O panorama populacional do Brasil mostra um quadro de crescimento significativo nas taxas de sobrepeso e obesidade na infância e juventude. Essa realidade deve levar ao aumento da incidência de casos de doenças e, por consequência, ao aumento dos gastos públicos com saúde nos próximos anos. Diante dessa perspectiva, exergames - classe de jogos que buscam unir a diversão de jogos eletrônicos à promoção da saúde através da prática de atividades físicas - podem trazer uma contribuição significativa à sociedade. Entretanto, é necessário identificar a melhor forma de motivar as pessoas e definir as funcionalidades que favorecem o estímulo no ambiente do jogo. Este trabalho introduz o Running Wheel, um exergame de caminhada ou corrida em esteira ergométrica, com modos de jogo single player e multiplayer, nas versões competitivo (contra um adversário) e colaborativo (corrida em grupo cooperativo). O mjogo captura a velocidade da esteira e o ritmo cardíaco do jogador. A exibição é feita em um monitor instalado à frente da esteira. O sistema descrito foi implementado e uma metodologia desenvolvida para avaliação de duas hipóteses: a) existe diferença de desempenho entre os participantes que utilizam o Running Wheel no modo competitivo daqueles que experimentam o modo single player; e b) diferentes tipos de parceiros virtuais influenciam o desempenho, ou seja, correr contra si mesmo, contra alguém melhor, ou a livre escolha de um adversário de uma lista, pode levar a resultados distintos. Foram realizados experimentos com 12 voluntários ao longo de seis sessões de corrida, com 12 minutos de duração cada uma. As avaliações revelaram preferência dos participantes pelo modo multiplayer competitivo (10 usuários) sendo que a principal característica motivacional apontada foi o avatar (5 participantes), seguido do ambiente virtual (4 participantes). Os usuários do modo competitivo demonstraram um nível de esforço significativamente superior ao daqueles do modo single player, também confirmado por um ritmo cardíaco em média 5,9% maior, indicando que o modo competitivo teve uma capacidade de estímulo maior. As diferenças de distância e tipos de avatares, no entanto, não foram estatisticamente significantes, o que deverá ser investigado em pesquisas futuras. Os resultados evidenciaram a capacidade do exergame mudar a percepção dos usuário. Mesmo pessoas que inicialmente afirmaram não serem competitivas mudaram seu comportamento após a intervenção. Trabalhos futuros devem investigar o modo colaborativo em comparação com os outros modos, levando-se em conta aspectos de personalização do jogo como escolha das mensagens, e uso de avatares mais realistas. Outras áreas de interesse incluem métodos de geração de cenários baseados em locais públicos, e renderização de múltiplos avatares, simulando uma maratona virtual com mais competidores. / Developing countries like Brazil are witnessing important changes on demographics with increasing rates of overweight and obese children and young adults. These trends may lead to an increase of diseases, which in turn can cause an impact on public funds of health and social security. Considering this picture, exergames - class of games that combine health promotion to video games and thus fun - may bring an important contribution to change society. However, it’s necessary to acknowledge the main ways and features of stimulus that can be leveraged in this class of application, to promote a better incentive on the virtual gaming environment. In this work we introduce Running Wheel, an exergame with single player and multiplayer (competitive or collaborative) modes with real time capture of heartbeat rhythm and speed of a treadmill. The Running Wheel system is described and a methodology for its evaluation is presented, investigating two hypotheses: (a) there is difference between users that ran with the competitive mode versus the single player mode; and (b) there is difference in performance depending on the kind of competitor picked (three virtual competitors were tested: against oneself, against a better player or free selection from a list). We evaluated Running Wheel with 12 volunteers which performed at least 6 jogging sessions of 12 minutes each, following Cooper’s Fitness Test. Ten users preferred the competitive mode over the single player and reported the main source of motivation being the avatar (5 participants) followed by the virtual environment (4 participants). Volunteers of the competitive mode showed a superior level of effort with a heart beat rhythm 5.9% above when compared to those exercising on single player. However we did not find statistically significant differences of distance or among the different kinds of participants which should be addressed on a future research. Results confirmed that this exergame could change users’ behavior on competitiveness. Even volunteers that initially reported not being competitive at all had this perception changed after experimenting Running Wheel. Future works should investigate the collaborative mode against other modes and personalization features such as customized goals and incentive messages, more realistic avatars based on player’s physical appearance and scenarios modeled from real locations.

