[pt] Um dos principais desafios da ciência da computação é conseguir que um computador execute uma tarefa que precisa ser feita, sem dizer-lhe como fazê-la. A Programação Genética (PG) aborda este desafio a partir de uma declaração de alto nível sobre o que é necessário ser feito e cria um programa de computador para resolver o problema automaticamente. Nesta dissertação, é desenvolvida uma extensão do modelo de Programação Genética Linear com Inspiração Quântica (PGLIQ) com melhorias na eficiência e eficácia na busca de soluções. Para tal, primeiro o algoritmo é estruturado em um sistema de paralelização heterogênea visando à aceleração por Unidades de Processamento Gráfico e a execução em múltiplos processadores CPU, maximizando a velocidade dos processos, além de utilizar técnicas otimizadas para reduzir os tempos de transferências de dados. Segundo, utilizam-se as técnicas de Visualização Gráfica que interpretam a estrutura e os processos que o algoritmo evolui para entender o efeito da paralelização do modelo e o comportamento da PGLIQ. Na implementação da paralelização heterogênea, são utilizados os recursos de computação paralela como Message Passing Interface (MPI) e Open Multi-Processing (OpenMP), que são de vital importância quando se trabalha com multi-processos. Além de representar graficamente os parametros da PGLIQ, visualizando-se o comportamento ao longo das gerações, uma visualização 3D para casos de robôtica evolutiva é apresentada, na qual as ferramentas de simulação dinâmica como Bullet SDK e o motor gráfico OGRE para a renderização são utilizadas. / [en] One of the main challenges of computer science is to get a computer execute a task that must be done, without telling it how to do it. Genetic Programming (GP) deals with this challenge from a high level statement of what is needed to be done and creates a computer program to solve the problem automatically. In this dissertation we developed an extension of Quantum-Inspired Linear Genetic Programming Model (QILGP), aiming to improve its efficiency and effectiveness in the search for solutions. For this, first the algorithm is structured in a Heterogeneous Parallelism System, Aiming to accelerated using Graphics Processing Units GPU and multiple CPU processors, reducing the timing of data transfers while maximizing the speed of the processes. Second, using the techniques of Graphic Visualization which interpret the structure and the processes that the algorithm evolves, understanding the behavior of QILGP. We used the highperformance features such as Message Passing Interface (MPI) and Open Multi- Processing (OpenMP), which are of vital importance when working with multiprocesses, as it is necessary to design a topology that has multiple levels of parallelism to avoid delaying the process for transferring the data to a local computer where the visualization is projected. In addition to graphically represent the parameters of PGLIQ devising the behavior over generations, a 3D visualization for cases of evolutionary robotics is presented, in which the tools of dynamic simulation as Bullet SDK and graphics engine OGRE for rendering are used . This visualization is used as a tool for a case study in this dissertation.

[pt] Visualização de grandes terrenos é um assunto desafiador em computação gráfica. O número de polígonos necessário para representar fielmente a geometria de um terreno pode ser muito alto para ser processado em tempo real. Para resolver tal problema, utiliza-se um algoritmo de multi- resolução, que envia para o processador gráfico (GPU) somente os polígonos mais importantes, sem que haja uma perda na qualidade visual. A quantidade de dados é um outro grande problema, pois facilmente excede a quantidade de memória RAM do computador. Desta forma, um sistema de gerenciamento de dados que não estão em memória principal também é necessário. Este trabalho propõe uma solução simples e escalável para visualizar a geometria de grandes terrenos baseada em três pontos chaves: uma estrutura de dados para representar o terreno em multi-resolução; um sistema eficiente de visualização; e um sistema de paginação e predição dos dados. A estrutura de dados utilizada, assim como em outros trabalhos similares, é a quadtree. Esta escolha justifica-se pela simplicidade, além da eficiência e baixo consumo de memória de uma implementação em vetor. Cada nó da quadtree representa um ladrilho do terreno. A implementação é dividida em