Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-02T17:15:29Z No. of bitstreams: 1 patriciacordeiropereirapampanelli.pdf: 10123132 bytes, checksum: 7b722bf4cc93a2714a196242334a5f40 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:57:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 patriciacordeiropereirapampanelli.pdf: 10123132 bytes, checksum: 7b722bf4cc93a2714a196242334a5f40 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:57:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 patriciacordeiropereirapampanelli.pdf: 10123132 bytes, checksum: 7b722bf4cc93a2714a196242334a5f40 (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Inúmeras áreas utilizam elementos finitos para modelagem e simulação de fenômenos físicos, químicos, biológicos, etc. Neste contexto, a geração de malhas consiste na subdivisão do espaço de acordo com o domínio de interesse. Contudo, a diversidade de geometrias e topologias dificulta esta tarefa. Este trabalho apresenta um método de geração de malhas trivalentes a partir de modelos triangulares. A etapa de pré-processamento consiste em extrair características diferenciais do modelo, como as regiões de curvatura máxima e mínima. O mapeamento no espaço rombóide é obtido através de duas otimizações, ambas de programação inteira mista. Na primeira etapa, um campo de direções é gerado com objetivo de interpolar as direções principais sobre toda a superfície. A segunda otimização consiste em mapear o modelo triangular no espaço bidimensional e homeomorfo ao disco. Este mapeamento permite extrair a malha trivalente no espaço rombóide com distribuição mais uniforme dos vértices. A cobertura trivalente obtida neste trabalho pode ser aplicada na representação de nano-estruturas de carbono dada sua geometria predominantemente hexagonal. Estas estruturas são especialmente interessantes devido á sua extensa aplicabilidade. / Several areas use finite element method for modeling and simulating physical, chemical or biological phenomena. In this context, the mesh generation consists of subdividing the space under the domain of interest. However, the diversity of geometries and topologies difficult this task. This work presents a method for trivalent mesh generation from triangular models. A pre-processing step consists in extracting differential characteristics of the model, as the regions of maximum and minimum curvatures. The rhomboid mapping space is obtained through two optimizations, both of mixed integer programming. In the first stage, a direction field is generated to interpolate the principal directions on the entire surface. The second optimization consists in mapping the triangular model in a two-dimensional homeomorphic space to the disk. This mapping allows to extract the trivalent mesh on the rhomboid space with a more uniform distribution of vertices. The trivalent coverage obtained in this study can be applied on the representation of carbon nano-structures due to its predominantly hexagonal geometry. These structures are specially interesting because of its extensive applicability.

Técnicas para gerar malhas triangulares ou tetraedrais a partir de imagens, ou assumem como entrada uma imagem pré-processada, ou geram uma malha sem distinguir as diferentes estruturas contidas na imagem. O pré-processamento e a ausência de estruturas bem definidas podem apresentar dificuldades na utilização das malhas geradas em algumas aplicações, tais como simulações numéricas. Neste trabalho, apresentamos uma nova técnica que elimina a necessidade do pré-processamento embutindo a segmentação dentro do processo de geração de malha. Além disto, a técnica proposta considera critérios de qualidade nas malhas geradas, mostrando-se apropriada para aplicações de simulação numérica assim como modelagem de imagens com malhas / Techniques devoted to generate triangular or tetrahedral meshes from images either take as starting point a pre-processed image or generate a mesh without distinguishing different structures contained in the image. The pre-process and the absence of well defined structures may impose difficulties in using the resulting mesh in some applications as, for example, numerical simulations. In this work, we present a new technique that aims at eliminating the need for pre-processing by building the segmentation into the mesh generation process. Furthermore, the proposed technique consider quality criteria in the generated meshes, being appropriated for applications in numerical simulation as well as in image modeling

