[pt] O processo de renderização fotoreal para cinema e TV demanda, cada vez mais, poder de processamento, necessitando não só de algoritmos paralelos, bem como sistema de distribuição de tarefas. No entanto, mesmo em sistemas de produção, o tempo necessário para avaliar uma animação pode chegar a vários dias, dificultando a melhoria da qualidade artística e limitando alterações. Neste trabalho foca-se na otimização de três processos inerentes à renderização, a renderização local, na qual o sistema trabalha para renderizar um conjunto de pixels de forma otimizada, aproveitando os recursos de hardware disponíveis e aproveitando dados de renderizações previamente realizadas, pelo nó ou teste. O processo de gerenciamento, extremamente crítico para o resultado, é alterado para não só distribuir, mas analisar toda a infraestrutura de renderização, otimizando o processo de distribuição e permitindo o estabelecimento de metas como prazo e custo. Além disso, o modelo de gerenciamento é expandido para a nuvem, utilizando-a como transbordo de processamento. Ainda, um novo processo foi criado para avaliar a renderização de forma colaborativa, onde cada nó comunica resultados parciais e assim otimiza a renderização de outros. Por fim, diversas técnicas inovadoras foram criadas para melhorar o processo como um todo, removendo desperdícios e reaproveitando trabalho. / [en] The photorealistic rendering process for cinema and TV increasingly demands processing power, requiring fast parallel algorithms and effective task distribution systems. However, the processes currently used by the academia and by the industry still consume several days to evaluate an animation in super-resolution (typically 8K), what makes difficult the improvement of artistic quality and limits the number of experiments with scene parameters. In this work, we focus on the optimization of three processes involved in photorealistic rendering, reducing the total time of rendering substantially. Firstly, we optimize the local rendering, in which the system works to render a set of pixels optimally, taking advantage of the available hardware resources and using previous rendering data. Secondly, we optimize the management process, which is changed not only to distribute frames but also to analyze all the rendering infrastructure, optimizing the distribution process and allowing the establishment of goals as time and cost. Furthermore, the management model is expanded to the cloud, using the cloud as a processing overflow. Thirdly, we propose a new optimized process to evaluate the rendering task collaboratively, where each node communicates partial results to other nodes, allowing the optimization of the rendering process in all nodes. Altogether, this thesis is an innovative proposal to improve the whole process of high-performance rendering, removing waste of resources and reducing rework.

[pt] Neste trabalho, foi desenvolvido um algoritmo para a solução de uma equação integral que possa ser aplicado de forma eficiente na previsão da cobertura de sistemas celulares. Este algoritmo compara-se com o algoritmo proposto originalmente e com a mesma aplicação baseada na técnica de traçado de raios. A técnica de traçado de raios utiliza o método das imagens no traçado dos raios pertencentes a trinta diferentes classes, caracterizadas pela multiplicidade e pelos tipos e ordens das interações com o terreno. Os coeficientes de reflexão e de difração são calculados pelas equações clássicas de Fresnel e pelas equações da Teoria Uniforme da Difração, respectivamente, modificadas para considerar a rugosidade do terreno. Ambos os algoritmos foram aplicados para calcular a intensidade de campo ao longo de um perfil de terreno e em uma região montanhosa do sul do Estado de Minas Gerais. Os resultados são comparados entre si e com os resultados de medidas, quando disponíveis. Esta comparação considera tanto os resultados obtidos quanto os tempos de processamento necessários em ambos os casos. / [en] In this work an algorithm for the solution of an integral equation, which can efficiently be applied to estimate the coverage areaof a cellular system, has been developed. This algorithm is compared with the original proposed algorithm and also woth Ray tracing Techiniques for the same applications. The Ray Tracing Tecniques uses the image Tecnique to trace thirty different classes of rays, which are characterised by multiplicity of the paths and also the nature of graund. The coefficients of reflection and diffraction have been calculeted by using the classical Fresnel and the Uniform Theory of Diffraction equations respectively, and have been modified to include the roufhness of the ground. Both algorithms have been used to calculate the fiels intensity along a land profile and also a mountainous region South comparison takes into consideration the quality of the results as well as the processing time of both algorithms.