Cirurgias minimamente invasivas correspondem a uma importante especialidade da Medicina, cuja aplicação em larga escala depende do treinamento de novos cirurgiões em habilidades específicas que podem ser aprimoradas através do uso de simuladores virtuais de cirurgia. Entretanto, tais aplicações demandam alta qualidade visual das simulações de órgãos internos, que idealmente podem ser realizadas com base em aproximações de mais alta ordem da interação luz-matéria. Trabalhos recentes têm proposto abordagens híbridas onde dados da BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function - Função de Distribuição de Reflectância Bidirecional) de órgãos vivos têm sido amostrados ou estimados, para orientar técnicas de rendering em tempo real. O presente trabalho propõe um pipeline para o rendering de estruturas orgânicas baseado em Física visando a simulação de cirurgia compatível com alto nível de aproximação da interação luz-matéria. Através de um novo método de amostragem da BRDF de órgãos vivos por meio de laparoscopias convencionais, e do estudo de formas de representação para os dados amostrados, imagens de órgãos humanos são geradas em sistemas de rendering de tempo real e sistemas baseados em algoritmos de iluminação global. A metodologia proposta foi aplicada em um experimento realizado através de uma Colecistectomia, cujos importantes resultados caracterizam-se pela cobertura de aproximadamente 22% da BRDF de um fígado humano vivo, configurando assim uma contribuição singular para técnicas de amostram de BRDF de órgãos e rendering de órgãos baseado em Física. / Minimally invasive surgeries are an important specialty of Medicine. Virtual simulators allow the development of the needed skills for new surgeons. Such simulators demand high visual quality of the internal organs that ideally can be performed based on higher-order approximations of the light-material interaction. Recent work proposes hybrid approaches where the BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) data for living organs was sampling or estimated to guide real-time rendering techniques. This work proposes a pipeline for physically-based rendering of organic structures with the goal of surgery simulations with a high level of approximation for the light-material interaction. We present a new sampling method for measuring BRDFs for living organs based on conventional laparoscopy. With this data we are able to render human organs in real-time and also improve global illumination results. The methodology was applied in an experiment performed through a Cholecystectomy. Our results achieved a high BRDF coverage of 22% for a living human liver, establishing a singular contribution for the sampling of BRDF in-vivo organs and physically-based rendering.

No contexto de imagens geradas por computador, efeitos multi-fragmento são aqueles que determinam a cor do pixel baseados em informações computadas a partir de mais de um fragmento. Nesse tipo de efeito, a contribuição de cada fragmento é extraída de sua visibilidade com respeito a um determinado ponto de vista. Observando uma sequencia de fragmentos vista através de um pixel, a visibilidade de um fragmento depende da sua relação espacial com os demais fragmentos. Essa relação pode ser reduzida ao problema de ordenação de múltiplos fragmentos. Portanto, ordenação é essencial para correta avaliação de efeitos multi-fragmento. A pesquisa desta tese foca em dois problemas multi-fragmento clássicos: transparência independente de ordem e anti-aliasing de fragmentos transparentes. Enquanto o efeito de transparência necessita de ordenação de fragmentos ao longo do raio de visualização do pixel, anti-aliasing aumenta a complexidade do problema ao adicionar informação espacial do fragmento com respeito à área do pixel. A contribuição desta tese é o desenvolvimento de uma solução para visibilidade de fragmentos que pode tirar proveito do pipeline de transformação e iluminação, implementando nas GPUs de hoje. Nós descrevemos ambos os problemas de transparência e anti-aliasing, discutindo soluções anteriores, além de classificá-las e compará-las. Nossa análise associa soluções a implementações específicas, comparando uso de memória, desempenho e qualidade de imagem. Os documentos resultantes fornecem uma visão geral das áreas abordadas, contendo: qual é o estado-da-arte atualmente, o que ele é capaz de fazer e quais são suas limitações, ou seja, onde melhorias são possíveis. Como parte integrante desta tese, nós propomos duas novas técnicas para processar transparência independente de ordem. Nós mostramos como obter o menor consumo de memória para cálculo exato de transparência, em um número finito de passos de geometria; permitindo aumento da complexidade das cenas representadas e da resolução da imagem final, em relação aos métodos anteriores, dada uma determinada configuração de hardware. Adicionalmente, demonstramos que, para a maior parte dos casos, os fragmentos mais próximos ao observador tem maior impacto sobre a cor final do pixel. Também mostramos como esta perspectiva sobre o problema inspirou novas técnicas. A pesquisa também inclui a investigação de uma nova abordagem para anti-aliasing para fragmentos transparentes. Através do uso de uma única amostra por fragmento, nosso objetivo é reduzir o consumo de memória enquanto melhoramos desempenho e qualidade. Experimentos preliminares apresentam resultados promissores em comparação com a técnica mais usada para anti-aliasing. / Multi-fragment effects, in the computer-generated imagery context, are effects that determine pixel color based on information computed from more than one fragment. In such effects, the contribution of each fragment is extracted from its visibility with respect to a point of view. Seen through a pixel’s point of view, the visibility of one fragment depends on its spatial relationship with other fragments. This relationship can be reduced to the problem of sorting multiple fragments. Therefore, sorting is the key to multi-fragment evaluation. The research on this dissertation is focused on two classical multi-fragment effects: order-independent transparency and anti-aliasing of transparent fragments. While transparency rendering requires sorting of fragments along the view ray of a pixel, anti-aliasing increases the problem complexity by adding spatial information of fragments with respect to the pixel area. This dissertation contribution relies on the work towards the development of a solution for the visibility of fragments that can take advantage of the transformation and lighting pipeline implemented in current GPUs. We describe both transparency and aliasing problems, for which we discuss existing solutions, analyzing, classifying and comparing them. The analysis associates solutions to specific applications, comparing memory usage, performance, and quality. The result is a general view of each field: which are the current state-of-the-art capabilities and in which direction significant improvements can be made. As part of this dissertation, we proposed two novel techniques for order-independent transparency rendering. We show how to achieve the minimum memory footprint for computing exact transparency in a bounded number of geometry passes; allowing increasing scene complexity and image resolution to be feasible within current hardware capabilities. Additionally, we demonstrate that, for most scenarios, the front-most fragments have the greatest impact on the pixel color. We also show how the perspective we propose has inspired recent transparency techniques. The research includes the investigation of a novel anti-aliasing approach for transparent fragments. Through the use of a single sample per fragment, we aim at reducing memory footprint while improving performance and quality. Preliminary experiments show promising results, in comparison with a well established and largely used anti-aliasing technique.

