Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Este trabalho apresenta uma metodologia computacional para a geração, manipulação e visualização de elementos tridimensionais cuja forma geométrica básica e o paralelepípedo. Os entes geométricos são agrupados em classes funcionais de objetos e suas ocorrências são representadas em uma estrutura de dados funcional, criando-se uma representação relacional dos atributos funcionais das respectivas entidades. Além disso, também são consideradas as relações funcionais que podem ser produzidas entre os objetos modelados, estabelecendo-se uma linguagem de ações que permite levar em consideração as conseqüências funcionais produzidas por uma determinada ação de projeto aplicada em um determinado estágio de projeto. / This work presents a computational methodology for generating, handling and rendering tridimensional elements using parallelopipedous as their basic geometric form. The entities geometric are grouped in functional classes of objects and their occurrences are represented in a functional data structure where functional attributes for every entity are included using relational representations. Furthermore, functional relations among modelled objects are also considered and an action language is established in order to consider the functional consequences triggered by design actions during the different stages of the design process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T16:06:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 81787.pdf: 2285868 bytes, checksum: 8907e2c78369a05f787bb229cc036920 (MD5) Previous issue date: 1988 / Este trabalho consiste na obtenção de um núcleo gráfico formado por várias funções que irão apoiar o "Engenheiro Programador" no desenvolvimento de programas que necesssitem de algum tipo de saída gráfica tais, como geração de malhas para elementos finitos, simulação de processos industriais, análise de interferência em mecanismos articulados e tantos outros que tenham interação gráfica com o usuário final. O conjunto de funções recebeu o nome de zmSAG (Sistema de Apoio Gráfico - o prefixo "zm" faz referência ao nome do autor) e foi desenvolvido com base na norma GKS, padronizada pela ANSI e adotada pela ABNT desde 1986. Tendo sido totalmente implementado em linguagem "C", este pode ser acessado pelos principais compiladores desta linguagem disponíveis para o sistema operacional MS-DOS.

Este trabalho apresenta uma metodologia computacional para a geração, manipulação e visualização de elementos tridimensionais cuja forma geométrica básica e o paralelepípedo. Os entes geométricos são agrupados em classes funcionais de objetos e suas ocorrências são representadas em uma estrutura de dados funcional, criando-se uma representação relacional dos atributos funcionais das respectivas entidades. Além disso, também são consideradas as relações funcionais que podem ser produzidas entre os objetos modelados, estabelecendo-se uma linguagem de ações que permite levar em consideração as conseqüências funcionais produzidas por uma determinada ação de projeto aplicada em um determinado estágio de projeto. / This work presents a computational methodology for generating, handling and rendering tridimensional elements using parallelopipedous as their basic geometric form. The entities geometric are grouped in functional classes of objects and their occurrences are represented in a functional data structure where functional attributes for every entity are included using relational representations. Furthermore, functional relations among modelled objects are also considered and an action language is established in order to consider the functional consequences triggered by design actions during the different stages of the design process.

Este trabalho apresenta uma metodologia computacional para a geração, manipulação e visualização de elementos tridimensionais cuja forma geométrica básica e o paralelepípedo. Os entes geométricos são agrupados em classes funcionais de objetos e suas ocorrências são representadas em uma estrutura de dados funcional, criando-se uma representação relacional dos atributos funcionais das respectivas entidades. Além disso, também são consideradas as relações funcionais que podem ser produzidas entre os objetos modelados, estabelecendo-se uma linguagem de ações que permite levar em consideração as conseqüências funcionais produzidas por uma determinada ação de projeto aplicada em um determinado estágio de projeto. / This work presents a computational methodology for generating, handling and rendering tridimensional elements using parallelopipedous as their basic geometric form. The entities geometric are grouped in functional classes of objects and their occurrences are represented in a functional data structure where functional attributes for every entity are included using relational representations. Furthermore, functional relations among modelled objects are also considered and an action language is established in order to consider the functional consequences triggered by design actions during the different stages of the design process.

