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.

Este trabalho descreve um conjunto de técnicas para a recuperação de imagens baseada nos aspectos cromático e estrutural das mesmas. A abordagem aqui descrita utiliza mecanismos que permitem a preservação de informação espacial referente aos conteúdos extraídos da imagem de forma que a sua precisão possa ser ajustada de acordo com a necessidade da consulta. Um outro importante aspecto aqui considerado, é a possibilidade de se optar por um dos seguintes espaços de cores para a verificação de distâncias entre cores no momento da recuperação: RGB, L*u*v*, ou L*a*b*. Com estas diferentes possibilidades de espaços de cores, será verificada a influência que os mesmos podem provocar no processo de recuperação de imagens baseado em aspectos cromáticos. O conjunto de técnicas para a recuperação de imagens abordadas neste trabalho levou à construção do sistema RICE, um ambiente computacional através do qual pode-se realizar consultas a partir de um repositório de imagens. Para a verificação do desempenho dos diferentes parâmetros ajustáveis na recuperação de imagens aqui descrita e implementada no sistema RICE, foram utilizadas curvas de “Recall x Precision”. / This work describes a set of image retrieval techniques by color and shape similarity. The approach presented here allows to preserve spacial relantionships of the contents extracted from the image. And it can be adjusted accordingly to the query needs. Another important feature considered here, is the possibility of choosing between the RGB, L*u*v*, and L*a*b* color spaces to compute color distances during the image retrieval operation. With these three options of color spaces, the influence of each one in the image retrieval process based in chromatic contents will be verified. The set of techniques for image retrieval described here led to development of the RICE system, a computational environment for image retrieval by color and shape similarity. Furthermore, the recall x precision graph was applied in order to verify the performance of the RICE system in several configuration modes of image retrieval.

O processo de parametrização de malhas em planos é um tópico de pesquisa bastante explorado. Apesar do grande esforço despendido no desenvolvimento de técnicas mais eficientes e robustas, pouco se tem investido no uso das representações paramétricas geradas por estas técnicas. Este trabalho apresenta contribuições relacionadas ao uso do espaço paramétrico para computações eficientes. A principal motivação vem do fato de alguns algoritmos serem mais eficientes quando aplicados sobre a versão paramétrica da malha. Algoritmos para o cálculo de distância mínima, por exemplo, podem ter um aumento significativo de eficiência quando aplicados em versões paramétricas de malhas. Nossos resultados demonstram que esses aumentos de eficiência podem chegar a cerca de uma ordem de magnitude em alguns casos. As contribuições deste trabalho possuem aplicação direta em três campos de pesquisa relacionados à computação gráfica: displacement mapping, cálculo de distâncias sobre superfícies e movimentação de agentes. A contribuição relacionada a displacement mapping, apresentada no capítulo 4, é utilizada para aumentar a performance de renderização e a qualidade visual de terrenos em jogos. O novo método de cálculo de distâncias proposto, apresentado no capítulo 5, aumenta a eficiência de vários algoritmos de cálculo de distância sobre superfícies de malhas. Este novo método também é utilizado em uma nova técnica para cálculo de movimentação de agentes em superfícies de malhas arbitrárias. Esta técnica é apresentada no capítulo 6. O potencial da nova técnica de cálculo de distância sobre malhas não está restrito aos exemplos apresentados. Em geral, qualquer técnica que utilize o cálculo de distância sobre superfícies de malhas de triângulos se beneficia das contribuições deste trabalho, podendo-se citar como exemplos a geração de texturas procedurais, rotulamento de superfícies, re-triangulação de malhas e segmentação de malhas, entre outros. / The process of parameterizing a mesh to the plane is an ongoing research topic. Although there are several works dedicated to parameterization techniques the use of the resulting parameterizations has received less attention. This work presents contributions related to the use of the parametric space to improve the computational efficiency of several algorithms. The main motivation comes from the fact that some algorithms are more efficiently computed on the parametric version of the mesh, compared to the 3-D version. For example, shortest distances can be computed, usually, an order of magnitude faster on the parametric space. The contributions of this work can be applied to at least three research fields related to computer graphics: displacement mapping, distance computation on the surface of triangular meshes and agent path planning. The contribution related to displacement mapping, presented in chapter 4, is used to increase the rendering performance and visual quality of terrains in games. The new method to compute distances, presented in chapter 5, increases the efficiency of several distance computation algorithms. This new method was also used on a novel agent path planning algorithm, to navigate agents on the surface of arbitrary meshes. This technique is presented in chapter 6. The potential of the new distance computation method is not restricted to the applications presented in this thesis. In general, any technique that uses distance computation on the surface of triangular meshes can have the performance improved by the method. We can cite the following applications: procedural texture generation, surface labeling, re-meshing, mesh segmentation, etc.