Esta tese apresenta dois métodos diferentes de estimativa de desfocagem usando uma única imagem. Ambos os métodos assumem uma função de espalhamento de ponto (Point Spread Function - PSF) Gaussiana e exploram a razão de magnitudes de gradientes de versões re-borradas da imagem original com escalas diferentes nas bordas da imagem, o que fornece uma expressão matemática fechada para borramento local. A primeira abordagem calcula perfis 1D ao longo de pontos de borda ortogonais ao contorno local, e avalia a localização da borda (máximo da derivada primeira) para selecionar adaptativamente o número de escalas no re-borramento. Considerando o consumo de tempo de explorar perfis de aresta orientados 1D, um segundo método foi proposto com base em gradientes de imagem diretamente no domínio 2D, e os parâmetros de re-borramento locais foram selecionados com base na concordância de um detector de bordas calculado em várias escalas. Dada uma estimativa inicial da escala de desfocagem nas posições de borda proporcionada por qualquer um destes dois métodos, é também proposto um passo de correção que atenua os erros introduzidos pela discretização da formulação contínua. Um novo método de filtragem local que suaviza as estimativas refinadas ao longo dos contornos de imagem também é proposto, e um filtro de domínio conjunto (jointdomain filter) rápido é explorado para propagar informações de desfocagem para toda a imagem, gerando o mapa de desfocagem completo. Os resultados experimentais em imagens sintéticas e reais mostram que os métodos propostos apresentam resultados promissores para a estimativa de borramento por desfoco, com um bom compromisso entre qualidade e tempo de execução quando comparados a técnicas estado-da-arte. Para lidar com sequências de vídeo desfocadas, a consistência temporal também foi incluída no modelo proposto. Mais precisamente, Filtros de Kalman foram aplicados para gerar estimativas temporais suaves para cada pixel quando a aparência local da sequência de vídeo não varia muito, permitindo transições durante mudanças drásticas da aparência local, que podem se relacionar com oclusões/desoclusões. Finalmente, esta tese também mostra aplicações dos métodos propostos para a estimativa de desfocagem de imagem e vídeo. Um novo método de redimensionamento (retargeting) de imagens é proposto para fotos tiradas por câmera com baixa profundidade de campo. O método inclui informação de desfocamento local no contexto do método seam carving, visando preservar objetos em foco com melhor qualidade visual. Assumindo que os pixels em foco estejam relacionados às regiões de interesse de uma imagem com desfocamento, o método de redimensionamento proposto começa com um método de corte (cropping), o qual remove as partes sem importância (borradas) da imagem, e então o método seam carving é aplicado com uma nova função de energia que prioriza as regiões em foco. Os resultados experimentais mostram que o método proposto funciona melhor na preservação de objetos em foco do que outras técnicas de redimensionamento de imagens. A tese também explora o método de estimação de desfocagem proposto no contexto de des-borramento de imagens e sequências de vídeo, e os resultados foram comparados com vários outros métodos de estimação de desfocagem. Os resultados obtidos mostram que as métricas tipicamente usadas para avaliar métodos de estimação de desfocagem (por exemplo, erro absoluto médio) podem não estar correlacionadas com a qualidade das métricas de imagem desfocada, como a Relação Sinal-Ruído de Pico. / This dissertation presents two different defocus blur estimation methods for still images. Both methods assume a Gaussian Point Spread Function (PSF) and explore the ratio of gradient magnitudes of reblurred images computed at edge location with different scales, which provides a closed form mathematical formulation for the local blur assuming continuous-time signals. The first approach computes 1D profiles along edge points orthogonal to the local contour, and evaluate the location of the edge (maximum of the derivative) to adaptively select the number of reblurring scales. Considering the time consumption of exploring 1D oriented edge profiles, a second method was proposed based on 2D multiscale image gradients, and local reblurring parameters were selected based on the agreement of an edge detector computed at several scales. Given an initial estimate of the blur scale at edge locations provided by either of these two methods, a correction step that accounts for the discretization of the continuous formulation is also proposed. A novel local filtering method that smooths the refined estimates along the image contours is also proposed, and a fast joint domain filter is explored to propagate blur information to the whole image to generate the full blur map. Experimental results on synthetic and real images show that the proposed methods have promising results for defocus blur estimation, with a good trade off between running time and accuracy when compared to state-of-the art defocus blur estimation methods. To deal with blurry video sequences, temporal consistency was also included in the proposed model. More precisely, Kalman Filters were applied to generate smooth temporal estimates for each pixel when the local appearance of the video sequence does not vary much, and allowing sharp transitions during drastic local appearance changes, which might relate