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.

Virtual Characters are more than avatars capable of expressing emotions and interact with the users. Virtual Characters should be seen as a very reliable representation of a human being, capable of expressing all the possible affective traits after the appraisal and evaluation of what is happening around and inside them. They should feel and express what they are feeling; they should convince you they are “real”. To achieve this level of believability several researchers have proposed different computational and affective models, as well as graphical techniques to simulate expressions, gestures, behavior or voice. All this state of art has provided us with sufficient data and information to see what else needs to be done. As a result, we propose a contextual and affective framework that allows the generation of the context that surrounds the character as well as the simulation of its psychological characteristics like preferences, standards, personality, or admiration for other agents. Moreover, the framework proposes novel and implementation independent techniques for the visualization of emotions and mood. Through experimentation we come up with a set of head-position/eye-gaze configurations that are perceived as certain personality traits, we validate the generation of expressions for moods, and assessed the feasibility of the context generation through movie scenes, which translated into our system, triggered the same emotions and elicit the same facial expressions as in the movie. This research is a step forward in the creation of more believable virtual characters, by pointing out other elements that should be considered when creating characters that can be used in affective HCI applications, storytelling, or virtual worlds for entertainment (e.g. Videogames) or for therapies (e.g. in therapies with autistic children). / Hablar de personajes virtuales implica hablar de mucho más que avatares capaces de expresar emociones e interactuar con los usuarios. Los personajes virtuales deberían ser vistos como una representación fidedigna de los seres humanos, capaces de expresar un amplio rango de rasgos afectivos después de haber analizado y evaluado qué ocurre fuera y dentro de ellos. Deben sentir y expresar lo que sienten de tal forma que logren convencer que son reales. Para alcanzar este nivel de credibilidad gran cantidad de investigadores han propuesto diferentes modelos afectivos y computacionales, así como técnicas en gráficos para simular expresiones, gestos, comportamientos y voz. Todo este trabajo previo nos ha permitido obtener suficientes datos para analizar qué más se puede hacer en esta área. Como resultado, proponemos una metodología que permite la generación automática del contexto que rodea al personaje, así como la simulación de sus características psicológicas como preferencias, estándares, personalidad, o admiración por otros agentes. Más aún, se presentan novedosos algoritmos independientes de la implementación para la visualización de emociones y humor. Mediante experimentos y test que miden el grado de percepción en los usuarios asociamos un conjunto de configuraciones “orientación de la cabeza/dirección de la mirada” a rasgos de personalidad, y validamos el método para generar expresiones de humor. También evaluamos la habilidad de la generación de contexto usando escenas de películas, obteniendo el mismo set de emociones y expresiones faciales que en dichas películas. Finalmente, cabe destacar que este trabajo de investigación es un paso hacia adelante en la creación de personajes más creíbles, ya que indica qué elementos deberían tomarse en cuenta al momento de crear personajes virtuales que puedan ser usados en aplicaciones Interacción persona-ordenador, cuentacuentos, o mundos virtuales destinados al entretenimiento (videojuegos) o fines médicos (terapias con niños autistas)

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).

Tese de mestrado. Tecnologia Multimédia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Universidade Fernando Pessoa. 2007