A reconstrução de superfícies a partir de nuvens de pontos faz parte de um novo paradigma de modelagem em que modelos computacionais para objetos reais são reconstruídos a partir de dados amostrados sobre a superfície dos mesmos. O principal problema que surge nesse contexto é o fato de que não são conhecidas relações de conectividade entre os pontos que compõe a amostra. Os objetivos do presente trabalho são estudar métodos implícitos para a reconstrução de superfícies e propor algumas melhorias pouco exploradas por métodos já existentes. O uso de funções implícitas no contexto da reconstrução conduz a métodos mais robustos em relação a ruídos, no entanto, uma das principais desvantagens de tais métodos está na dificuldade de capturar detalhes finos e sharp features. Nesse sentido, o presente trabalho propõe o uso de abordagens adaptativas, tanto na poligonalização de superfícies quanto na aproximação de superfícies. Além disso, questões relativas à robustez das soluções locais e à qualidade da malha também são abordadas. Por fim, o método desenvolvido é acoplado aumsoftware traçador de raios afimde se obterumamaneira de modelar cenas tridimensionais utilizando nuvens de pontos, além dos objetos gráficos tradicionais. Os resultados apresentados mostram que muitas das soluções propostas oferecem um incremento à qualidade dos métodos de reconstrução anteriormente propostos / Surface reconstruction from point clouds is part of a new modeling paradigm in which computational models for real objects are reconstructed from data sampled from their surface. The main problem that arises in this context is the fact that there are no known connectivity relationships amongst the points that compose the sample. The objectives of the present work are to study implicit methods for surface reconstruction and to propose some improvements scarcely explored by previous work. The use of implicit functions in the context of surface reconstruction leads to less noise sensitive methods; however, one major drawback of such methods is the difficulty in capturing fine details and sharp features. Towards this, the present work proposes the use of adaptive approaches, not only in the polygonization but also in the surface approximation. Besides, robustness issues in local solutions and mesh quality are also tackled. Finally, the developed method is embedded in a ray tracer software in order to set a basis for modeling tridimensional scenes using point sets, in addition to traditional graphic objects. The presented results show that a great deal of the proposed solutions offer a quality increase to the reconstruction method previously proposed

Com a popularização de equipamentos tradicionais de captura de imagens, como câmeras digitais, e o avanço tecnológico dos dispositivos não invasivos, como tomografia e ressonância, cresce também a necessidade e consequente uso de métodos numéricos para simulação de fenômenos físicos em domínios definidos por imagens. Um dos pré-requisitos para a aplicação de tais métodos numéricos consiste na discretização do domínio em questão, num processo denominado geração de malhas. Embora diversos métodos de geração de malha tenham sido propostos para discretizar domínios definidos por primitivas geométricas, pouco tem sido feito no sentido de gerar uma decomposição diretamente a partir de imagens. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem de geração de malhas de qualidade a partir de domínios definidos por imagens com textura. Mais especificamente, a pesquisa descrita nesta tese contribui com a melhoria do algoritmo Imesh, ao sanar três de suas principais limitações: tratamento de imagens com texturas; controle do nível de refinamento da malha e suporte a outros tipos de elementos. Estas contribuições flexibilizam o processo de geração da malha, e ainda ampliam o domínio de aplicações do algoritmo Imesh, à medida que são considerados domínios definidos por imagens com textura e o uso de métodos numéricos para elementos não simpliciais torna-se possível. O algoritmo de melhoria da malha gerada utiliza uma abordagem inovadora de remalhamento baseada em templates e guiada por retalhos de Bézier / With the spreading of traditional image capturing devices, such as digital cameras, and the technological advancement of more specific imaging devices such as CT and MRI, also increased the need and the following use of numerical methods for simulation of physical phenomena in domains defined by images. One of the prerequisites for the application of such numerical methods is the discretization of the corresponding domain, in a process called mesh generation. Although several methods of mesh generation have been proposed to discretize domains defined by geometric primitives, little has been done to generate a decomposition directly from images. We present an approach to generate quality meshes from domains defined by images with texture. More specifically, the research described in this thesis contributes to the improvement of the Imesh algorithm, removing three of its main limitations: treatment textured images, control of the level of the mesh refinement and support for other types of non-simplicial elements. These contributions provide flexibility to the mesh generation process, and extend the range of applications of Imesh by both handling textured images and considering the use of numerical methods for non-simplicial elements. The mesh quality improvement algorithm uses a new approach based on mesh templates and it is guided by Bezier patches