to occlusions/disocclusions. Finally, this dissertation also shows applications of the proposed methods for image and video blur estimation. A new image retargeting method is proposed for photos taken by a shallow Depth of Field (DoF) camera. The method includes defocus blur information with the seam carving framework aiming to preserve in-focus objects with better visual quality. Assuming the in-focus pixels related to regions of interest of a blurry image, the proposed retargeting method starts with a cropping method, which removes the unimportant parts (blurry) of the image, then the seam carving method is applied with a novel energy function that prioritizes in-focus regions. Experimental results show that the proposed blur aware retargeting method works better at preserving in-focus objects than other well known competitive retargeting methods. The dissertation also explores the proposed blur estimation method in the context of image and video deblurring, and results were compared with several other blur estimation methods. The obtained results show that metrics typically used to evaluate blur estimation methods (e.g. Mean Absolute Error) might not be correlated with the quality of deblurred image metrics, such as Peak Signal to Noise Ratio.

Esta tese apresenta dois métodos diferentes de estimativa de desfocagem usando uma única imagem. Ambos os métodos assumem uma função de espalhamento de ponto (Point Spread Function - PSF) Gaussiana e exploram a razão de magnitudes de gradientes de versões re-borradas da imagem original com escalas diferentes nas bordas da imagem, o que fornece uma expressão matemática fechada para borramento local. A primeira abordagem calcula perfis 1D ao longo de pontos de borda ortogonais ao contorno local, e avalia a localização da borda (máximo da derivada primeira) para selecionar adaptativamente o número de escalas no re-borramento. Considerando o consumo de tempo de explorar perfis de aresta orientados 1D, um segundo método foi proposto com base em gradientes de imagem diretamente no domínio 2D, e os parâmetros de re-borramento locais foram selecionados com base na concordância de um detector de bordas calculado em várias escalas. Dada uma estimativa inicial da escala de desfocagem nas posições de borda proporcionada por qualquer um destes dois métodos, é também proposto um passo de correção que atenua os erros introduzidos pela discretização da formulação contínua. Um novo método de filtragem local que suaviza as estimativas refinadas ao longo dos contornos de imagem também é proposto, e um filtro de domínio conjunto (jointdomain filter) rápido é explorado para propagar informações de desfocagem para toda a imagem, gerando o mapa de desfocagem completo. Os resultados experimentais em imagens sintéticas e reais mostram que os métodos propostos apresentam resultados promissores para a estimativa de borramento por desfoco, com um bom compromisso entre qualidade e tempo de execução quando comparados a técnicas estado-da-arte. Para lidar com sequências de vídeo desfocadas, a consistência temporal também foi incluída no modelo proposto. Mais precisamente, Filtros de Kalman foram aplicados para gerar estimativas temporais suaves para cada pixel quando a aparência local da sequência de vídeo não varia muito, permitindo transições durante mudanças drásticas da aparência local, que podem se relacionar com oclusões/desoclusões. Finalmente, esta tese também mostra aplicações dos métodos propostos para a estimativa de desfocagem de imagem e vídeo. Um novo método de redimensionamento (retargeting) de imagens é proposto para fotos tiradas por câmera com baixa profundidade de campo. O método inclui informação de desfocamento local no contexto do método seam carving, visando preservar objetos em foco com melhor qualidade visual. Assumindo que os pixels em foco estejam relacionados às regiões de interesse de uma imagem com desfocamento, o método de redimensionamento proposto começa com um método de corte (cropping), o qual remove as partes sem importância (borradas) da imagem, e então o método seam carving é aplicado com uma nova função de energia que prioriza as regiões em foco. Os resultados experimentais mostram que o método proposto funciona melhor na preservação de objetos em foco do que outras técnicas de redimensionamento de imagens. A tese também explora o método de estimação de desfocagem proposto no contexto de des-borramento de imagens e sequências de vídeo, e os resultados foram comparados com vários outros métodos de estimação de desfocagem. Os resultados obtidos mostram que as métricas tipicamente usadas para avaliar métodos de estimação de desfocagem (por exemplo, erro absoluto médio) podem não estar correlacionadas com a qualidade das métricas de imagem desfocada, como a Relação Sinal-Ruído de Pico. / This dissertation presents two different defocus blur estimation methods for still images. Both methods assume a Gaussian Point Spread Function (PSF) and explore the ratio of gradient magnitudes of reblurred images computed at edge location with different scales, which provides a closed form mathematical formulation for the local blur assuming continuous-time signals. The first approach computes 1D profiles along edge points orthogonal to the local contour, and evaluate the location of the edge (maximum of the derivative) to adaptively select the number of reblurring scales. Considering the time consumption of