[pt] A geração de cenas realísticas de fenômenos naturais em tempo real é uma das mais importantes áreas de pesquisa para aplicações em jogos e simuladores. No início da computação gráfica para tempo real, a maioria das aplicações tratava a superfície da água como um plano com uma textura. Essa abordagem produz uma visualizaçãomuito pouco realística da superfície da água, além de não reproduzir o comportamento hidrodinâmico correto da água. Nesse contexto, muitos grupos de pesquisa desenvolveram técnicas para a visualização realística da superfície da água, contudo, a maioria desses trabalhos foca no processo off-line e poucos tratam da questão em tempo real. No entanto, os recentes avanços no desempenho do hardware permitiram a utilização de técnicas tradicionalmente usadas emoff-line para o escopo de tempo real, porém não há uma pesquisa-guia que descreva tais técnicas e faça uma análise comparativa das mesmas. Sendo assim, sem tal pesquisa-guia é muito difícil escolher a melhor técnica para um hardware específico ou se determinada técnica provê o controle de simulação necessário para uma aplicação específica.Nesse contexto, a presente pesquisa analisa as técnicas mais importantes para visualização e simulação de oceano em tempo real, utilizando a unidade de processamento gráfico como o processador principal. Além disso, ela realiza uma análise comparativa de desempenho de cada técnica e estuda os prós e contras delas. Ainda, alguns métodos off-line clássicos são adaptados para uso na GPU. / [en] The synthesis of realistic natural scenes in real time is one of the most important research areas for applications in games and simulators. In the beginning of real-time computer graphics, most of the applications treated water surface as a textured plane. This approach produces a very low realistic rendering of the water surface and does not reproduce the correct hydrodynamics behaviour of the water. So, a lot of research groups developed techniques for realistic water rendering, most of them for off-line processes and a few for real-time use. However, current improvementson hardware performance allow the usage oftraditional off-line techniques for real-time proposes, but there is no research work that describesthese techniques and makes a comparative analysis of them. Then, without this comparative analysis, it is very difficult to choose the best technique for a specific hardware or to decide if a particular technique provides the simulation control that a certain application needs.In this context, the present research work analyses the most important techniques for real-time ocean water simulation and visualization using the graphics processor unit as a main processor. Moreover, it makes a performance comparative analysis of each technique and analyses the pros and cons of them. Furthermore, some classic off-line methods are adapted for GPU use.

[pt] Este trabalho estuda problemas geotécnicos e de interação solo-estrutura utilizando o método dos elementos finitos acoplado com a transformada de Fourier. Pela aplicação da transformada de Fourier, as equações diferenciais que governam o problema elástico linear, com as correspondentes condições de contorno, são reescritas no plano de Fourier, permitindo que um problema de natureza tridimensional possa ser numericamente analisado por uma discretização bidimensional. Esta técnica foi empregada neste trabalho para certos problemas de engenharia, como dutovias, túneis e fundações tipo radier, onde a geometria e os parâmetros dos materiais mantêm-se constantes ao longo do eixo longitudinal do corpo, porém admitindo-se variações espaciais no carregamento imposto ao sistema, gerando , assim, um estado tridimensional de tensões. Alguns elementos de interface, com formulação publicada na literatura, foram também considerados na implementação computacional, visto que em problemas de interação solo- estrutura o comportamento do sistema é bastante influenciado pelas propriedades e características mecânicas do solo imediatamente vizinho à estrutura. Os exemplos numéricos apresentados são comparados, sempre que possível, com os resultados obtidos por outra solução analítica ou numérica, procurando discutir as vantagens e limitações do acoplamento da transformada de Fourier com o método dos elementos finitos para a análise de determinada classe de problemas geotécnicos tridimensionais. / [en] In this work some geotechnical and soil-structure interaction problems are studied using the finite element method coupled with a Fourier transform technique. For linear elastic problems, Fourier transforms are applied to the governing field equations, thus enabling that some specific tridimensional problems can be analyzed using a 2D finite element mesh. In conventional finite element applications, a 3D discretization is usually required, but difficulties associated with the preparation of the finite element mesh and the involved computational efforts prevent, in general, the use of a true 3D model. The integral transform method is used in this research for the analysis of some very common problems in geotechnical