[pt] Os efeitos da difração na propagação de ondas de rádio sobre terreno irregular em VHF e outras bandas a ser usado por futuras aplicações da TV digital são normalmente estimados usando um dos muitos modelos clássicos. Nesta dissertação é feita uma comparação dos erros cometidos na previsão do sinal recebido por três modelos de propagação computacionalmente intensivos. Os resultados da presente comparação indicarão se os esforços computacionais envolvidos na aplicação destes métodos são capazes de diminuir o valor médio e desvio padrão das diferenças entre as medidas e predições determinadas pelos métodos clássicos. / [en] Diffraction effects on the propagation of radio wave over irregular terrain in the VHF and other bands to be used by future digital TV applications are normally estimated using one of many classical models. In this dissertation is made a comparison of the errors committed prediction of signal received by three propagation models computationally-intensive. The results of the present comparison will indicate whether the computational efforts involved on the application of these methods are capable of decreasing the mean value and the standard deviation of the difference between measurements and predictions determined by the classical methods.

[pt] A futura saturação do espectro eletromagnético atualmente alocado para as comunicações móveis tem levado a comunidade científica a considerar o uso das vastas faixas de frequência disponíveis em ondas milimétricas. Esta contribuição se insere no esforço de pesquisa para caracterização dos canais urbanos em ambientes exteriores. O modelo desenvolvido utiliza o traçado de raios 2.5D, com base nos conceitos da ótica geométrica e teoria uniforme da difração. Foram implementadas diversas técnicas consideradas em um futuro padrão de comunicações móveis 5G para a transmissão de sinais de banda ultra larga em canais com e sem visada e consideradas várias classes de espalhadores, como árvores, postes e paredes rugosas com espalhamento difuso. Adicionalmente, foram feitas simulações e comparações em ambientes onde foram realizadas campanhas de medições, nas métricas de: potência recebida, retardo médio, desvio RMS e XPD. Os resultados comparativos mostraram boa concordância geral e foram investigadas possíveis causas de erro em previsões nas métricas adotadas. / [en] The future saturation of the electromagnetic spectrum currently allocated for mobile communications has led the scientific community to consider the use of the vast frequency bands available in millimeter waves. There are some technical obstacles limiting the immediate use of this band. In the radio propagation area, there is a research effort to characterize the outdoor urban channels. The developed model uses a 2.5D ray tracing algorithm based on geometrical optics and UTD concepts in outdoor environments. The model implements several techniques considered in a future standard of 5G mobile communications for the transmission of ultra wide band signals in LOS and NLOS channels with a high density of scatterers: trees, poles and diffuse scattering by rough building walls. In addition, simulations and comparisons were performed in environments where measurement campaigns were carried out, considering the following metrics: received power, mean delay, RMS deviation and XPD. The comparative results showed a good agreement. Possible model impairments were investigated.

[pt] Um modelo de traçado de raios baseado no método das imagens será aplicado para estudar a propagação de ondas de rádio nas regiões de Copacabana e Ipanema no Rio de Janeiro. Nesses ambientes altamente urbanizados, pode-se assumir que a propagação é restrita à seção horizontal dos vales nas ruas que são formados pelos blocos de edificações. Várias classes de raios, caracterizados pelo número, tipo (reflexão ou difração), e ordem de ocorrência de interação com as faces laterais dos blocos são considerados no modelo. As direções de partida e chegada, assim como a amplitude e o atraso no tempo, caracterizam cada raio, considerando seu comprimento total, além dos produtos dos coeficientes associados com cada interação com o ambiente. Neste trabalho, demonstra-se o aumento na capacidade do canal com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), usando conjunto de antenas na transmissão e na recepção para um sistema faixa estreita, operando a 1.9 GHZ, estudando situações com linha de visada (LOS) e sem linha de visada (NLOS). Sistemas de comunicações wireless com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), utilizando conjunto de antenas na transmissão e na recepção apresentam grande interesse atualmente, devido a grande eficiência espectral apresentada e ao aumento na capacidade do canal. O efeito dos sistemas MIMO na capacidade do canal é estudado para situações LOS e NLOS, visando compreender sua relação em função do ambiente de propagação. Apresenta-se a relação da capacidade do canal em função do crescimento da relação sinal-ruído (SNR), da potência de transmissão, da distância, do atraso e do espalhamento angular para pontos de recepção em LOS e NLOS. Além disso, resultados simulando um canal Rayleigh também são comparados com os resultados obtidos. / [en] A ray tracing model based on the method of images has been applied to study the propagation of radio waves in the regions of Copacabana and Ipanema in Rio de Janeiro. In such highly urbanized environments, it can be realistically assumed that propagation is restricted to a horizontal section of the street canyons characterized by the blocks of buildings. Several classes of rays, characterized by the number, type (reflection and diffraction), and order of occurrence of interaction with the lateral faces of the blocks are considered by the model. The directions of departure and arrival, as well as the amplitude and the time delay characterize each ray, considering its total length, as well as product of the coefficients associated with each interaction with the environment. In addition to analyzing the behaviors of the ray parameters considering both line-of-sight (LOS) and non line-of-sight (NLOS) situations, the capacity growth of multipleelement antenna arrays (MEAs) will be demonstrated for a narrowband system operating at 1.9 GHz. Indeed, multiple-input, multiple- output (MIMO) wireless communications systems, making use of smart antenna arrays at both ends of the communications link, has been receiving increased interest due to their high spectral efficiency and channel capacity. The effect of MIMO systems in the channel capacity will be studied for representative LOS and NLOS situations to understand how the results change as a function of the environment. It will be seen how the capacity scales with increasing signal-to- noise ratio (SNR) for a large but practical number of antenna elements at both transmitter and receiver. The increase in capacity with transmitter power, distance, delay and angular spreads for LOS and NLOS cases will also be presented, as well as a comparison of the results with those corresponding to a Rayleigh channel.