duas linhas de execução (threads), uma para gerenciamento dos ladrilhos e outra para visualização. A linha de execução de gerenciamento de ladrilhos é responsável por carregar/remover ladrilhos para/da memória. Esta linha de execução utiliza um mecanismo de predição de movimento da câmera para carregar ladrilhos que possam ser utilizados em um futuro próximo, e remover ladrilhos que provavelmente não serão necessários. A linha de execução de visualização é responsável por visualizar o terreno, fazendo cálculo do erro projetado, eliminando ladrilhos não visíveis e balanceando a estrutura de quadtree para eliminar buracos ou vértices T na superfície do terreno. A visualização pode ser feita de duas formas distintas: baseada no erro máximo tolerado ou na quantidade máxima de polígonos a ser processado. / [en] The visualization of large terrains is a challenging Computer Graphics issue. The number of polygons required to faithfully represent a terrain`s geometry can be too high for real-time visualization. To solve this problem, a multiresolution algorithm is used to feed the graphics processor only with the most important polygons, without visual quality loss. The amount of data is another important problem, as it can easily exceed a computer`s RAM. Thus, a system to manage out-of-core data is also required. The present work proposes a simple and scalable solution to visualize the geometry of large terrains based on three key points: a data structure to represent the terrain in multi-resolution, an efficient visualization system and a data paging and prediction system. Similarly to other works, the system uses a quadtree data structure due to its simplicity, along with the efficiency and the low memory use of an array-based implementation. Each node of the quadtree represents a tile of the terrain. The implementation is divided in two threads, one to manage the tiles and the other for visualization. The tile-management thread is responsible for loading/unloading tiles into/from the memory. This thread uses a camera-movement prediction mechanism to load tiles that can be used in the near future and to remove tiles that probably will not be necessary. The visualization thread is responsible for viewing the terrain, computing the projected error, eliminating tiles that are not visible and balancing the quadtree structure in order to eliminate cracks or T-vertices on the terrain`s surface. The visualization can be made by means of a fidelity-based or a budget-based approach.

[pt] Na indústria de petróleo, é imprescindível a visualização clara e desambigua de campos vetoriais resultantes de simulações numéricas de reservatórios de petróleo. Nesta dissertação, estudamos o uso da convolução de integral de linha (Line Integral Convolution – LIC) para gerar imagens de campos vetoriais 3D estacionários e aplicar o resultado em um visualizador volumétrico na GPU. Devido a densidade de informação presente na visualização volumétrica, estudamos os uso de texturas esparsas como entrada para o algoritmo de LIC e aplicamos funções de transferência para designar cor e opacidade a volumes de campos escalares, a fim de codificar informações visuais a voxels e aliviar o problema de oclusão. Além disso, tratamos o problema de codificação da direção de fluxo, inerente do LIC, usando uma extensão do algoritmo – Oriented LIC (OLIC). Por último, demonstramos um método de animação do volume a fim de ressaltar a direção do fluxo ainda mais. Comparamos então resultados do algoritmo LIC com o de OLIC. / [en] In the oil industry, clear and unambiguous visualization of vector fields resulting from numerical simulations of black-oil reservoirs is essential. In this dissertation, we study the use of line integral convolution techniques (LIC) for imaging 3D steady vector fields and apply the results to a GPU-based volume rendering algorithm. Due to the density of information present in volume renderings of LIC images, we study the use of sparse textures as input to the LIC algorithm and apply transfer functions to assign color and opacity to scalar fields in order to encode visual information to voxels and alleviate the occlusion problem. Additionally, we address the problem of encoding flow orientation, inherent to LIC, using an extension of the algorithm – Oriented LIC (OLIC). Finally, we present a method for volume animation in order to enhance the flow orientation. We then compare results obtained with LIC and with OLIC.