Made available in DSpace on 2019-03-29T23:13:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-08-14 / This work presents VisMobile, an interactive rendering system for mobile devices, using the OpenGL ES API (Open Graphics Library for Embedded Systems). Visibility algorithms are presented and implemented to provide a real time processing of a 3D application, in situations where the camera walks through the environment. Different combinations of visibility algorithms and spatial data structures were then tested on VisMobile. By varying the 3D graphical environments, the mobile devices and the execution platforms, those differents combinations were tested systematically. The results show that interactive frames per second around 30fps can be obtained with success using the mobile phone N82. keywords: interactive rendering, mobile devices, visibility algorithms, spatial data structure, performance analysis. / Este trabalho apresenta VisMobile, um sistema para renderização interativa em dispositivos móveis utilizando a API OpenGL ES (Biblioteca Gráfica para Sistemas Embarcados). Algoritmos de visibilidade e estrutura de particionamento espacial são apresentados e implementados, de modo a propiciar o processamento em tempo real de aplicações gráficas 3D, em situações nas quais a câmera se locomove pelo ambiente. Diferentes combinações de algoritmos de visibilidade e estruturas de dados espaciais foram então testadas no VisMobile. Variando-se os ambientes gráficos 3D, os dispositivos móveis e as plataformas de execução, essas diferentes combinações foram testadas sistematicamente. Os resultados mostram que taxas interativas em torno de 30q/s podem ser obtidas com sucesso utilizando-se o celular N82. palavras-chave: renderização interativa, dispositivos móveis, algoritmos de visibilidade, estruturas de particionamento espacial, análise de desempenho

Made available in DSpace on 2019-03-29T23:53:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2017-02-21 / Rendering engines are specialized softwares, built on graphics libraries, whose responsibility is to generate realistic tridimensional scenes, containing a robust description of the geometry, color, texture and visual effects (reflections, shadows, shading, etc.). The computer representation of light rays from the real world is not a trivial task. Actually, it is an extremely costly process and generally unfeasible to be done in real time. A quite robust and realistic technique for rendering, normally, static scenes is ray tracing. Although there are other rendering algorithms at GPU level, they target speed at the expense of quality, generating undesirable visual artifacts to achieve interactive rates (approximately 30 frames per second) in dynamic scenes. This thesis presents VTracer, a hybrid rendering engine capable of generating realistic visual effects at interactive rates, through a new solution for reflection synthesis which combines Screen Space Reflection (SSR) in screen space with ray tracing in GPU (into two versions, one using the OptiX library and one entirely developed in CUDA), and for shadow synthesis using shadow maps and/or ray tracing. In particular, for the ray tracer in CUDA, a Linear Bounding Volume Hierarchy (LBVH) was used as the accelerator data structure. Moreover, VTracer has been successfully integrated into the Bullet Physics engine to generate also realistic visual effects in dynamic simulations of rigid and deformable bodies. The results show that it is possible to combine rasterization and ray tracing for the synthesis of realistic hybrid visual effects (shadows and, particularly, reflections) at interactive rates, both in static scenes containing flat and curved objects (concave and convex, with or without normal maps), as in dynamic scenes, whether these objects are rigid or deformable. In order to verify and validate the proposal, several systematic and varied case studies were conducted focusing on the performance analysis of VTracer in terms of quality, frame rates and scalability. Two metrics were applied for the objective quality