensão do algoritmo para que a seção de corte seja desacoplada da câmera, permitindo analisar o modelo cortado de outros pontos de vista. A eficácia do algoritmo proposto é demonstrada através de resultados baseados em modelos reais de reservatório. / [en] Numerical simulation of black oil reservoir is widely used in the oil and gas industry. The reservoir is represented by a model of hexahedral cells with associated properties, and the numerical simulation is used to predict the fluid behavior in the model. Specialists make analysis of such simulations by inspecting, in a graphical interactive environment, the tridimensional model. In this work, we propose a new cutaway algorithm with context preservation to help the inspection of the model. The main goal is to allow the specialist to visualize the wells and their vicinity. The wells represent the object of interest that must be visible while preserving the tridimensional model (the context) in the vicinity as far as possible. In this way, it is possible to visualize the distribution of cell property together with the object of interest. The proposed algorithm makes use of graphics processing units and is valid for arbitrary objects of interest. It is also proposed an extension to the algorithm to allow the cut section to be decoupled from the camera, allowing analysis of the cut model from different points of view. The effectiveness of the proposed algorithm is demonstrated by a set of results based on actual reservoir models.

[pt] Os avanços recentes na tecnologia de simulação paralela de reservatórios de petróleo têm permitido a simulação numérica de domínios cada vez mais discretizados. Essas simulações produzem um volume de dados sem precedentes, que precisam ser visualizados em ambientes 3D, possibilitando assim a análise e inspeção cuidadosa do modelo. Tais modelos tornam as técnicas convencionais de visualização inviáveis, criando a necessidade de se desenvolver soluções escaláveis de visualização. A necessidade de se visualizar dados tão complexos introduz diversos problemas computacionais que precisam ser tratados para visualizar o modelo com taxas de renderização interativas, como a impossibilidade de armazenar o dado todo em memória principal. Existem duas linhas principais para o tratamento de modelos de tal magnitude: renderização distribuída e técnicas de multi-resolução. Nesse trabalho são propostas soluções para a visualização de modelos massivos de reservatório de petróleo em cada uma dessas frentes de pesquisa, e é feita uma discussão acerca das vantagens e limitações de cada solução. Na primeira parte do trabalho, é proposto um sistema distribuído com ordenação no fim para a renderização de tais modelos em agrupamentos de PCs, onde cada PC é equipado com múltiplas GPUs. Dado o uso eficiente de cada GPU e de um estágio de composição parcial, nossa proposta trata dos problemas de escalabilidade que surgem em todo sistema com ordenação no fim em clusters de médio a grande porte. Na segunda parte do trabalho, é proposta uma estrutura hierárquica de multi-resolução de malhas de reservatórios de petróleo, com um novo algoritmo de simplificação feito especificamente para tais malhas. A estrutura hierárquica traz novidades em relação a trabalhos relacionados, fazendo uma estimativa de erro projetado menos conservadora. É feita uma proposta para a renderização com multi-resolução com garantia de uma taxa mínima de renderização, que é o objetivo principal de tais sistemas. Além disso, é feita uma proposta para odesenho do wireframe e das propriedades associadas à malha original do modelo de reservatório mapeados sobre as malhas simplificadas, o que torna a estrutura de multi-resolução independente das propriedades geradas pela simulação, garantindo o seu reuso ao longo de múltiplas simulações do mesmo modelo. Nossos experimentos computacionais demonstram a eficiência das soluções propostas. / [en] Recent advances in parallel architectures for the numerical simulation of natural black oil reservoirs have allowed the simulation of very discretized domains. As a consequence, these simulations produce an unprecedented volume of data, which must be visualized in 3D environments for careful analysis and inspection of the model. Conventional scientific visualization techniques of such very large models are not viable, creating a demand for the development of scalable visualization solutions. The need for the visualization of such complex data introduces several computational issues which must be addressed in order to achieve interactive rendering rates, such as the impossibility of storing the entire data in main memory. There are two main research areas which propose solutions for the visualization of models with such magnitude: distributed rendering and multi-resolution techniques. This work proposes solutions for the visualization of massively complex reservoir models in each of these research areas, and a discussion over the advantages and limitations of each solution is made. In the first part of the work, we propose a distributed system based on a sort-last approach for the rendering of such models in PC clusters, where each PC is equipped with multiple GPUs. Given an efficient use of the available GPUs, combined with a pipelined implementation and the use of partial image compositions on the cluster nodes, our proposal tackles the scalability issues that arise when using mid-to-large GPU clusters. The second part of the work brings the proposal of a hierarchical multi-resolution structure of black oil reservoir meshes, with a new simplification algorithm designed specifically for such meshes. The hierarchical structure brings some new approaches in relation to related work, doing a much less conservative projected error estimation. We propose a minimum refresh rate guarantee strategy for our multiresolution rendering, which is the main goal for such systems. Afterwards, we introduce a proposal for the rendering of data associated with the original reservoir mesh mapped over the simplified meshes, such as the original model grid wireframe and reservoir properties. This proposal guarantees an independence between the multi-resolution structure and the properties generated by a simulation, which guarantees the reuse of the structure among several simulations of the same model. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed solutions.