exploring 1D oriented edge profiles, a second method was proposed based on 2D multiscale image gradients, and local reblurring parameters were selected based on the agreement of an edge detector computed at several scales. Given an initial estimate of the blur scale at edge locations provided by either of these two methods, a correction step that accounts for the discretization of the continuous formulation is also proposed. A novel local filtering method that smooths the refined estimates along the image contours is also proposed, and a fast joint domain filter is explored to propagate blur information to the whole image to generate the full blur map. Experimental results on synthetic and real images show that the proposed methods have promising results for defocus blur estimation, with a good trade off between running time and accuracy when compared to state-of-the art defocus blur estimation methods. To deal with blurry video sequences, temporal consistency was also included in the proposed model. More precisely, Kalman Filters were applied to generate smooth temporal estimates for each pixel when the local appearance of the video sequence does not vary much, and allowing sharp transitions during drastic local appearance changes, which might relate to occlusions/disocclusions. Finally, this dissertation also shows applications of the proposed methods for image and video blur estimation. A new image retargeting method is proposed for photos taken by a shallow Depth of Field (DoF) camera. The method includes defocus blur information with the seam carving framework aiming to preserve in-focus objects with better visual quality. Assuming the in-focus pixels related to regions of interest of a blurry image, the proposed retargeting method starts with a cropping method, which removes the unimportant parts (blurry) of the image, then the seam carving method is applied with a novel energy function that prioritizes in-focus regions. Experimental results show that the proposed blur aware retargeting method works better at preserving in-focus objects than other well known competitive retargeting methods. The dissertation also explores the proposed blur estimation method in the context of image and video deblurring, and results were compared with several other blur estimation methods. The obtained results show that metrics typically used to evaluate blur estimation methods (e.g. Mean Absolute Error) might not be correlated with the quality of deblurred image metrics, such as Peak Signal to Noise Ratio.

Imagens da anatomia interna são essenciais para as práticas médicas. Estabelecer correlação entre elas, é um importante procedimento para diagnóstico e tratamento. Nessa dissertação, é proposta uma abordagem para correlacionar dados multidimensionais de mesma modalidade de aquisição baseando-se somente nas informações de intensidade de pixels e voxels. O trabalho foi dividido em duas fases de implementação. Na primeira, foi explorado o problema de similaridade entre imagens médicas usando a perspectiva de análise de qualidade de imagem. Isso levou ao desenvolvimento de uma técnica de dois passos que estabelece um equilíbrio entre a velocidade de processamento e precisão de duas abordagens conhecidas. Avaliou-se a qualidade e aplicabilidade do algoritmo e, na segunda fase, o método foi estendido para analisar similaridade e encontrar a localização de uma imagem arbitrária (2D) em um volume (3D). A solução minimiza o número virtualmente infinito de possíveis orientações transversais e usa otimizações para reduzir a carga de trabalho e entregar resultados precisos. Uma visualização tridimensional volumétrica funde o volume (3D) com a imagem (2D) estabelecendo uma correspondência entre os dados. Uma análise experimental demonstrou que, apesar da complexidade computacional do algoritmo, o uso de amostragem, tanto na imagem quanto no volume, permite alcançar um bom equilíbrio entre desempenho e precisão, mesmo quando realizada com conjuntos de dados de baixa intensidade de gradiente. / Images of the inner anatomy are essential for clinical practice. To establish a correlation between them is an important procedure for diagnosis and treatment. In this thesis, we propose an approach to correlate within-modality 2D and 3D data from ordinary acquisition protocols based solely on the pixel/voxel information. The work was divided into two development phases. First, we explored the similarity problem between medical images using the perspective of image quality assessment. It led to the development of a 2-step technique that settles the compromise between processing speed and precision of two known approaches. We evaluated the quality and applicability of the 2-step and, in the second phase, we extended the method to use similarity analysis to, given an arbitrary slice image (2D), find the location of this slice within the volume data (3D). The solution minimizes the virtually infinite number of possible cross section orientations and uses optimizations to reduce the computational workload and output accurate results. The matching is displayed in a volumetric three-dimensional visualization fusing the 3D with the 2D. An experimental analysis demonstrated that despite the computational complexity of the algorithm, the use of severe data sampling allows achieving a great compromise between performance and accuracy even when performed with low gradient intensity datasets.