[pt] O problema de localização de estações móveis pessoais em sistemas celulares de comunicações vem recebendo grande atenção nos últimos anos, tanto por questões ligadas à segurança como por suas amplas aplicações comerciais no desenvolvimento de novos serviços e aplicações. Nesta dissertação foi desenvolvido um ambiente de simulação de localização de estações móveis em ambiente micro celulares empregando um programa de traçado de raios pelo método da força bruta (lançamento de raios), já disponível, para estimar os comprimentos de percursos e tempos de chegada entre diversas estações rádio base e a estação móvel em cenários urbanos modelados por sólidos multifacetados. Os perfis de retardo gerados por este programa são usados como dados de entrada para um programa desenvolvido nesta dissertação que estima a localização dos móveis utilizando os métodos de Taylor e de Chan. O processo desenvolvido foi testado em ambientes de geometria simples fornecendo resultados bastante consistentes e mostrando que a técnica de traçado de raios é uma ferramenta útil para a simulação e desenvolvimento de algoritmos de localização, cujo teste em situações reais exige grande volume de medidas de alta complexidade cujos exemplos na literatura técnica são escassos. Com base nas simulações foi investigadas a influência do número de estações rádio base na precisão das estimativas de localização e realizada uma comparação do desempenho dos métodos em situações com visibilidade (LOS) e sem visibilidade (NLOS). Foi analisado ainda o efeito da altura das estações na precisão dos resultados de localização. / [en] The location of mobile terminals in mobile cellular systems has been receiving increasing attention in the last few years. This interest in focused not only in security aspects but also in the development of new services for commercial application. In this Dissertation a simulation environment for mobile stations location in microcellular systems was developed. The simulation tools include a ray tracing software, previously implemented using the ray launching technique, to estimate the path lengths and time of arrival of signals from the mobile station to several radio base stations, and new software implementing terminal location methods using the Taylor linearization and the Chan methods. The simulation tools were tested in scenarios of simple geometry producing consistent results and showing that ray tracing can be a useful tool for simulation and development of location algorithms. The simulations allowed the investigation of location precision dependence on the number of radio bases employed and the evaluation of the estimation methods in visibility (LOS) and non- visibility (NLOS) conditions. The influence of base station antennas heights was also investigated.