Técnicas para gerar malhas triangulares ou tetraedrais a partir de imagens, ou assumem como entrada uma imagem pré-processada, ou geram uma malha sem distinguir as diferentes estruturas contidas na imagem. O pré-processamento e a ausência de estruturas bem definidas podem apresentar dificuldades na utilização das malhas geradas em algumas aplicações, tais como simulações numéricas. Neste trabalho, apresentamos uma nova técnica que elimina a necessidade do pré-processamento embutindo a segmentação dentro do processo de geração de malha. Além disto, a técnica proposta considera critérios de qualidade nas malhas geradas, mostrando-se apropriada para aplicações de simulação numérica assim como modelagem de imagens com malhas / Techniques devoted to generate triangular or tetrahedral meshes from images either take as starting point a pre-processed image or generate a mesh without distinguishing different structures contained in the image. The pre-process and the absence of well defined structures may impose difficulties in using the resulting mesh in some applications as, for example, numerical simulations. In this work, we present a new technique that aims at eliminating the need for pre-processing by building the segmentation into the mesh generation process. Furthermore, the proposed technique consider quality criteria in the generated meshes, being appropriated for applications in numerical simulation as well as in image modeling

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um método adaptativo anisotrópico de malhas e seu acoplamento a um programa de simulação de escoamentos de fluidos compressíveis numa faixa ampla de número de Mach utilizando o Método dos Elementos Finitos (Bubnov-Galerkin). Mais especificamente, implementa-se um código para simulação de escoamentos compressíveis utilizando o método das linhas ou direções características (CBS), o qual possui boa performance para uma amplo espectro de números de Mach. A discretização espacial é feita utilizando-se elementos finitos triangulares lineares e tetraédricos lineares para problemas bidimensionais e tridimensionais, respectivamente. A discretização temporal é feita por uma expansão em séries de Taylor. Implementa-se uma adaptação anisotrópica com capacidade de refinamento e desrefinamento do domínio computacional para se obter soluções precisas a baixos custos computacionais, onde a estimativa de erro é conduzida por uma métrica Riemanniana, a qual permite o tratamento contínuo do erro através de um tensor de erro anisotrópico. O código é modificado para possibilitar o uso de arquiteturas de memória compartilhada a fim de aumentar a velocidade de processamento da simulação. Por fim, diversos estudos, tanto para problemas bidimensionais quanto tridimensionais, são realizados, validando a metodologia e realizando estudos adicionais em problemas mais complexos. / The objectives of this dissertation are the implementation of an anisotropic mesh adaptation procedure and its coupling with a compressible flow simulation code with large Mach range using the Finite Element Method (Bubnov-Galerkin). Specifically, a computer code using the Characteristic Based Split method called CBS, which has a good performance for a wide range of Mach numbers, is implemented. The spatial discretization is performed using linear triangular and linear tetrahedral finite elements for two and three dimensional cases, respectively. The temporal discretization is done with Taylor series. An anisotropic mesh adaption technique, based on a Riemann metric to evaluate the errors (which allows continuous error analysis through an anisotropic error tensor evaluation), including mesh refinement and mesh coarsening procedures is also implemented looking for accurate and computationally cheaper solutions. The code is able to use shared memory architecture in order to reduce computer process time. Finally, two-dimensional and three-dimensional studies are performed in order to validate the proposed methodology and additional complex tests are also analysed.

