[pt] Este trabalho descreve o projeto e a implementação de um microcomputador tolerante a falhas para aplicação em tempo real. O sistema é baseado em uma estrutura duplex e utiliza o conceito de dissimilaridade como forma de reduzir a influência de falhas de modo comum. Vários mecanismos de detecção de falhas foram incorporados de forma a melhorar a cobertura do sistema. Com o objetivo de reduzir o hardcore, o único elemento central existente é o seletor de saída, sendo que os processadores sincronizam-se através da troca de mensagens. / [en] This work describes the design and implementation of a fault-tolerant microcomputer for real-time control applications. The system consists in a duplex structure and the dissimilarity concept is used in order to minimize the probability of common-mode faults. Several fault detection mecanisms were incorporated to increase the coverage of the system.

[pt] A simulação de sistemas lineares excitados por senóides tem solução bastante simples envolvendo métodos utilizando transformadas. Contudo, quando a rede é de grande porte e a freqüência de excitação desconhecida, estes métodos de análise fasorial deixam a desejar, por sua complexidade. Diversos processos de análise por computador foram desenvolvidos recentemente, abrangendo o problema do grande porte. Entretanto, implementados para operar no tempo estes métodos não descrevem o caso considerado (excitação no entorno de uma freqüência) de uma análise transitória geral. O método proposto permite a operação no tempo de redes de grande porte, beneficiando-se da estreita faixa de freqüências, em que pode estar atuando a rede elétrica. Sem perda de generalidade, o método foi implementado com base na análise nodal e em técnicas de filtragem digital multitaxa. A rede elétrica é assim transformada em um filtro digital de vários acessos, em que operações de decimação do sinal acarretem sensível redução de complexidade computacional. São apresentados exemplos e comparações com à técnica de Dommel que sustentam as propriedades da nova técnica. / [en] The simulation of linear systems with sinusoidal input has a very simple solution by transform methods. However, when the network is of large scale and the frequency of excitation is unknown, this fasorial analysis method is not satisfactory because of its complexity. Several processes of computer analysis have been developed recently addressing the problem of large-scale networks. However, when implemented to operate in time domain, these methods do not describe the former case (excitation in the neighborhood of a frequency) of a transitory general analysis. The proposed method allows the operation in time domain of large-scale networks, taking advantage of the narrow frequency band in which the electric network is working. Without loss of generality, the above method was implemented based on nodal analysis and multi-rate digital filtering techniques. The electrical network is transformed into a multiple- access digital filter, where signal decimation operations lead to a sensible reduction in the overall computational complexity. Some examples and comparisons with Dommel classical technique are presented, validating the new approach.

[pt] A face humana é interessante e desafiadora acima de tudo pela sua familiaridade. Essencialmente, é a parte do corpo utilizada para reconhecer indivíduos. Assim como a face, a fala é um importante instrumento na forma de comunicação do ser humano. Através da fala é possível externar pensamentos e, muitas vezes, ela indica o estado de ânimo em que uma pessoa se encontra. Juntos, fala e face são os principais elementos de interatividade entre os seres humanos. Contudo, reproduzir com naturalidade e fidelidade as peculiaridades destes dois elementos no universo computacional não é uma tarefa simples, constituindo-se em tópicos de pesquisa em diversas áreas, em particular na animação facial. Entre os diversos tipos de sistemas de animação facial, destacam-se como diretamente relacionados a este trabalho aqueles que envolvem a sincronização da fala de um personagem com a animação da sua face. Sistemas desse tipo são conhecidos como talking head ou talking face. Para o desenvolvimento de um sistema talking head, é necessário identificar as possíveis abordagens para a modelagem dos dois elementos básicos: fala e face. Os modelos utilizados irão influenciar não apenas a maneira como a animação é conduzida, mas a própria forma de interatividade do sistema. Uma contribuição importante deste trabalho é o estudo das possíveis abordagens e a proposta de uma taxonomia para a classificação de sistemas talking head. A partir da taxonomia proposta e fazendo uso de uma determinada abordagem para cada parâmetro analisado, foi desenvolvida uma aplicação que recebe como entrada um texto contendo a fala e anotações de expressividade e gera como saída, em tempo real, a animação de um personagem virtual enunciando o texto de entrada com o áudio e os movimentos faciais sincronizados. O sistema desenvolvido, denominado Expressive Talking Heads, explora a naturalidade da animação facial e ao mesmo tempo busca oferecer ao usuário uma interface com interatividade em tempo real. O Expressive Talking Heads pode ser executado tanto no modo isolado (stand alone) como acoplado a navegadores para a web, tendo sido projetado e desenvolvido com a preocupação de oferecer uma solução independente da plataforma e do sistema operacional utilizados. / [en] The human face is interesting and challenging mainly because of its familiarity. Essentially, it is the part of the human body that is used to recognize individuals. As well as the face, the speech is an important instrument for human communication, allowing the exteriorization of thoughts and the definition of emotions. Together, speech and face are the main elements of interactivity among human beings. However, the natural and faithful reproductions of the pecularities of these elements in the computational universe is not a simple task, constituting topics of the research in the diverse areas, particularly in facial animation. Among the diverse types of facial animation systems developed, those that involve the facial animation of the virtual character combined with speech synchronization are distinguished as directly related to this work. These kinds of systems are known as talking head or talking face. Fot the development of a talking head system, it is necessary to identify the possible approaches for the speech and face modeling. The models used will influence not only the way that the animation is performed, but it will also affect the system´s interactivity. An important contribution of the present master thesis is the study of several possible approaches for the main elements and the proposal of taxonomy for the classification of the talking head systems. From the proposed taxonomy and making use of one approach for each analyzed paramenter, an application was developed that receives as input a text composed by the character s speech and genus, language and emotion parameters, and it generates as output, in real time, the animation of a virtual character uttering the input text with speech synchronization and expressiveness. The system developed, called Expressive Talking Heads, explores the naturalness of facial animation and it seeks to offer the user a real- time interactivity interface. The Expressive Talking Heads system can run as a stand-alone applicattion or connected to web browsers. It was designed and developed to provide a platform and operating system independent solution.