Esta tese apresenta dois métodos diferentes de estimativa de desfocagem usando uma única imagem. Ambos os métodos assumem uma função de espalhamento de ponto (Point Spread Function - PSF) Gaussiana e exploram a razão de magnitudes de gradientes de versões re-borradas da imagem original com escalas diferentes nas bordas da imagem, o que fornece uma expressão matemática fechada para borramento local. A primeira abordagem calcula perfis 1D ao longo de pontos de borda ortogonais ao contorno local, e avalia a localização da borda (máximo da derivada primeira) para selecionar adaptativamente o número de escalas no re-borramento. Considerando o consumo de tempo de explorar perfis de aresta orientados 1D, um segundo método foi proposto com base em gradientes de imagem diretamente no domínio 2D, e os parâmetros de re-borramento locais foram selecionados com base na concordância de um detector de bordas calculado em várias escalas. Dada uma estimativa inicial da escala de desfocagem nas posições de borda proporcionada por qualquer um destes dois métodos, é também proposto um passo de correção que atenua os erros introduzidos pela discretização da formulação contínua. Um novo método de filtragem local que suaviza as estimativas refinadas ao longo dos contornos de imagem também é proposto, e um filtro de domínio conjunto (jointdomain filter) rápido é explorado para propagar informações de desfocagem para toda a imagem, gerando o mapa de desfocagem completo. Os resultados experimentais em imagens sintéticas e reais mostram que os métodos propostos apresentam resultados promissores para a estimativa de borramento por desfoco, com um bom compromisso entre qualidade e tempo de execução quando comparados a técnicas estado-da-arte. Para lidar com sequências de vídeo desfocadas, a consistência temporal também foi incluída no modelo proposto. Mais precisamente, Filtros de Kalman foram aplicados para gerar estimativas temporais suaves para cada pixel quando a aparência local da sequência de vídeo não varia muito, permitindo transições durante mudanças drásticas da aparência local, que podem se relacionar com oclusões/desoclusões. Finalmente, esta tese também mostra aplicações dos métodos propostos para a estimativa de desfocagem de imagem e vídeo. Um novo método de redimensionamento (retargeting) de imagens é proposto para fotos tiradas por câmera com baixa profundidade de campo. O método inclui informação de desfocamento local no contexto do método seam carving, visando preservar objetos em foco com melhor qualidade visual. Assumindo que os pixels em foco estejam relacionados às regiões de interesse de uma imagem com desfocamento, o método de redimensionamento proposto começa com um método de corte (cropping), o qual remove as partes sem importância (borradas) da imagem, e então o método seam carving é aplicado com uma nova função de energia que prioriza as regiões em foco. Os resultados experimentais mostram que o método proposto funciona melhor na preservação de objetos em foco do que outras técnicas de redimensionamento de imagens. A tese também explora o método de estimação de desfocagem proposto no contexto de des-borramento de imagens e sequências de vídeo, e os resultados foram comparados com vários outros métodos de estimação de desfocagem. Os resultados obtidos mostram que as métricas tipicamente usadas para avaliar métodos de estimação de desfocagem (por exemplo, erro absoluto médio) podem não estar correlacionadas com a qualidade das métricas de imagem desfocada, como a Relação Sinal-Ruído de Pico. / This dissertation presents two different defocus blur estimation methods for still images. Both methods assume a Gaussian Point Spread Function (PSF) and explore the ratio of gradient magnitudes of reblurred images computed at edge location with different scales, which provides a closed form mathematical formulation for the local blur assuming continuous-time signals. The first approach computes 1D profiles along edge points orthogonal to the local contour, and evaluate the location of the edge (maximum of the derivative) to adaptively select the number of reblurring scales. Considering the time consumption of exploring 1D oriented edge profiles, a second method was proposed based on 2D multiscale image gradients, and local reblurring parameters were selected based on the agreement of an edge detector computed at several scales. Given an initial estimate of the blur scale at edge locations provided by either of these two methods, a correction step that accounts for the discretization of the continuous formulation is also proposed. A novel local filtering method that smooths the refined estimates along the image contours is also proposed, and a fast joint domain filter is explored to propagate blur information to the whole image to generate the full blur map. Experimental results on synthetic and real images show that the proposed methods have promising results for defocus blur estimation, with a good trade off between running time and accuracy when compared to state-of-the art defocus blur estimation methods. To deal with blurry video sequences, temporal consistency was also included in the proposed model. More precisely, Kalman Filters were applied to generate smooth temporal estimates for each pixel when the local appearance of the video sequence does not vary much, and allowing sharp transitions during drastic local appearance changes, which might relate to occlusions/disocclusions. Finally, this dissertation also shows applications of the proposed methods for image and video blur estimation. A new image retargeting method is proposed for photos taken by a shallow Depth of Field (DoF) camera. The method includes defocus blur information with the seam carving framework aiming to preserve in-focus objects with better visual quality. Assuming the in-focus pixels related to regions of interest of a blurry image, the proposed retargeting method starts with a cropping method, which removes the unimportant parts (blurry) of the image, then the seam carving method is applied with a novel energy function that prioritizes in-focus regions. Experimental results show that the proposed blur aware retargeting method works better at preserving in-focus objects than other well known competitive retargeting methods. The dissertation also explores the proposed blur estimation method in the context of image and video deblurring, and results were compared with several other blur estimation methods. The obtained results show that metrics typically used to evaluate blur estimation methods (e.g. Mean Absolute Error) might not be correlated with the quality of deblurred image metrics, such as Peak Signal to Noise Ratio.