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um método adaptativo anisotrópico de malhas e seu acoplamento a um programa de simulação de escoamentos de fluidos compressíveis numa faixa ampla de número de Mach utilizando o Método dos Elementos Finitos (Bubnov-Galerkin). Mais especificamente, implementa-se um código para simulação de escoamentos compressíveis utilizando o método das linhas ou direções características (CBS), o qual possui boa performance para uma amplo espectro de números de Mach. A discretização espacial é feita utilizando-se elementos finitos triangulares lineares e tetraédricos lineares para problemas bidimensionais e tridimensionais, respectivamente. A discretização temporal é feita por uma expansão em séries de Taylor. Implementa-se uma adaptação anisotrópica com capacidade de refinamento e desrefinamento do domínio computacional para se obter soluções precisas a baixos custos computacionais, onde a estimativa de erro é conduzida por uma métrica Riemanniana, a qual permite o tratamento contínuo do erro através de um tensor de erro anisotrópico. O código é modificado para possibilitar o uso de arquiteturas de memória compartilhada a fim de aumentar a velocidade de processamento da simulação. Por fim, diversos estudos, tanto para problemas bidimensionais quanto tridimensionais, são realizados, validando a metodologia e realizando estudos adicionais em problemas mais complexos. / The objectives of this dissertation are the implementation of an anisotropic mesh adaptation procedure and its coupling with a compressible flow simulation code with large Mach range using the Finite Element Method (Bubnov-Galerkin). Specifically, a computer code using the Characteristic Based Split method called CBS, which has a good performance for a wide range of Mach numbers, is implemented. The spatial discretization is performed using linear triangular and linear tetrahedral finite elements for two and three dimensional cases, respectively. The temporal discretization is done with Taylor series. An anisotropic mesh adaption technique, based on a Riemann metric to evaluate the errors (which allows continuous error analysis through an anisotropic error tensor evaluation), including mesh refinement and mesh coarsening procedures is also implemented looking for accurate and computationally cheaper solutions. The code is able to use shared memory architecture in order to reduce computer process time. Finally, two-dimensional and three-dimensional studies are performed in order to validate the proposed methodology and additional complex tests are also analysed.

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um método adaptativo anisotrópico de malhas e seu acoplamento a um programa de simulação de escoamentos de fluidos compressíveis numa faixa ampla de número de Mach utilizando o Método dos Elementos Finitos (Bubnov-Galerkin). Mais especificamente, implementa-se um código para simulação de escoamentos compressíveis utilizando o método das linhas ou direções características (CBS), o qual possui boa performance para uma amplo espectro de números de Mach. A discretização espacial é feita utilizando-se elementos finitos triangulares lineares e tetraédricos lineares para problemas bidimensionais e tridimensionais, respectivamente. A discretização temporal é feita por uma expansão em séries de Taylor. Implementa-se uma adaptação anisotrópica com capacidade de refinamento e desrefinamento do domínio computacional para se obter soluções precisas a baixos custos computacionais, onde a estimativa de erro é conduzida por uma métrica Riemanniana, a qual permite o tratamento contínuo do erro através de um tensor de erro anisotrópico. O código é modificado para possibilitar o uso de arquiteturas de memória compartilhada a fim de aumentar a velocidade de processamento da simulação. Por fim, diversos estudos, tanto para problemas bidimensionais quanto tridimensionais, são realizados, validando a metodologia e realizando estudos adicionais em problemas mais complexos. / The objectives of this dissertation are the implementation of an anisotropic mesh adaptation procedure and its coupling with a compressible flow simulation code with large Mach range using the Finite Element Method (Bubnov-Galerkin). Specifically, a computer code using the Characteristic Based Split method called CBS, which has a good performance for a wide range of Mach numbers, is implemented. The spatial discretization is performed using linear triangular and linear tetrahedral finite elements for two and three dimensional cases, respectively. The temporal discretization is done with Taylor series. An anisotropic mesh adaption technique, based on a Riemann metric to evaluate the errors (which allows continuous error analysis through an anisotropic error tensor evaluation), including mesh refinement and mesh coarsening procedures is also implemented looking for accurate and computationally cheaper solutions. The code is able to use shared memory architecture in order to reduce computer process time. Finally, two-dimensional and three-dimensional studies are performed in order to validate the proposed methodology and additional complex tests are also analysed.