The computer graphic simulation can be used to understand plant growth and development influenced by biotic or abiotic parameters. The main simulation purposes are: (i) to predict plant agronomic characteristics when its submitted to different climatic, environmental, and physical factors; (ii) to analyze the influence of these factors in plant growth and development, yield and dry matter production and; (iii) to analyze the economical viability of some crop in an specific crop production system. The computer simulation is an important tool for agronomists, enabling evaluations of plant responses without conducting field experiments or even collecting experimental data in the field. The development of a maize plant (appearance of a phenological stage) depends mainly of the temperature accumulation. Thus, the maize phenological stages were simulated using vector graphics and internet programming tools, generating an animation of the plant growth and development. The study was conducted in two phases: (i) field experiment and; (ii) analysis of the collect field data, creation of programming routines and reproducing plant canopy by drawings using specific computer technique. The first phase consisted in conducting a field experiment to determined measurements of maximum leaf width and length, plant height and taken digital photos during plant growth and development. The second phase consisted in the vector representation of each leaf, leaf area index and plant height during different crop phenological stages (obtained through the processing of digital photos). Data of mean daily temperature (obtained through a portable weather station), temperature accumulation and internodes length were organized in a relational database table, to simplify the programming routines. These routines, written in PHP and SVG languages, allowed the generation of an animation of a single or several maize plants, according to some pre-selected parameters (phenological stage, maximum plant height, row or plant spacing, soil water deficit, etc.). The technique used in this work allows the simulation of plant growth and development from a computer connected to the internet, since the files created for the simulation are stored in the web server. / A simulação gráfica é uma ferramenta que pode ser utilizada para acompanhar o crescimento e desenvolvimento das plantas a partir de parâmetros bióticos ou abióticos. Dentre as finalidades das simulações, pode-se destacar: (i) prever o comportamento de uma cultura, submetida à aplicação de diferentes fatores físicos, ambientais e climáticos; (ii) analisar a influência destes fatores no que se refere a características como limitações no crescimento e desenvolvimento das plantas, rendimento de massa seca e produção de grãos e; (iii) analisar a viabilidade de implantação desta cultura em uma determinada região de produção. Diante disso, a simulação constitui-se numa ferramenta importante no meio agronômico, pelo fato de possibilitar a observação de uma situação específica, sem a necessidade de se implantar um experimento a campo ou a coleta de dados experimentais. Como o aparecimento dos estádios fenológicos de algumas espécies, particularmente do milho, depende principalmente do somatório térmico, simulou-se através de gráficos vetoriais e programação voltada para a Internet, os estádios fenológicos de uma planta de milho, gerando assim uma animação do crescimento e desenvolvimento de um dossel de plantas. O trabalho consistiu de duas etapas: (i) experimento a campo e; (ii) análise dos dados obtidos, criação de rotinas de programação e de desenhos gráficos utilizados na simulação. Na primeira etapa, foi conduzido um experimento a campo para medições de largura máxima e comprimento de folhas, altura de plantas e registro de fotos das plantas de milho no decorrer do seu crescimento e desenvolvimento. Na segunda etapa, os dados obtidos no experimento, bem como as representações vetoriais de todas as folhas das plantas, em diferentes momentos do ciclo (obtidas através do processamento das fotografias digitais), os dados de temperatura média diária (obtidos através de uma estação meteorológica compacta), de soma térmica e de comprimento de entrenós, foram organizados em um banco de dados relacional, a fim de serem utilizados por rotinas de programação. Estas rotinas, escritas nas linguagens PHP e SVG, possibilitaram a geração de uma animação de uma ou várias plantas de milho, de acordo com parâmetros pré-selecionados (estádio fenológico, altura máxima de plantas, espaçamento entre plantas e entre linhas, nível de déficit hídrico, etc.). Através das tecnologias empregadas neste trabalho, é possível a execução da simulação através de qualquer computador conectado à Internet, desde que os arquivos criados para a simulação sejam devidamente armazenados em um servidor web.