analysis, which proved the level of realism of all the images synthesized in the tests. In addition, the tests showed that VTracer is capable of generating hybrid reflections and shadows at interactive rates and with good scalability as the levels of geometric complexity and movement of objects' vertices increase, even in high-cost scenes such as the dynamic ones with deformable objects. Finally, it is possible to conclude that, for the majority of the test cases investigated, the VTracer module in OptiX was more recommended for static scenes and, the one in CUDA, for dynamic ones. With regards to the application of this work, there are many possibilities envisioned, for example, the creation of a plugin that would allow the generation of the VTracer's visual effects in commercial game engines. Keywords: Rendering engine. Shadows. Reflections. Rasterization. Ray Tracing. Realism. Interactive FPS. Static and Dynamic Scenes. Rigid and deformable bodies. / Motores de renderização são softwares especializados, construídos sobre bibliotecas gráficas, cuja responsabilidade é gerar cenas tridimensionais realistas, contendo uma descrição robusta da geometria, cor, textura e efeitos visuais (reflexos, sombras, tonalização, etc.). A representação por computador dos raios de luz do mundo real não é uma tarefa trivial. Na realidade, é um processo extremamente custoso e geralmente inviável de ser feito em tempo real. Uma técnica bastante realista para a renderização, normalmente, de cenas estáticas é o ray tracing. Embora existam outros algoritmos de renderização em nível de GPU, estes objetivam a velocidade em detrimento da qualidade, gerando artefatos visuais indesejáveis para atingir taxas interativas (aproximadamente, 30 quadros por segundo) em cenas dinâmicas. Esta tese apresenta VTracer, um motor de renderização híbrido capaz de gerar efeitos visuais realistas a taxas interativas, através de uma nova solução para a síntese de reflexos que combina Screen Space Reflection (SSR) em espaço de tela com ray tracing em GPU (em duas versões, uma usando a biblioteca OptiX e outra integralmente em CUDA) e, para a síntese de sombras, usando shadow maps e/ou ray tracing. Em particular, para o ray tracer em CUDA, uma Linear Bounding Volume Hierarchy (LBVH) foi usada como estrutura de dados aceleradora. Além disso, VTracer foi integrado com sucesso ao motor da Física Bullet, para também gerar efeitos visuais realistas em simulações dinâmicas de corpos rígidos e deformáveis. Os resultados mostram que é possível combinar rasterização e ray tracing para a síntese de efeitos visuais realistas (sombras e, particularmente, reflexos) a taxas interativas, tanto em cenas estáticas contendo objetos planos e curvos (côncavos e convexos, com ou sem normal maps), quanto em cenas dinâmicas, sejam estes objetos rígidos ou deformáveis. Para verificação e validação da proposta, estudos de caso variados e sistemáticos foram conduzidos, focados na análise de desempenho do VTracer quanto à qualidade, taxas de quadros por segundo e escalabilidade. Duas métricas foram aplicadas para a análise objetiva da qualidade, as quais comprovaram o nível de realismo de todas as imagens sintetizadas nos testes. Adicionalmente, os testes mostraram que VTracer é capaz de gerar reflexos híbridos e sombras a taxas interativas e com boa escalabilidade, à medida que os níveis de complexidade geométrica e de movimento dos vértices dos objetos aumentam, mesmo em cenas de alto custo computacional, como as dinâmicas com objetos deformáveis. Finalmente, é possível concluir que, para a maior parte dos casos de teste investigados, o módulo do VTracer em OptiX foi mais recomendado para cenas estáticas e, o em CUDA, para dinâmicas. Com relação à aplicação deste trabalho, há várias possibilidades vislumbradas, por exemplo, a criação de um plugin que possibilitasse a geração dos efeitos visuais do VTracer em motores de jogos comerciais. Palavras-chave: Motor de renderização. Sombras. Reflexos. Rasterização. Ray tracing. Realismo. FPS interativo. Cenas estáticas e dinâmicas. Corpos rígidos e deformáveis.