Com a popularização de equipamentos tradicionais de captura de imagens, como câmeras digitais, e o avanço tecnológico dos dispositivos não invasivos, como tomografia e ressonância, cresce também a necessidade e consequente uso de métodos numéricos para simulação de fenômenos físicos em domínios definidos por imagens. Um dos pré-requisitos para a aplicação de tais métodos numéricos consiste na discretização do domínio em questão, num processo denominado geração de malhas. Embora diversos métodos de geração de malha tenham sido propostos para discretizar domínios definidos por primitivas geométricas, pouco tem sido feito no sentido de gerar uma decomposição diretamente a partir de imagens. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem de geração de malhas de qualidade a partir de domínios definidos por imagens com textura. Mais especificamente, a pesquisa descrita nesta tese contribui com a melhoria do algoritmo Imesh, ao sanar três de suas principais limitações: tratamento de imagens com texturas; controle do nível de refinamento da malha e suporte a outros tipos de elementos. Estas contribuições flexibilizam o processo de geração da malha, e ainda ampliam o domínio de aplicações do algoritmo Imesh, à medida que são considerados domínios definidos por imagens com textura e o uso de métodos numéricos para elementos não simpliciais torna-se possível. O algoritmo de melhoria da malha gerada utiliza uma abordagem inovadora de remalhamento baseada em templates e guiada por retalhos de Bézier / With the spreading of traditional image capturing devices, such as digital cameras, and the technological advancement of more specific imaging devices such as CT and MRI, also increased the need and the following use of numerical methods for simulation of physical phenomena in domains defined by images. One of the prerequisites for the application of such numerical methods is the discretization of the corresponding domain, in a process called mesh generation. Although several methods of mesh generation have been proposed to discretize domains defined by geometric primitives, little has been done to generate a decomposition directly from images. We present an approach to generate quality meshes from domains defined by images with texture. More specifically, the research described in this thesis contributes to the improvement of the Imesh algorithm, removing three of its main limitations: treatment textured images, control of the level of the mesh refinement and support for other types of non-simplicial elements. These contributions provide flexibility to the mesh generation process, and extend the range of applications of Imesh by both handling textured images and considering the use of numerical methods for non-simplicial elements. The mesh quality improvement algorithm uses a new approach based on mesh templates and it is guided by Bezier patches

A reconstrução de superfícies a partir de nuvens de pontos faz parte de um novo paradigma de modelagem em que modelos computacionais para objetos reais são reconstruídos a partir de dados amostrados sobre a superfície dos mesmos. O principal problema que surge nesse contexto é o fato de que não são conhecidas relações de conectividade entre os pontos que compõe a amostra. Os objetivos do presente trabalho são estudar métodos implícitos para a reconstrução de superfícies e propor algumas melhorias pouco exploradas por métodos já existentes. O uso de funções implícitas no contexto da reconstrução conduz a métodos mais robustos em relação a ruídos, no entanto, uma das principais desvantagens de tais métodos está na dificuldade de capturar detalhes finos e sharp features. Nesse sentido, o presente trabalho propõe o uso de abordagens adaptativas, tanto na poligonalização de superfícies quanto na aproximação de superfícies. Além disso, questões relativas à robustez das soluções locais e à qualidade da malha também são abordadas. Por fim, o método desenvolvido é acoplado aumsoftware traçador de raios afimde se obterumamaneira de modelar cenas tridimensionais utilizando nuvens de pontos, além dos objetos gráficos tradicionais. Os resultados apresentados mostram que muitas das soluções propostas oferecem um incremento à qualidade dos métodos de reconstrução anteriormente propostos / Surface reconstruction from point clouds is part of a new modeling paradigm in which computational models for real objects are reconstructed from data sampled from their surface. The main problem that arises in this context is the fact that there are no known connectivity relationships amongst the points that compose the sample. The objectives of the present work are to study implicit methods for surface reconstruction and to propose some improvements scarcely explored by previous work. The use of implicit functions in the context of surface reconstruction leads to less noise sensitive methods; however, one major drawback of such methods is the difficulty in capturing fine details and sharp features. Towards this, the present work proposes the use of adaptive approaches, not only in the polygonization but also in the surface approximation. Besides, robustness issues in local solutions and mesh quality are also tackled. Finally, the developed method is embedded in a ray tracer software in order to set a basis for modeling tridimensional scenes using point sets, in addition to traditional graphic objects. The presented results show that a great deal of the proposed solutions offer a quality increase to the reconstruction method previously proposed