[pt] Oclusão ambiente é uma técnica barata de simular a iluminação ambiente indireta de forma realista. Nesta dissertação, propõe-se elaborar um método de oclusão ambiente produzindo resultados de boa qualidade em tempo real. Através da utilização de um eficiente método de voxelização, cria-se uma descrição volumétrica da geometria em uma grade regular. Durante a renderização da cena, o hemisfério em torno de cada ponto visível é amostrado por diversos cones, cada um equivalendo ao lançamento de múltiplos raios. O volume de cada cone é amostrado por uma série de esferas e estas são utilizadas para determinar o volume do cone obstruído pela geometria da cena. Ao acumular os resultados de cada esfera em cada cone, e de cada cone no hemisfério, a oclusão ambiente causada pela geometria em cada ponto visível pelo observador é estimada. Esta estratégia mostra-se adequada, pois a interseção de cada esfera com a cena voxelizada pode ser feita de forma muito eficiente. / [en] Ambient occlusion is a low-cost technique to simulate indirect ambient illumination in a realistic way. In this dissertation, we propose an ambient occlusion method that achieves good quality results in real time. Using an efficient voxelization algorithm, we create a volumetric description of the geometry in a regular grid. During the scene rendering, the hemisphere around each visible point is sampled by several cones, each one corresponding to the trace of multiple rays. The volume of each cone is sampled by a serie of spheres, which are used to compute the cone s volume obstructed by the scene geometry. The occlusion caused by the geometry at each visible point is estimated by accumulating each sphere result in the cones and each cone result in the hemisphere. We found this approach to be adequate, since the intersection of each sphere with the voxelized scene can be performed in a very efficient manner.

[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] A medição da qualidade de energia é um aspecto cada vez mais importante com o avanço tecnológico. Um destes aspectos é a estimação dos harmônicos em sinais de potência. Este trabalho, apresenta um algoritmo para obter, simultaneamente, os valores reais de freqüência, amplitude e fase de cada componente do sinal, baseados em valores distorcidos originários do uso da FFT. Contrário a outros métodos, o algoritmo requer um número reduzido de dados, permitindo sua implementação em tempo real. Para estender este método a um sinal com componentes de harmônicos de ordem elevada utilizam-se bancos de filtros para decomposição em sub-bandas e eventual reconstrução numa estrutura de operação orientada ao tempo real. O trabalho apresenta resultados comprovando a correta operação e robustez do processo. O método é otimizado para implementação com reduzido número de operações em ponto flutuante. / [en] Power quality measurement is a key issue with the technology advance in power systems. One fo these issues is harmonics estimation of power systems signals. This work shows an algorithm to obtain, simultaneously, the real values of frequency, amplitude and phase of each signal component, based in distorted values originated by the use of FFT. In contrast to other methods, the algorithm requires a small number of data, allowing its implementation in real time. To extended this method to a high harmonic order signal, filter banks are used to decompose it in sub bands and eventually reconstruct it, in a real time operation structure. This work shows results testing the correct operation and robustness of the process. Th eAlgorithm is optimized to its imlementation with a reduced number of float point operations.