Imagens da anatomia interna são essenciais para as práticas médicas. Estabelecer correlação entre elas, é um importante procedimento para diagnóstico e tratamento. Nessa dissertação, é proposta uma abordagem para correlacionar dados multidimensionais de mesma modalidade de aquisição baseando-se somente nas informações de intensidade de pixels e voxels. O trabalho foi dividido em duas fases de implementação. Na primeira, foi explorado o problema de similaridade entre imagens médicas usando a perspectiva de análise de qualidade de imagem. Isso levou ao desenvolvimento de uma técnica de dois passos que estabelece um equilíbrio entre a velocidade de processamento e precisão de duas abordagens conhecidas. Avaliou-se a qualidade e aplicabilidade do algoritmo e, na segunda fase, o método foi estendido para analisar similaridade e encontrar a localização de uma imagem arbitrária (2D) em um volume (3D). A solução minimiza o número virtualmente infinito de possíveis orientações transversais e usa otimizações para reduzir a carga de trabalho e entregar resultados precisos. Uma visualização tridimensional volumétrica funde o volume (3D) com a imagem (2D) estabelecendo uma correspondência entre os dados. Uma análise experimental demonstrou que, apesar da complexidade computacional do algoritmo, o uso de amostragem, tanto na imagem quanto no volume, permite alcançar um bom equilíbrio entre desempenho e precisão, mesmo quando realizada com conjuntos de dados de baixa intensidade de gradiente. / Images of the inner anatomy are essential for clinical practice. To establish a correlation between them is an important procedure for diagnosis and treatment. In this thesis, we propose an approach to correlate within-modality 2D and 3D data from ordinary acquisition protocols based solely on the pixel/voxel information. The work was divided into two development phases. First, we explored the similarity problem between medical images using the perspective of image quality assessment. It led to the development of a 2-step technique that settles the compromise between processing speed and precision of two known approaches. We evaluated the quality and applicability of the 2-step and, in the second phase, we extended the method to use similarity analysis to, given an arbitrary slice image (2D), find the location of this slice within the volume data (3D). The solution minimizes the virtually infinite number of possible cross section orientations and uses optimizations to reduce the computational workload and output accurate results. The matching is displayed in a volumetric three-dimensional visualization fusing the 3D with the 2D. An experimental analysis demonstrated that despite the computational complexity of the algorithm, the use of severe data sampling allows achieving a great compromise between performance and accuracy even when performed with low gradient intensity datasets.