[pt] O crescimento da demanda por serviços de telecomunicações em terra firme também pode ser encontrado em ambientes marítimos por usuários a bordo de embarcações, sejam elas civis ou militares. Nestes ambientes, um fenômeno conhecido como duto de evaporação influencia a propagação eletromagnética na troposfera, proporcionando a comunicação ponto-a-ponto em distâncias além do horizonte rádio. Este trabalho utiliza a técnica de traçado de raios para analisar o comportamento da onda eletromagnética nestes meios. Foi elaborado um algoritmo capaz de traçar raios e determinar amplitudes e fases do campo elétrico em meios inomogêneos bidimensionais dado um mapa de refratividade modificada M. A partir destes mapas, o algoritmo calcula os gradientes verticais de M, que podem variar ao longo do percurso, e traça os raios, a partir da antena transmissora. Como aplicação, além de cenários com dutos de evaporação, foram utilizados mapas de M estimados com base em dados meteorológicos fornecidos por radiossondas lançadas no litoral brasileiro. Os resultados obtidos foram comparados aos fornecidos pelo software Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS), baseado na solução numérica de equação parabólica. Este trabalho também apresenta resultados estatísticos de dutos de evaporação no litoral brasileiro, a partir de dados meteorológicos fornecidos por boias oceanográficas do Programa Nacional de Boias (PNBOIA). Para tal, é utilizado, com pequenas alterações, o algoritmo de Paulus-Jeske, que estima a altura de dutos de evaporação. / [en] The demand growth for land-based telecommunications services can also be found in maritime environments by users on board ships, whether civilian or military. In these environments, a phenomenon known as the evaporation duct influences electromagnetic propagation in the troposphere, providing point-to-point communication at distances beyond the radio horizon. This work uses the raytracing technique to analyze the behavior of electromagnetic waves in these media. An algorithm capable of tracing rays and determining electric field amplitudes and phases in two-dimensional inhomogeneous media was developed, given a map of modified refractivity M. From these maps, the algorithm calculates the vertical gradients of M, which can vary along the path, and traces rays from the transmitting antenna. As an application, in addition to scenarios with evaporation ducts, M maps were estimated based on meteorological data provided by radiosondes launched in the Brazilian coast. The results obtained were compared with those provided by the Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS) software, based on the numerical solution of parabolic equation. This work also presents statistical results of evaporation ducts in the Brazilian coast, based on meteorological data provided by oceanographic buoys of Programa Nacional de Boias (PNBOIA). For this, the Paulus-Jeske algorithm, which estimates the height of the evaporation ducts, is used with small changes.

[pt] O objetivo deste trabalho é desenvolver uma solução completa para o traçado de raios de cenas dinâmicas utilizando a GPU. Para que este algoritmo atinja desempenho interativo, é necessário utilizar uma estrutura espacial para reduzir os testes de interseção entre raios e triângulos da cena. Observa-se que, quando há movimento na cena, é necessário atualizar esta estrutura de aceleração, seja alterando-a parcialmente ou reconstruindo-a inteiramente. Adotamos a segunda estratégia por ser capaz de tratar o caso geral de movimento não-estruturado. Como a construção da estrutura deve ser feita da forma mais eficiente possível, escolhemos utilizar uma Grade Uniforme como foco de nossa pesquisa. Suas vantagens incluem um algoritmo de construção simples e um percurso de raios eficiente. Para explorar o poder de processamento em paralelo de uma GPU, é necessário manter os dados da cena e da estrutura de aceleração dentro da placa gráfica, evitando transferências custosas de memória entre a GPU e a CPU. Propomos neste trabalho uma técnica para construir uma grade uniforme inteiramente na GPU. Usando nosso método, é possível reconstruir toda a estrutura em poucos milissegundos, enquanto mantém-se a alta qualidade da grade obtida. Além disso, propomos uma implementaçoes do algoritmo de traçado de raios de forma a aproveitar o processamento em paralelo da GPU. Nosso procedimento é implementado inteiramente dentro da placa gráfica, onde há acesso direto para os dados dos triângulos da cena, bem como as informações da grade uniforme construída. Utilizando a solução proposta, somos capazes de obter taxas de visualização interativas mesmo para cenas com movimentos não-estruturados, incluindo texturas, sombras e até mesmo reflexões. / [en] We present a technique for ray tracing dynamic scenes using the GPU. In order to achieve interactive rendering rates, it is necessary to use a spatial structure to reduce the number of ray-triangle intersections performed. Whenever there is movement in the scene, this structure is entirely rebuilt. This way, it is possible to handle general unstructured motion. For this purpose, we have developed an algorithm for reconstructing Uniform Grids entirely inside the graphics hardware. In addition, we present ray-traversal and shading algorithms fully implemented on the GPU, including textures, shadows and reections. Combining these techniques, we demonstrate interactive ray tracing performance for dynamic scenes, even with unstructured motion and advanced shading effects.