engineering, such as piping systems, raft foundations and tunnels, where the geometry and the soil profile may be considered constant along a coordinate direction. The applied loading, however, can assume any possible surface distribution, which does not allow to treat the problem under the plane strain assumptions. Some special finite elements presented in the literature, called joint or interface elements, are also incorporated into the finite element computational program written in this research, given that for soil-structure interaction problems the material behavior at the common interface may greatly affect the entire system results. Some numerical examples are presented, and their numerical results are compared, whenever possible, with other solutions obtained using analytical or other numerical technique. Advantages and limitations of the integral transform method to solve tridimensional geomechanics problems are also discussed in this work. / [es] Este trabajo estudia problemas geotécnicos y de interacción suelo-extructura utilizando el método de los elementos finitos acoplado con la transformada de Fourier. Por la aplicación de la transformada de Fourier, las ecuaciones diferenciales que goviernan el problema elástico lineal, con las correspondentes condiciones de contorno, son reescritas en el plano de Fourier, permitiendo que un problema de naturaleza tridimensional pueda ser numericamente analizado por una discretización bidimensional. Esta técnica fue utilizada en este trabajo para ciertos problemas de Ingeniería, como canales, túneles y fundaciones tipo radier, donde la geometría y los parámetros de los materiales se mantienen constantes a lo largo del eje longitudinal del cuerpo, aunque se admiten variaciones espaciales en la carga impuesta al sistema, generando , así, un estado tridimensional de tensiones. En la implementación computacional fueron considerados algunos elementos de la interfaz, con formulación publicada en la literatura, ya que en problemas de interacción suelo-extructura, el comportamiento del sistema está bastante influenciado por las propiedades y características mecánicas del suelo imediatamente vecino a la extructura. Los ejemplos numéricos presentados se compararon, siempre que fue posible, con los resultados obtenidos por otra solución analítica o numérica, discutiendo las ventajas y limitaciones del acoplamiento de la transformada de Fourier con el método de los elementos finitos para el análisis de determinada clase de problemas geotécnicos tridimensionales.

[pt] Este trabalho tem como objetivo analisar o problema das perdas por absorção dos dados de reflexão sísmica, bem como testar três métodos disponíveis na literatura para sua correção. Utilizamos a modelagem da absorção apresentada por Romanelli Rosa, com a noção de frequência instantânea, e analisamos os seguintes métodos de correção: a Compensação Q, o método de Varela et al. e o método de Duarte, que é um filtro recursivo. Observamos que o método de Duarte é computacionalmente mais rápido que os demais. Ainda assim, podemos utilizar a Transformada de Fourier para torná-lo mais rápido nos casos em que a recursão é interrompida em uma etapa M, menor que o número de amostras N do dado sísmico e maior que lnN. Por fim, testamos o desempenho dos métodos em uma linha de reflexão sísmica marítima da Bacia de Sergipe-Alagoas, fornecida pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). A linha foi reprocessada, com a correção das perdas por absorção aplicada antes do empilhamento, para cada método estudado. Para comparar os resultados, o dado também foi processado sem correção da absorção. Verificamos que houve um aumento da resolução das camadas geológicas de subsuperfície em todos os métodos testados em comparação com o dado sem correção, porém o método de Duarte mostrou-se mais rápido que os demais. / [en] This work aims at analyzing the problem of losses by absorption in seismic reflection data and test three correction methods available in the literature. We use the modeling of the absorption presented by Romanelli Rosa, with the concept of instantaneous frequency, and analyzed the following correction methods: Q compensation, Varela s method and Duarte s method, which is a recursive filter. We note that Duarte s method is computationally faster than the others. However, we can use the Fourier Transform to make it faster in cases where the recursion is interrupted at a step M, smaller than the number of samples N in the seismic data and greater than ln N. Finally, we test the performance of the methods in a marine seismic line in Sergipe-Alagoas Basin, provided by the Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). The line was reprocessed, with the correction of the losses by absorption applied before stacking, for each method studied. In order to compare the results, the data was also processed without correction of absorption. We observe an increase in the resolution of the geological subsurface in all methods tested in comparison with the data without correction. We also observe the computational advantage of Duarte s method.