Ce travail présente un modèle d'information, conçu de manière à permettre l'évaluation des produits, basé sur l'approche de la Conception pour la fabrication. Le modéle proposé concerne la représentation des piéces mécaniques , et il doit être utilisé en parallèle avec un système de Conception assisté par ordinateur, L'adequation du modèle d'information, ainsi que l'application de certains sujets spécifiques de la Conception pour la fabrication sont abordées.Un schéma de modèle d'information des produits et de la fabrication, basé sur la Technologie a base de caractéristiques a été developpé. Le modèle géométrique de pièces est basé sur l'approche des Bases de caractéristiques de forme et sur la méthode de Synthèse d'élements wolumetriques. Les sujets liés à la Conception pour la fabrication- nottement la Technologie de groupe, le Choix des procedés de fabrication des piéces et l'application des consignes de fabrication- ont eté mis en ocuvre, à partir des téchniques de la Modelisation de la connaissence. Les procédés liés à la sélection des procédes ont été utilises, afin d'aider les projecteurs à obtenir une définition approché du procedé de fabrication de lá pièce, avant de l'active de planification du processus. Le modéle d'information est sencé d1être capable de génére une base suffisante pour établir une analyse liée a la Planification des processus. Il est important de remarquer que ce travail fait partie d'un effort de mis en ocuvre de L'ingeniere concourante, ainsi que de son approximantion des domanines du projet et de la fabrication. Cet objectif est atendu par le biais d'utilisation d'un outil d'informatque adequat à l'aide des projecteurs dans la tâche de l'évalution du projet des pièces (par rapport aux besoins de fabrication). / Este trabalho introduz um modelo de representação da informação concebido para permirtir a avalição de produto baseado nas abordagens providas pelo Projecto Orientado à Fabricação. Esse modelo concentra-se no domínio das peças mecânicas e é suposto que venha a operar conjuntamente com um sistema de desenho assistido por computador. Tanto a adequação do modelo de representação da informação, quanto a aplicação de tópicos específicos em Projecto Orientado à Fabricação são discutidas. Um esquema de representação da informação sobre o produto e a fabricação baseado na Tecnologia de Características foi desenvolvido. O modelo geométrico da peça é baseado na abordagem da utilização de bases de formas características e no método de síntese de volumes elementares. Um protótipo de modelo de representação da informação foi implementado baseado no paradigma de programação orientada a objectos. A adequação do modelo de representação da informação é examinada considerando-se a necessidade de viabilizar a análise das peças mecânicas baseada no Projecto Orientado à Fabricação. Os tópicos ralacionados com o Projecto Orientado à Fabricação- nomeadamente a Tecnologia de Grupo, a slecção de processos de fabricação das peças e a aplicação de recomendações para a fabricação- foram implementadas, utilizando-se técnicas de engenharia de conhecimento. Os procedimentos relacionados com a selecção de processos foram incluídos para auxiliar os prejectíticas a obterem uma definição aproximada do processo de fabricação da peça precedendo a actividade de planeamento do processo. Espera-se que este modelo de representação da informação também seja capaz de prover uma base razoavel para o estabelecimento da análise relcionada com o planeamento de processos. Observa-se que este trabalho insere-se no esforço de implementação da engenharia concorrente através da tentativa de aproximar as áreas de projecto e fabricação. Este objectivo é alcançado pela utilização de uma ferramenta computacional adequada para assistência aos projectistas na tarefa de avalição do pejecto da peça (face aos requisisto de fabricação). / This work introduces an information model conceived to enable product evaluation based on the design for manufacture approach. It concentrates on the mechanical parts domain and it is supposed to operate coupled wiht a computer-aided drafting system. Both the information model adequacy and the application of specific desing for manufacture topics are discussed. A product and manufacturing information representation scheme based on the Features Technology was developed. The geometric part model is based on the desing by features approach and the synthesis of volumetric elements method. It was implemented an information model protoype based on the object-oriented programming paradigm. The information model adequacy is examined considering the need for enabling mechanical part analysis based on the design for manufacture.The desing for manufacture related topics- namely concerning Group Technology, part manufacturin process selection and manufacturin rules application- were impelmented using knowledge engineering tecniques. The process selection procedure was included to help designers obtaining a coarse definition on part manufacturing process preceding the process palnning activity. This information model is also expected to provide a regular basis for the process planning reasoning. It must be noticed this work is embedded in the concurrent enginerring implementation effort by attempting to bridge the gap between desing and manufacture. This obective is achieved by using and adequate software tool which assist designers in the part design evaluation task (inface of manufaturing requiremenst).