[pt] O estágio atual das comunicações móveis é caracterizado por um crescimento espetacular da demanda em todos os tipos de ambientes, tanto urbanos densos como suburbanos e rurais . Os planejadores destes sistemas necessitam ferramentas eficientes e economicamente viáveis para a caracterização e projeto deles. O grande objetivo de um bom planejamento é uma boa cobertura, e um dos parâmetros de qualidade é a perda média de propagação. A principal técnica determinística utilizada para o cálculo da perda média de propagação em micro-células em áreas fortemente edificadas é o traçado de raios, a través de um de dois métodos alternativos: o método das imagens e o método de lançamento de raios. Este trabalho apresenta uma formulação detalhada do método de lançamento de raios e dos métodos assintóticos que foram usados afim de calcular os campos eletromagnéticos (direto, refletido e difratado) que permitem calcular a Perda Média de Propagação. Além do mais apresenta-se o método de discriminação espacial usado para acelerar o processo de cálculo. A metodologia proposta foi implementada em programa de computador e são apresentados alguns estudos de caso para ambientes específicos. / [en] The current period of the mobile communications is characterized by a spectacular growth of the demand in all the types of environments, not only in density urbanized cities as suburban and rural. The planners of these systems need efficient and economically viable tools for the design of these systems. The main goal of good planning is a good coverage, and one of the most adopted quality indicators is the path loss of propagation. The mostly used deterministic technique for calculation it in strongly built micro-cells is the tracing of rays, whether the method of the images or the method of launching of rays. This work presents a detailed formularization of the method of launching of rays and of the asymptotic methods which have been used in order to calculate the electromagnetic fields (direct, reflected and diffracted) which allow to calculate the Path Loss of Propagation. Besides it this shown the used method of space discrimination, which was employed to speed up the calculation. The methodology proposal was implemented in computer program and is presented some studies of case for specific environments.

[pt] O problema do cálculo de cobertura em sistemas celulares operando em regiões urbanizadas tem sido bastante estudado por diversos autores, existindo um conjunto de métodos de previsão amplamente testados e implementados em ferramentas computacionais. Atualmente, com a aplicação da tecnologia celular a sistemas de transmissão de dados de faixa larga, o foco dos estudos nesta área deslocou-se para o cálculo de cobertura em micro e picocélulas. Este trabalho apresenta uma revisão dos principais métodos empíricos para a previsão da propagação em sistemas micro e picocelulares. A seguir é realizado o estudo de uma técnica mais precisa para estes cálculos, empregando traçado de raios e o rastreamento do campo eletromagnético ao longo dos mesmos segundo a Teoria Uniforme da Difração (UTD). É desenvolvido todo um conjunto de algoritmos para a aplicação do traçado de raios, considerados os problemas de reflexão, refração (transmissão) e difração num cenário tridimensional (problema vetorial). A difração é tratada a partir da generalização das formulações assintóticas disponíveis para tratar o espalhamento por obstáculos perfeitamente condutores. Parte destes algoritmos, referentes aos problemas de reflexão múltipla, foi implementada em linguagem C++ e alguns exemplos de aplicação são apresentados neste trabalho. / [en] The problem of the electromagnetic coverage in cellular systems designed to operate in urban regions has being massively studied by many authors, existing a set of prediction models largely tested and implemented in computational tools. Nowadays, with the application of the cellular technology in broadband data transmission systems, the focus of the research in this area has moved to the coverage computation in micro and picocells. This work presents a review of the main empirical methods for the propagation prediction in micro and picocellular systems. Following it, a study is made of a more precise technique for these computations, employing ray tracing and the tracking of the electromagnetic field in each point of the ray trajectory by using the Uniform Theory of Diffraction (UTD). It is developed a pack of algorithms for the application of the ray tracing techniques, to the problems of reflection, refraction (transmission through slabs) and diffraction in a tridimensional scene (vectorial problem). Diffraction is dealed with by extending available asymptotic formulations for scattering by perfectly conducting obstacles. A portion of these algorithms, refering to the problem of multiple reflections, has been implemented in a C++ computer code and applied herein to selected case studies. / [es] El problema del cálculo de cobertura en sistemas celulares que operan en regiones urbanizadas ha sido bastante estudiado por diversos autores. Como resultado, existe un conjunto de métodos de previsión ampliamente probados e implementados computacionalmente. Actualmente, con la aplicación de la tecnología celular a sistemas de transmisión de datos de larga faja, el foco de los estudios en esta área ha pasado a ser el cálculo de cobertura en micro e picocélulas. Este trabajo presenta una revisión de los principales métodos empíricos para la previsión de propagación en sistemas micro e picocelulares. A seguir se estudia una técnica más precisa para estos cálculos, que utiliza trazado de rayos y rastreamiento del campo eletromagnético según la Teoría Uniforme de la Difracción (UTD). Se desarrolla un conjunto de algoritmos para la aplicación del trazado de rayos, considerando los problemas de reflexión, refracción (transmisión) y difracción en un escenario tridimensional (problema vectorial). La difracción es tratada a partir de la generalización de las formulaciones asintóticas disponibles para tratar la dispersión por obstáculos perfectamente conductores. Una parte de estos algoritmos, referidos a los problemas de reflexión múltiple, fueron implementada en lenguaje C++ y algunos ejemplos de aplicación se apresentan en este trabajo.