[pt] Ao mesmo tempo em que a autonomia de robôs pessoais e domésticos aumenta, cresce a necessidade de interação dos mesmos com o ambiente. A interação mais básica de um robô com o ambiente é feita pela percepção deste e sua navegação. Para uma série de aplicações não é prático prover modelos geométricos válidos do ambiente a um robô antes de seu uso. O robô necessita, então, criar estes modelos enquanto se movimenta e percebe o meio em que está inserido através de sensores. Ao mesmo tempo é necessário minimizar a complexidade requerida quanto a hardware e sensores utilizados. No presente trabalho, um algoritmo iterativo baseado em entropia é proposto para planejar uma estratégia de exploração visual, permitindo a construção eficaz de um modelo em grafo do ambiente. O algoritmo se baseia na determinação da informação presente em sub-regiões de uma imagem panorâmica 2-D da localização atual do robô obtida com uma câmera fixa sobre o mesmo. Utilizando a métrica de entropia baseada na Teoria da Informação de Shannon, o algoritmo determina nós potenciais para os quais deve se prosseguir a exploração. Através de procedimento de Visual Tracking, em conjunto com a técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform), o algoritmo auxilia a navegação do robô para cada nó novo, onde o processo é repetido. Um procedimento baseado em transformações invariáveis a determinadas variações espaciais (desenvolvidas a partir de Fourier e Mellin) é utilizado para auxiliar o processo de guiar o robô para nós já conhecidos. Também é proposto um método baseado na técnica SIFT. Os processos relativos à obtenção de imagens, avaliação, criação do grafo, e prosseguimento dos passos citados continua até que o robô tenha mapeado o ambiente com nível pré-especificado de detalhes. O conjunto de nós e imagens obtidos são combinados de modo a se criar um modelo em grafo do ambiente. Seguindo os caminhos, nó a nó, um robô pode navegar pelo ambiente já explorado. O método é particularmente adequado para ambientes planos. As componentes do algoritmo proposto foram desenvolvidas e testadas no presente trabalho. Resultados experimentais mostrando a eficácia dos métodos propostos são apresentados. / [en] As the autonomy of personal service robotic systems increases so has their need to interact with their environment. The most basic interaction a robotic agent may have with its environment is to sense and navigate through it. For many applications it is not usually practical to provide robots in advance with valid geometric models of their environment. The robot will need to create these models by moving around and sensing the environment, while minimizing the complexity of the required sensing hardware. This work proposes an entropy-based iterative algorithm to plan the robot´s visual exploration strategy, enabling it to most efficiently build a graph model of its environment. The algorithm is based on determining the information present in sub-regions of a 2- D panoramic image of the environment from the robot´s current location using a single camera fixed on the mobile robot. Using a metric based on Shannon s information theory, the algorithm determines potential locations of nodes from which to further image the environment. Using a Visual Tracking process based on SIFT (Scale Invariant Feature Transform), the algorithm helps navigate the robot to each new node, where the imaging process is repeated. An invariant transform (based on Fourier and Mellin) and tracking process is used to guide the robot back to a previous node. Also, an SIFT based method is proposed to accomplish such task. This imaging, evaluation, branching and retracing its steps continues until the robot has mapped the environment to a pre-specified level of detail. The set of nodes and the images taken at each node are combined into a graph to model the environment. By tracing its path from node to node, a service robot can navigate around its environment. This method is particularly well suited for flat-floored environments. The components of the proposed algorithm were developed and tested. Experimental results show the effectiveness of the proposed methods.

[pt] Ondas ultrassônicas guiadas são usadas em larga escala em ensaios não destrutivos (END) e Structural Health Monitoring (SHM), permitindo a inspeção de estruturas e equipamentos de forma não invasiva. A partir da transmissão de um sinal acústico sobre uma estrutura e a captação dos sinais de onda propagados por meio de sensores posicionados estrategicamente, é possível obter informações materiais do objeto inspecionado. Na área de óleo e gás, o uso desse tipo de ondas acústicas é de grande importância no levantamento do perfil da camada de cimento que reveste poços, que tem função de conferir integridade estrutural e isolar a estrutura interna de produção do poço das regiões freáticas do entorno. No processo de desativação e abandono do poço, é fundamental avaliar a qualidade do isolamento hidráulico do cimento, assim como identificar possíveis defeitos. A propagação de ondas guiadas em uma estrutura se dá, em geral, por meio de múltiplos modos e apresenta característica dispersiva, que se traduz numa dependência da velocidade de fase das ondas com a frequência, e uma relação não linear entre número de onda e frequência. A relação de dispersão carrega informações do meio de propagação, tal como constantes elásticas e dimensões, e pode ser visualizada a partir de curvas no plano frequência-número de onda (f-k). Diferentes técnicas vêm sendo exploradas para a obtenção das relações de dispersão a partir de sinais no domínio do tempo captados por sensores ultrassônicos em posições espaciais distintas. Este trabalho explora três métodos distintos para a extração das curvas de dispersão, ou seja, obter os pontos f-k associados aos modos de propagação, a partir de um conjunto de