[pt] O uso de abordagens de programação estocástica e redução de cenários tem se tornado imprescindível na análise e predição de comportamento de sistemas dinâmicos. Entretanto, tais técnicas não levam em conta o conhecimento prévio sobre domínio que o usuário possui. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma abordagem visual e interativa para abordar o problema de redução de cenários com dados temporais. Para tanto, nós propomos a implementação de uma série de visualizações de dados temporais integradas. Também propomos a adaptação de um algoritmo de projeção multidimensional para lidar com dados temporais. Desta forma, podemos representar graficamente a evolução de um conjunto de cenários ao longo do tempo. Outra visualização proposta no presente trabalho é uma adaptação de Bump chart para lidar com dados temporais acumulados; através dele, um usuário pode comparar a evolução das distâncias entre os diferentes cenários e um cenário de referência. Para validar a nossa proposta, fizemos uma implementação das técnicas propostas e conduzimos um estudo com usuários de diferentes áreas do conhecimento e níveis de experiência. Os resultados obtidos até então indicam que uma abordagem visual para o problema de redução de cenários é viável, e permite a seleção de um conjunto razoável de cenários. Além disso, constatamos que essa abordagem pode ser útil em um contexto de exploração de dados visando a redução de cenários. O usuário também pode explorar visualmente os resultados de outras técnicas de redução de cenários usando nossa abordagem. Os usuários entrevistados reportaram facilidade em cumprir as tarefas propostas e comentaram positivamente sobre os mecanismos de interação fornecidos pelo nosso protótipo. Também testamos os cenários escolhidos usando nossa proposta contra outras abordagens encontradas tanto na literatura quanto em uso na indústria. Os resultados obtidos foram bons, indicando que nossa proposta é viável em casos de uso reais. / [en] Stochastic programming and scenario reduction approaches have become invaluable in the analysis and behavior prediction of dynamic systems. However, such techniques often fail to take advantage of the user s own expertise about the problem domain. This work provides visual interactive support to assist users in solving the scenario reduction problem with timeseries data. We employ a series of time-based visualization techniques linked together to perform the task. By adapting a multidimensional projection algorithm to handle temporal data, we can graphically present the evolution of the ensemble. We also propose to use cumulative bump charts to visually compare the ranks of distances between the ensemble time series and a baseline series. To evaluate our approach, we developed a prototype application and conducted observation studies with volunteer users of varying backgrounds and levels of expertise. Our results indicate that a graphical approach to scenario reduction may result in a good subset of scenarios and provides a valuable tool for data exploration in this context. The users liked the interaction mechanisms provided and judged the task to be easy to perform with the tools we have developed. We tested the proposed approach against state-of-the-art techniques proposed in the literature and used in the industry and obtained good results, thus indicating that our approach is viable in a real-world scenario.

[pt] O processo de recuperação de óleo pelo deslocamento com água é o método mais utilizado na indústria de petróleo. No entanto, as altas razões de mobilidade e baixas eficiências de varrido tornam o processo menos eficiente. Uma alternativa usada para minimizar este efeito é a aplicação de tecnologias que atuam como agentes de controle de mobilidade. Dentre eles, e em particular a injeção de emulsões de óleo em água tem sido estudada com relativo sucesso como um método de recuperação avançada de óleo. Alguns estudos indicam melhor varredura do reservatório devido a uma redução da mobilidade da água em regiões do reservatório já varridas por água, mediante a aglomeração e bloqueio parcial dos poros mais permeáveis com gotas da fase dispersa da emulsão. Contudo, ainda não há compreensão plena dos mecanismos associados ao escoamento de emulsões em meios porosos, assim, uma análise e visualização na escala microscópica dos fenômenos envolvidos se faz essencial para a melhora do entendimento do escoamento de emulsões em um reservatório. Neste trabalho, experimentos de escoamento de emulsões foram conduzidos em um micromodelo de vidro, estrutura artificial que busca representar alguns aspectos principais de um meio poroso e proporciona uma adequada visualização do comportamento das faces ao longo do escoamento. Nos experimentos foram realizadas alterações na molhabilidade e variou-se a vazão volumétrica a fim de avaliar diferentes números de capilaridade no meio poroso. Dentro dos resultados mais significativos, foi evidenciado como a fase dispersa da emulsão é capaz de bloquear os poros e gargantas de poro alterando a distribuição dos fluidos no meio poroso, melhorando a eficiência de deslocamento na escala de poro e com isso o fator de recuperação final. Os resultados mostram que, a altos números de capilaridade as forças interfaciais são menos importantes ao reduzir o efeito de bloqueio pelas gotas da fase dispersa nos poros do micromodelo. Estes resultados fornecem um grande aprendizado ao permitir conhecer características do escoamento de emulsões no meio poroso para uma futura aplicação no campo. / [en] The oil recovery process by water-flooding is the most used method in the oil industry. However, the high mobility ratios and low sweep efficiencies make the process less effective. A common alternative to minimize this effect is the application of technologies that act as mobility control agents. Among them and in particular the injection of oil in water emulsions has been studied with relative success as an Enhanced Oil Recovery (EOR) method. Several studies indicate a better reservoir sweep due to the water mobility reduction in regions already swept by water. This reduction can be associated with partial blockage of porous media throats by droplets of emulsion dispersed phase. Nevertheless, there is still no full understanding of the mechanisms associated to the flow of emulsions in porous media, thus, an analysis and visualization at the microscopic scale of the involved phenomena is essential for the improvement of the comprehension of the flow of emulsions in a reservoir. In this work, experimental tests related to the flow of emulsions in a glass micro-model were performed, artificial device that represents some principal features of a porous medium and provides a proper visualization of the phase behavior. In the experiments, the effect of the capillary number on the oil recovery factor and the relative influence of the wettability of the porous medium on the oil displacement process were studied. The results evidence how the oil droplets in the emulsion are capable of block the pores and the pore throats modifying the fluids distribution in the porous medium, improving the displacement efficiency at pore scale and consequently the final oil recovery factor. It was also observed that at high capillary numbers, the blocking caused by the capillary pressure needed to deform the droplet becomes less intense. These results provide a great learning by allowing to know the characteristics of the flow of emulsions in porous media for a future field application.