Imagens da anatomia interna são essenciais para as práticas médicas. Estabelecer correlação entre elas, é um importante procedimento para diagnóstico e tratamento. Nessa dissertação, é proposta uma abordagem para correlacionar dados multidimensionais de mesma modalidade de aquisição baseando-se somente nas informações de intensidade de pixels e voxels. O trabalho foi dividido em duas fases de implementação. Na primeira, foi explorado o problema de similaridade entre imagens médicas usando a perspectiva de análise de qualidade de imagem. Isso levou ao desenvolvimento de uma técnica de dois passos que estabelece um equilíbrio entre a velocidade de processamento e precisão de duas abordagens conhecidas. Avaliou-se a qualidade e aplicabilidade do algoritmo e, na segunda fase, o método foi estendido para analisar similaridade e encontrar a localização de uma imagem arbitrária (2D) em um volume (3D). A solução minimiza o número virtualmente infinito de possíveis orientações transversais e usa otimizações para reduzir a carga de trabalho e entregar resultados precisos. Uma visualização tridimensional volumétrica funde o volume (3D) com a imagem (2D) estabelecendo uma correspondência entre os dados. Uma análise experimental demonstrou que, apesar da complexidade computacional do algoritmo, o uso de amostragem, tanto na imagem quanto no volume, permite alcançar um bom equilíbrio entre desempenho e precisão, mesmo quando realizada com conjuntos de dados de baixa intensidade de gradiente. / Images of the inner anatomy are essential for clinical practice. To establish a correlation between them is an important procedure for diagnosis and treatment. In this thesis, we propose an approach to correlate within-modality 2D and 3D data from ordinary acquisition protocols based solely on the pixel/voxel information. The work was divided into two development phases. First, we explored the similarity problem between medical images using the perspective of image quality assessment. It led to the development of a 2-step technique that settles the compromise between processing speed and precision of two known approaches. We evaluated the quality and applicability of the 2-step and, in the second phase, we extended the method to use similarity analysis to, given an arbitrary slice image (2D), find the location of this slice within the volume data (3D). The solution minimizes the virtually infinite number of possible cross section orientations and uses optimizations to reduce the computational workload and output accurate results. The matching is displayed in a volumetric three-dimensional visualization fusing the 3D with the 2D. An experimental analysis demonstrated that despite the computational complexity of the algorithm, the use of severe data sampling allows achieving a great compromise between performance and accuracy even when performed with low gradient intensity datasets.

Visualizações de grafos para comunicação aparecem numa variedade de contextos que vão do acadêmico-científico até o jornalístico e até mesmo artístico. Diferente de visualizações de grafos para exploração e análise de dados, essas imagens são usadas para “contar uma história” que já se conhece ao invés da “procura de uma nova história” nos dados. Apesar de ser possível usar software para desenho de grafos e edição de diagramas para produzí-las, visualizações feitas dessa forma nem sempre preenchem os requisitos visuais impostos pelos seus contextos de uso. Programas de edição de imagens podem ser usados para fazer as melhorias necessárias, mas nem todas as modificações são possíveis e o processo de editar essas imagens pode exigir muito tempo e esforço. Neste trabalho, apresentamos uma investigação de visualizações nodo-aresta estáticas para comunicação e de como facilitar sua criação. A partir de uma desconstrução dessas imagens, identificando seus elementos essenciais, e analisando como são criadas, derivamos um conjunto de requisitos que ferramentas para a criação dessas visualizações devem preencher. Para verificar o efeito da metodologia na melhora do fluxo de trabalho de designers, com mais poder e flexibilidade, foi concebido e implementado um protótipo chamado GraphCoiffure. Com um foco especial em auxiliar usuários na criação de visualizações para publicação, Graph- Coiffure foi projetado como uma aplicação standalone que seria usada como um passo intermediário entre programas de desenho e edição de grafos e editores gráficos. Ele combina ferramentas para manipulação interativa de layouts com estilização similar a CSS para permitir que usuários criem e editem visualizações nodo-aresta estáticas. Ilustramos o funcionamento de GraphCoiffure com quatro casos de uso: a adaptação do layout de uma visualização para fazê-la funcionar em uma dada página, a reprodução do estilo de uma visualização e sua aplicação em outro grafo, e a criação integral de duas novas visualizações. Para obter feedback sobre GraphCoiffure, conduzimos uma avaliação informal através de entrevistas com três potenciais usuários, que disseram achar que GraphCoiffure beneficiaria seu trabalho. / Graph visualizations for communication appear in a variety of contexts that range from scientific/ academic to journalistic and even artistic. Unlike graph visualizations for exploration and analysis, these images are used to tell a story that is already known rather than to look for a story within the data. Although graph drawing and diagram editing software can be used to produce them, visualizations made this way do not always meet the visual requirements imposed by their context of use. Graphics authoring software can be used to make the necessary improvements, but not all modifications are possible and the process of editing these images may be very time-consuming and labor-intensive. In this work, we present an investigation of static node-link visualizations for communication and how to better support their creation. We began with a deconstruction of these images, breaking them down into their basic elements and analyzing how they are created. From this, we derived a set of requirements that tools aimed at supporting their creation should meet. To verify if taking all of this into account would improve the workflow and bring more flexibility and power to the users, we created our own prototype, which we named GraphCoiffure. With a special emphasis on helping users on creating visualizations for publication, GraphCoiffure was designed as a standalone application that would serve as an intermediary step between graph drawing and editing software and graphics editors. It combines interactive graph layout manipulation tools with CSS-like styling possibilities to let users create and edit static node-link visualizations for communication. We illustrate the use of GraphCoiffure with four use-case scenarios: the adaptation of a visualization’s layout to make it work on a given page, the reproduction of a visualization’s style and its application on another graph, and the creation of two visualizations from scratch. To obtain feedback on GraphCoiffure, we conducted an informal evaluation by interviewing three potential expert users, who found that it could be useful for their work.