Resumo: A aquisição de imagens médicas por ressonância magnética funcional (fMRI) permite identificar regiões do cérebro humano relacionadas a determinadas atividades sensoriais, motoras ou cognitivas. A visualização integrada dessas informações funcionais com estruturas anatômicas do cérebro é um importante campo dentro da visualização volumétrica aplicada à Medicina. Este trabalho apresenta uma plataforma simplificada, flexível e escalável para a investigação de técnicas de visualização de regiões de ativação cerebral, detectadas nas imagens por ressonância magnética funcional. A ferramenta envolve as principais etapas do processo, desde a leitura das imagens funcionais e a geração do mapa de ativação, e a sua visualização tridimensional integrada com dados anatômicos, empregando rendering direto de volumes.

Orientador : Prof. Dr. Olga R.P. Bellon / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa: Curitiba, 31/08/2016 / Inclui referências : f. 53-57 / Resumo: Neste trabalho, estimamos a pose da cabe¸ca em imagens 2D, tanto em ambientes controlados como n˜ao controlados, baseado apenas na regi˜ao do nariz. Para este fim, propomos e comparamos uma metodologia livre de landmarks, baseado em Support Vector Machi- nes (SVM-NosePose). O uso de apenas a regi˜ao do nariz apresenta vantagens sobre o uso da face inteira; n˜ao apenas 'e menos prov'avel a oclus˜ao do nariz, mas ele tamb'em 'e vis'?vel e provado ser altamente discriminante em todas as poses de perfil a frontal. O SVM j'a foi utilizado para este tipo de tarefa em uma base pequena e controlada. Nosso SVM-NosePose adiciona novas id'eias e experimentos 'a etapa da gera¸c˜ao do vetor de caracter '?sticas, tanto na extra¸c˜ao destas, como na agrega¸c˜ao dos dados. 'E comparado favoravelmente ao estado-da-arte, atrav'es de experimentos abrangentes cuidadosamente elaborados, utilizando seis bases de dados publicamente dispon'?veis, Pointing'04, Multi-PIE, McGillFaces, SFEW, AFW e PaSC, abrangendo diversos cen'arios poss'?veis na estimativa da pose da cabe¸ca. A fim de realizar uma avali¸c˜ao completa e detalhada, apresentamos resultados tanto com as regi˜oes anotadas do nariz quanto com a sa'?da de um detector de narizes estado-da-arte. Adicionalmente, investigamos duas diferentes aplica¸c˜oes para nossa estimativa: a inclus˜ao original de uma pontua¸c˜ao da pose da cabe¸ca na estimativa da qualidade da face para a inicializa¸c˜ao de um rastreador de narizes, alcan¸cando maior precis˜ao de rastreamento; e a execu¸c˜ao de alinhamento 3D livre de landmarks em ambientes n˜ao controlados utilizando apenas a informa¸c˜ao da regi˜ao do nariz, permitindo que estimativas sejam geradas mesmo em cen'arios desafiadores. Palavras-chave: pose da cabe¸ca; rastreamento facial; alinhamento facial / Abstract: We perform head pose estimation solely based on the nose region as input, extracted from 2D images in both constrained and unconstrained environments. To this end, we propose a landmark free methodology, based on Support Vector Machines (SVM-NosePose) and compare it against the state-of-the-art. Using the nose region has advantages over using the whole face; not only it is less likely to be occluded, it is also visible and proved to be highly discriminant in all poses from profile to frontal. SVM has been previously used for this task on a small, controlled dataset. Our SVM-NosePose adds new ideas and experiments on the feature vector generation stage, both in feature extraction and data aggregation. Our SVM-NosePose estimation favorably compares, through thoughtful and comprehensive experiments, against state-of-the-art approaches, using six publicly available datasets, Pointing'04, Multi-PIE, McGillFaces, SFEW, AFW and PaSC. To achieve a complete and detailed evaluation, we present results using both the nose region ground-truth and the output of a state-of-the-art nose detector. Additionally, two different applications for our approach are also investigated: the original inclusion of a head pose score for face quality estimation, for initializing a nose tracker, leading to higher tracking precision; and performing landmark-free 3D face alignment in the wild using only the information of the nose region, enabling coherent estimates to be generated even in challenging scenarios. Keywords: head pose; face tracking; face alignment