[pt] Na indústria do petróleo estudam-se os chamados métodos de recuperação melhorada de óleo, que visam melhorar a varredura macroscópica do reservatório e reduzir a saturação de óleo residual nas regiões varridas pela injeção da fase aquosa. Este trabalho apresenta um estudo fundamental do processo de injeção de emulsões óleo-água como método de recuperação melhorada. O meio poroso utilizado nos estudos foi um empacotamento de esferas de vidro. O meio poroso foi inicialmente saturado com óleo. O deslocamento de óleo foi realizado através da injeção sequencial de água, emulsão e água. Microtomografia de raios-X foi utilizada para determinar a distribuição das fases aquosas e oleosas ao final de cada etapa do processo de injeção. Processamento das imagens 3D obtidas permitiram a quantificação do efeito da injeção de emulsão no desvio do caminho preferencial da fase aquosa e na distribuição e tamanho de gânglios de óleo residual, gerando recuperações incrementais com relação a injeção de água. / [en] In the oil industry, the so-called enhanced oil recovery methods are studied, which aim to improve the macroscopic scanning of the reservoir and reduce the residual oil saturation in the regions swept by the injection of the aqueous phase. This work presents a fundamental study of the process of injection of oil-water emulsions as an improved recovery method. The porous medium used in the studies was a glass bead packaging. The porous medium was initially saturated with oil. The oil displacement was performed through the sequential injection of water, emulsion and water. X-ray microtomography was used to determine the distribution of the aqueous and oily phases at the end of each step of the injection process. Processing of the 3D images obtained allowed the quantification of the effect of emulsion injection on the deviation of the preferred path of the aqueous phase and the distribution and size of residual oil ganglia, generating incremental recoveries in relation to a water injection.

[pt] O tema Cidades Inteligentes é um assunto de interesse para gestores públicos e pesquisadores. Desenvolver cidades mais inteligentes é um dos desafios para o futuro próximo devido à crescente demanda por serviços públicos. Em particular, o transporte público é um dos aspectos mais visíveis de uma cidade viva e, portanto, a sua implementação deve ser muito eficiente. O sistema de transporte público da cidade do Rio de Janeiro é historicamente deficiente, principalmente porque ele é baseado em um antigo sistema de ônibus. Para melhorá-lo, a Prefeitura tomou algumas ações, como o desenvolvimento de um projeto de dados aberto que mostra, a quase a cada minuto, a posição instantânea de todos os ônibus na cidade. Embora não seja uma nova tecnologia, esta é a primeira iniciativa a ser desenvolvida no Rio. Neste trabalho, são aprsentadas ferramentas simples para a exploração visual deste grande conjunto de dados com base em informações históricas, que chega a um total de mais de um bilhão de amostras. Com essas ferramentas, um usuário será capaz de verificar as tendências, identificar padrões e localizar anomalias nesta grande quantidade de dados de GPS dos ônibus. / [en] Smart cities is a current subject of interest for public administrators and researchers. Getting the cities smarter is one of the challenges for the near future, due to the growing demand for public services. In particular, public transportation is one of most visible aspects of a living city and, therefore, its implementation must be very efficient. The public transportation system of the City of Rio de Janeiro is historically deficient, mostly because it is based on an old bus system. To change it, the City Hall took some actions, such as the development of an open data project that shows, at about every minute, the GPS instant position of all buses in the city. Although it is not a new technology, it is the first initiative to be developed in Rio. This work presents simple tools for the visual exploration of this big dataset based on the historical information from this service, which reaches a total of more than one billion samples. With these tools one is able to discover trends, identify patterns, and locate abnormalities within the massive collection of the buses GPS data.