[pt] Algoritmos para visualização interativa de terrenos são complexos e, ao mesmo tempo, de grande importância para muitas aplicações como jogos e planejamento de atividades sobre terrenos. Em função desta complexidade e importância, o tema merecido, na última década, muita atenção da comunidade de pesquisadores em Computação Gráfica e, conseqüentemente, muitas estratégias têm sido desenvolvidas. Entre as mais bem sucedidas estratégias, destacam-se os recentes trabalhos de Lindstrom e Pascucci. O algoritmo proposto por estes autores possui diversas implementações disponíveis na Internet e merece ser reavaliado. Esta dissertação faz esta re-avaliação através de uma implementação independente feita pela autora e testada sobre uma base de terrenos reais. Com o objetivo de tornar esta análise mais completa e dar suporte a algumas conclusões, resultados comparativos de outros algoritmos da área também são apresentados. / [en] Algorithms for the interactive visualization of terrains are very complex and, at the same time, of great importance to many applications, such as games and activity-planning over terrains. Due to such complexity and importance, in the past decade this subject has received great attention by researchers on Computer Graphics. As a consequence, a number of strategies have been developed. Among the most successful strategies, one can highlight recent works by Lindstrom and Pascucci. The algorithm proposed by these authors has various implementations available in the Internet and deserves to be reevaluated. The present work makes such reevaluation by means of an independent implementation developed by the author and tested over a base or real terrains. With the purpose of making this analysis more complete and to support some conclusions, comparative results with other algorithms in the area are also presented.

[pt] A detecção e o subsequente rastreamento de objetos em sequencias de vídeo é um desafio no que tange o processamento de vídeos em tempo real. Nesta tese propomos um método de detecção em tempo real adequado para o processamento de vídeos de alta definição. Neste método utilizamos um procedimento de segmentação de quadros usando as imagens integrais de frente, o que permite o rápido descarte de várias partes da imagem a cada quadro, desta maneira atingindo uma alta taxa de quadros processados por segundo. Estendemos ainda o algoritmo proposto para que seja possível detectar múltiplos objetos em paralelo. Além disto, através da utilização de uma GPU e técnicas que podem ter seu desempenho aumentado por meio de paralelismo, como o operador prefix sum, conseguimos atingir um desempenho ainda melhor do algoritmo, tanto para a detecção do objeto, como na etapa de treinamento de novas classes de objetos. / [en] The detection and subsequent tracking of objects in video sequences is a challenge in terms of video processing in real time. In this thesis we propose an detection method suitable for processing high-definition video in real-time. In this method we use a segmentation procedure through integral image of the foreground, which allows a very quick disposal of various parts of the image in each frame, thus achieving a high rate of processed frames per second. Further we extend the proposed method to be able to detect multiple objects in parallel. Furthermore, by using a GPU and techniques that can have its performance enhanced through parallelism, as the operator prefix sum, we can achieve an even better performance of the algorithm, both for the detection of the object, as in the training stage of new classes of objects.