Este trabalho apresenta um método para detectar mudança de comportamento em multidões humanas baseado em histogramas de velocidade e orientação em coordenadas de mundo. Uma combinação de remoção de fundo e fluxo óptico é usada para extrair o movimento global a cada quadro do vídeo, descartando pequenos vetores de movimento devido artefatos como ruído, pixels de fundo não estacionários e problemas de compressão. Usando uma câmera calibrada, o movimento global pode ser estimado, e é usado para construir um histograma 2D contendo informações de velocidade e direção para todos os quadros. Cada quadro é comparado com um conjunto de quadros anteriores usando uma métrica de comparação de histogramas, resultando em um vetor de similaridade. Este vetor é então utilizado para determinar mudanças no comportamento da multidão, permitindo também uma classificação baseada na natureza da mudança no tempo: mudanças de curto ou longo prazo. Uma extensão do método apresentado é proposta utilizando técnicas de agrupamento para identificar diferentes grupos da cena, em seguida, aplicar o método de detecção em cada grupo. Isso proporciona não apenas detectar, mas também localizar a mudança de comportamento. O método foi testado em conjuntos de dados públicos disponíveis que envolvem cenários lotados. / This work presents a method to detect change behavior in human crowds based on histograms of velocities in world coordinates. A combination of background removal and optical ow is used to extract the global motion at each image frame, discarding small motion vectors due artifacts such as noise, non-stationary background pixels and compression issues. Using a calibrated camera, the global motion can be estimated, and it is used to build a 2D histogram containing information of speed and direction for all frames. Each frame is compared with a set of previous frames by using a histogram comparison metric, resulting in a similarity vector. This vector is then used to determine changes in the crowd behavior, also allowing a classification based on the nature of the change in time: short or long-term changes. An extension of the presented method is proposed using clustering techniques to identify di erent groups in the scene, and then apply the detection method in each group. This provides not just detect but also localize the change behavior. The method was tested on publicly available datasets involving crowded scenarios.

Este trabalho trata do suporte à interação simultânea de mais de um usuário, sobre um mesmo objeto, em Ambientes Virtuais Colaborativos. Este suporte é obtido através do conceito de Metáfora Colaborativa e da arquitetura que materializa este conceito. Primeiramente, abordam-se os aspectos referentes às formas de interação usadas em ambientes virtuais imersivos monousuários. São apresentadas algumas técnicas interativas consideradas relevantes ao desenvolvimento do trabalho. No que diz respeito aos Ambientes Virtuais Colaborativos propriamente ditos apresentam-se suas principais características incluindo as semelhanças com os ambientes tradicionais de suporte computadorizado ao trabalho cooperativo. São abordados tanto aspectos referentes às facilidades providas por estes ambientes, quanto ao seu projeto e arquitetura. As principais abordagens existentes para suportar a interação entre usuários em ambientes virtuais colaborativos são apresentadas e é feita uma análise da execução de tarefas colaborativas em ambientes imersivos apontando-se as principais dificuldades existentes nos sistemas atuais. A partir deste embasamento, faz-se o desenvolvimento da chamada Metáfora Colaborativa, que se constitui em um conjunto de regras que permitem combinar técnicas interativas comumente usadas na interação individual em ambientes virtuais imersivos. Esta combinação é baseada na definição de quais graus de liberdade cada usuário irá controlar durante a manipulação simultânea de um objeto. Para possibilitar a combinação das técnicas individuais na implementação de ambientes virtuais colaborativos, foi definida uma arquitetura que prevê sistemas de controle local sobre cada ambiente e a combinação dos comandos aplicados sobre os objetos. Com o objetivo de avaliar a Metáfora Colaborativa, foram modeladas e implementadas diversas técnicas de interação colaborativa e sua eficiência foi aferida através de tarefas. Foi definido um protocolo de testes aplicado a trinta duplas de usuários, comparando seu desempenho individual e colaborativo na execução das tarefas.