[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] Nos dias de hoje, temos acesso a dados de tamanho, dimensionalidade e complexidade sem precedentes. Para extrair informações desconhecidas e inesperadas desses dados complexos e dinâmicos, necessitamos de estratégias efetivas e eficientes. Uma dessas estratégias é usar aplicações de análise visual (visual analytics), que combinam técnicas de análise de dados e de visualização. Depois do processo de descoberta de conhecimento, um grande desafio é filtrar a informação essencial que levou à descoberta e comunicar os achados a outras pessoas. Nós propomos tirar proveito do traço deixado pela análise exploratória de dados, sob a forma do histórico da interação do usuário, para ajudar nesse processo. Com o traço, o usuário pode escolher os passos de interação desejados e criar uma narrativa, compartilhando o conhecimento adquirido com os leitores. Para atingir nosso objetivo, desenvolvemos o arcabouço BONNIE (Building Online Narratives from Noteworthy Interaction Events - Construindo Narrativas Online a partir de Eventos de Interação Relevantes). O arcabouço compreende um modelo de log para registrar os eventos de interação, código auxiliar para ajudar o(a) desenvolvedor(a) a instrumentar o seu próprio código, e um ambiente para visualizar o histórico de interação e construir narrativas. Esta tese apresenta nossa proposta para comunicar descobertas em aplicações de análise visual, o arcabouço BONNIE, e alguns estudos empíricos que realizamos para avaliar nossa solução. / [en] Nowadays, we have access to data of unprecedentedly large size, high dimensionality, and complexity. To extract unknown and unexpected information from such complex and dynamic data, we need effective and efficient strategies. One such strategy is to combine data analysis and visualization techniques, which is the essence of visual analytics applications. After the knowledge discovery process, a major challenge is to filter the essential information that led to a discovery and to communicate the findings to other people. We propose to take advantage of the trace left by the exploratory data analysis, in the form of ser interaction history, to aid in this process. With the trace, the user can choose the desired interaction steps and create a narrative, sharing the acquired knowledge with readers. To achieve our goal, we have developed the BONNIE (Building Online Narratives from Noteworthy Interaction Events) framework. The framework comprises a log model to register the interaction events, auxiliary code to help the developer instrument his or her own code, and an environment to view the user s own interaction history and build narratives. This thesis presents our proposal for communicating discoveries in visual analytics applications, the BONNIE framework, and a few empirical studies we conducted to evaluate our solution.

[pt] Devido ao crescimento da produção e disponibilidade de dados, houve uma consequente necessidade de explorá-los em busca de entendê-los, comunicar as informações obtidas a partir deles e gerar novos conhecimentos. Diante deste cenário de produção de informação a partir do grande volume de dados surgiu o Jornalismo de Dados, campo que busca não apenas construir visualizações claras e eficientes, mas principalmente contar histórias baseadas em dados e fatos, de forma a facilitar a compreensão do público. Entretanto, há uma necessidade de desenvolver e melhorar as ferramentas de análise visual com suporte a narrativas. Neste documento, descrevemos a nossa proposta de pesquisa, que consiste na expansão da ferramenta de visualização de dados VisMaker, integrando a possibilidade de criação de data stories para as visualizações, em um novo módulo denominado StoryMaker. / [en] Due to the growth of data production and availability, there was a consequent need to explore them to understand them, communicate the information obtained from them, and generate novel knowledge. Faced with this scenario of production of information from the large volume of data, Data Journalism emerged as a field that seeks not only to include clear and efficient visualizations, but mainly to tell stories based on data and facts to facilitate the public’s understanding. However, there is a need to develop and improve visual analysis tools that support narratives. In this document, we describe our research proposal, which consists of expanding the data visualization tool VisMaker, integrating the possibility of creating data stories for visualizations, in a new module named StoryMaker.