[pt] O crescimento da Internet das Coisas (IoT) nos trouxe a oportunidade de criar aplicações em diversas áreas com o uso de sensores e atuadores. Um dos problemas encontrados em sistemas de IoT é a dificuldade de adicionar relações semânticas aos dados brutos produzidos por estes sensores e conseguir inferir novos fatos a partir destas relações. Além disso, devido à natureza destes sistemas, os dados produzidos por eles, conhecidos como streams, precisam ser analisados em tempo real. Streams são uma sequência de elementos de dados com variação de tempo e que não devem ser tratados como dados a serem armazenados para sempre e consultados sob demanda. Os dados em streaming precisam ser consumidos rapidamente por meio de consultas contínuas que analisam e produzem novos dados relevantes. A capacidade de inferir novas relações semânticas sobre dados em streaming é chamada de inferência sobre streams. Nesta pesquisa, propomos um modo semântico e um mecanismo para processamento e inferência sobre streams em tempo real baseados em Processamento de Eventos Complexos (CEP), RDF (Resource Description Framework) e OWL (Web Ontology Language). Apresentamos um middleware que suporta uma inferência contínua sobre dados produzidores por sensores. As principais vantagens de nossa abodagem são: (a) considerar o tempo como uma relação-chave entre a informação; (b) processamento de fluxo por ser implementado usando o CEP; (c) é geral o suficiente para ser aplicado a qualquer sistema de gerenciamento de fluxo de dados (DSMS). Foi desenvolvido no Laboratório de Colaboração Avançada (LAC) utlizando e um estudo de caso no domínio da detecção de incêndio é conduzido e implementado, elucidando o uso de inferência em tempo real sobre streams. / [en] The growth of the Internet of Things (IoT) has brought the opportunity to create applications in several areas, with the use of sensors and actuators. One of the problems encountered in IoT systems is the difficulty of adding semantic relations to the raw data produced by the sensors and being able to infer new facts from these relations. Moreover, due to the fact that many IoT applications are online and need to react instantly on sensor data collected by them, they need to be analyzed in real-time. Streams are a sequence of time-varying data elements that should not be stored forever and queried on demand. Streaming data needs to be consumed quickly through ongoing queries that continue to analyze and produce new relevant data, i.e. stream of output/result events. The ability to infer new semantic relationships over streaming data is called Stream Reasoning. We propose a semantic model and a mechanism for real-time data stream processing and reasoning based on Complex Event Processing (CEP), RDF (resource description structure) and OWL (Web Ontology Language). This work presents a middleware service that supports continuous reasoning on data produced by sensors. The main advantages of our approach are: (a) to consider time as a key relationship between information; (b) flow processing can be implemented using CEP; (c) is general enough to be applied to any data flow management system (DSMS). It was developed in the Advanced Collaboration Laboratory (LAC) and a case study in the field of fire detection is conducted and implemented, elucidating the use of real-time inference on streams.

[pt] Esta dissertação aborda conceitos interdisciplinares de Engenharia Mecânica e Engenharia de Software, com foco principal no estudo de sistemas mecânicos. Atualmente, operações de monitoração por meio de veículos autônomos se tornam cada vez mais comuns, enquanto os ambientes a que esses veículos robóticos são submetidos passam a ser cada vez mais hostis, principalmente em relação aos obstáculos e características dos terrenos. O presente trabalho introduz o desenvolvimento de um simulador dinâmico em 3D em tempo real para veículos robóticos em terrenos acidentados. Um algoritmo de interseção é desenvolvido entre um terreno 3D genérico e cada roda de um veículo. Um modelo de força de contato pneu-terreno é implementado, levando em consideração as combinações das derivas longitudinal e lateral. O modelo também inclui os efeitos de corrente contínua de motores, levando-se em consideração a interação entre a parte mecânica e a elétrica, inclusive uma aproximação contínua do modelo de atrito de LuGre, considerando as limitações de potência das baterias do sistema. O simulador também inclui equações para um controle de estabilidade 2D, levando em consideração apenas a estabilização do ângulo de arfagem (pitch) do veículo. Este trabalho propõe, além disso, um controle de estabilidade 3D utilizando um indicador de estabilidade que pode ser calculado em tempo real, baseado em uma estimativa de distribuição de forças de contato entre roda e terreno. O simulador é validado mediante comparações com soluções analíticas do comportamento longitudinal do veículo robótico. / [en] This dissertation approaches interdisciplinary concepts of Mechanical Engineering and Software Engineering, with a main focus on the study of mechanical systems. Nowadays, the task of monitoring with autonomous vehicles has become more and more common, while the environment to which those robot vehicles are exposed becomes more and more hostile, mainly in relation to the obstacles and characteristics of the terrain. The present work introduces the development of a 3D real-time dynamic simulator of robot vehicles on rough terrain. An intersection algorithm is developed between a 3D generic terrain and each wheel of a vehicle. A tire-soil contact force model is implemented, taking into consideration the combined longitudinal and lateral drifts. The model includes the effects of direct current motors, taking into consideration the interaction between mechanical and electric parts, including a continuous approximation of LuGre’s friction model, considering the power limitations of the system batteries. The simulator also includes an equation for a 2D stability control, taking into consideration only the stabilization of the pitch angle of the vehicle. This work also proposes a 3D stability control using an indicator of stability that can be calculated in real time, based on an estimated distribution of wheel-terrain contact forces. The simulator is validated through comparisons with analytic solutions of the longitudinal behavior of the robot vehicle.