sinais dependentes do espaço-tempo. O primeiro algoritmo se baseia em uma técnica pré-existente que usa uma Transformada de Fourier bidimensional (2-D FT) sobre a matriz de dados de sinais de sensores ultrassônicos no espaço-tempo, gerando uma matriz de amplitudes no plano f-k onde os máximos locais representam pontos pertencentes a curvas de dispersão. A representação da matriz como uma imagem f-k permite a visualização das curvas de dispersão como conjuntos contíguos de pixels de maior claridade. Propõe-se um novo algoritmo baseado em operações morfológicas de processamento de imagem para a identificação de pixels relativos aos pontos das curvas de dispersão na imagem f-k, após um préprocessamento da mesma. A segunda técnica consiste no pré-processamento dessa mesma imagem f-k, obtida pela 2-D FT, e uso de um algoritmo préexistente de detecção de estruturas curvilíneas em imagens para identificar os pontos correspondentes às curvas f-k. O terceiro método é uma adaptação, proposta aqui, de um algoritmo pré-existente para estimar os números de onda das curvas de dispersão relativos a cada frequência através de uma matriz Pencil. Propõe-se também um algoritmo original para a separação dos pontos f-k encontrados pelas três técnicas de extração em curvas distintas. Os algoritmos utilizados para a obtenção das curvas de dispersão têm seu desempenho avaliado em três conjuntos de dados distintos de simulações por elementos finitos, a saber, uma de placa de alumínio fina sob distintos valores de tração axial aplicada paralelamente à direção de propagação das ondas; um poço multicamada sem tubing possuindo diferentes tipos de defeito de cimentação-channeling, qualidade de cimento baixa, descolamento interno e externo -, assim como sem defeito; e um pouco multicamada com tubing sob os mesmos defeitos de cimentação e também sem defeito. Compara-se a capacidade dos algoritmos de extração das curvas de dispersão de oferecer informações sobre mudanças materiais entre os casos simulados. Avalia-se também a precisão e custo computacional dos mesmos. / [en] Ultrasonic guided waves are widely used in the fields of Non-Destructive Evaluation (END) and Structural Health Monitoring (SHM), allowing the inspection of structures and pieces of equipment in a non-invasive manner. Through the transmission of an acoustic signal over a given object and the acquisition of the signal from the propagated waves using a group of sensors in predefined positions, it is possible to obtain material information regarding the investigated structure. In the Oil & Gas industry, the use of this type of wave is integral to the logging of the cement layer that outlines the walls of wellbores, which has the purpose of guaranteeing structural support and protecting the well’s internal production structure and the surrounding groundwater from each other. During the deactivation and abandonment of a production well, it is necessary to evaluate the hydraulic isolation of the cement layer, as well as identify possible defects. The propagation of guided waves in a structure is usually multi-modal and of dispersive characteristic. The latter means that the propagating waves phase velocity is dependent on the frequency, translating into a non-linear relationship between wavenumber and frequency. This dispersion relation contains information about the propagating medium, such as elastic constants and dimensions, and can be represented as curves in the frequency-wavenumber (f-k) plane. Different methods are currently being explored for obtaining the dispersion relation from time-domain signals acquired by ultrasonic sensors in different spatial positions. This work explored three different methods for the extraction of the dispersion curves, that is, obtaining the f-k points associated with the modes of propagation, from a dataset composed of space-time signals. The first algorithm is based on a pre-existing technique that uses the bidimensional Fourier Transform (2-D FT) over the matrix containing the space-time signals from the ultrasonic sensors, generating an f-k matrix whose local maximas correspond to points belonging to dispersions curves. The representation of the matrix as an f-k image shows the dispersion curves as contiguous groups of pixels with elevated brightness. A new algorithm is proposed, based on morphological operations from image-processing, to identify the pixels relative to the f-k points of the dispersion curves in the image, after pre-processing is performed. The second technique consists of pre-processing the same fk image, obtained from the 2-D FT, and the use of an existing algorithm for the detection of curvilinear structures in images to identify the points corresponding to the f-k curves. The third method proposes the adaptation of an existing method of estimation of the wavenumbers associated with the dispersion curves for different frequencies, using a matrix Pencil. This work also proposes an original algorithm to separate the f-k points, retrieved by the three techniques, in different curves associated with each mode of propagation. The algorithms used here for the estimation of the dispersion curves are evaluated over three distinct datasets of finite elements simulation: a thin aluminum plate under different values of axial traction parallel to the direction of propagation of the waves; a multilayer wellbore without tubing, with different types of cement defects-channeling, low cement quality, internal and external decoupling-, and without defect; a multilayer wellbore with tubing with the same cement defects and with no defect. Finally, a comparison is drawn over the capacity of the extraction algorithms of providing information regarding changes in the material qualities of the simulated objects. The work also evaluates the precision and computational performance of the aforementioned algorithms.