A simulação de pedestres representados como humanos virtuais em um mundo sintético é de grande interesse em áreas como cinema, arquitetura e jogos. Esta atividade pode ser definida como navegação em ambientes virtuais e envolve principalmente a especificação do ambiente, a definição da posição inicial do agente, assim como sua posição final (ou objetivo). Tendo estes parâmetros definidos, um algoritmo de planejamento de movimento, ou de caminhos, em particular, pode ser usado para encontrar uma trajetória a ser seguida por ele. Entretanto, em um mundo real, se considerar-se várias pessoas, todas na mesma posição inicial e procurando atingir o mesmo objetivo, cada uma seguirá por um caminho diferente. Ou seja, para uma mesma tarefa, a estratégia utilizada por cada pessoa para alcançar seu objetivo vai depender de sua constituição física, personalidade, humor e raciocínio. Levando em consideração estas questões, este trabalho apresenta um estudo sobre planejamento de movimento para pedestres. Como resultado prático foi desenvolvido um planejador que fornece trajetórias suaves e variadas. As trajetórias são dependentes de características individuais de cada agente, que podem ser alteradas dinâmicamente. O método adotado é baseado na utilização de campos potenciais gerados pela solução numérica de problemas de valores de contorno envolvendo a equação de Laplace (funções harmônicas) e o problema de Sturm-Liouville. Campos potenciais gerados desta forma produzem caminhos suaves e são livres de mínimos locais. O comportamento de cada agente é determinado pela alteração de seu campo potencial individual, gerado a cada passo da simulação. Dessa forma, é possível alterar dinamicamente o padrão da trajetória e ao mesmo tempo evitar colisões com obstáculos móveis (demais agentes na simulação). Por outro lado, os comportamentos gerados podem tanto ser usados de forma isolada, como combinados em movimentos complexos. Assim, é possível utilizar funções que definem trajetórias ou quantificar um desvio à esquerda ou à direita quando o agente avista um obstáculo a sua frente. A implementação do método, incluindo técnicas para controlar a velocidade e orientação do agente, e situações de simulação como comportamentos em corredores e regiões abertas, são apresentadas e discutidas. / The simulation of pedestrians represented as virtual humans in a synthetic world is of great interest in areas as cinema, architecture and games. This activity can be defined as navigation in virtual environments and involves mainly the specification of the environment, the definition of the agent’s initial position as well as its target position in the world (also called goal). By setting these parameters, a motion planning algorithm, or a path-planning algorithm in particular can be used to find a trajectory to be followed by it. However, in a real world, if we consider several persons (all in the same initial position) trying to reach the same target position, each individual path followed will be different. That is, for the same task, the strategy used by each person to reach their goal will depend on their physical constitution (body type), personality, mood and reasoning. Taking these questions into consideration, this work presents a study about motion planning for pedestrians. As a practical result, a planner which supplies smooth and varied trajectories was developed. The trajectories are also depending on the individual characteristics of each agent, which can be dynamically changed. The method adopted is based on the use of potential fields generated by numerical solutions of boundary value problems involving the equation of Laplace (harmonic functions) and the problem of Sturm- Liouville. Potential fields generated in this manner produce smooth and local minima free trajectories. The behavior of each agent is determined by the alteration of its individual potential field which is generated to each step of the simulation. Thus, it is possible to dynamically modify the standard of the trajectory and at the same time to prevent collisions with mobile obstacles (other agents in the simulation). On the other hand, the produced behaviors can be used isolatedly or combined in complex moves. Therefore, it is possible to use a function that defines a trajectory. It is also possible to quantify a detour to the left or to the right when the agent sights an obstacle ahead. The implementation of the method, including speed control techniques and agent’s orientation, and situations like simulation of behaviors in corridors or open regions, will be presented and argued.

Encontrar um modo de criar imagens fotorealísticas tem sido uma meta da Computação Gráfica por muitos anos [GLA 89]. Neste sentido, os aspectos que possuem principal importância são a modelagem e a iluminação. Ao considerar aspectos de modelagem, a obtenção de realismo mostra-se bastante difícil quando se pretende, através de técnicas tradicionais de modelagem, modelar objetos cujas formas não são bem definidas. Dentre alguns exemplos destes tipos de objetos, podem-se citar fogo, fumaça, nuvens, água, etc. Partindo deste fato, Reeves [REE 83] introduziu uma técnica denominada sistemas de partículas para efetuar a modelagem de fogo e explosões. Um sistema de partículas pode ser visto como um conjunto de partículas que evoluem ao longo do tempo. Os procedimentos envolvidos na animação de um sistema de partículas são bastante simples. Basicamente, a cada instante de tempo, novas partículas são geradas, os atributos das partículas antigas são alterados, ou estas partículas podem ser extintas de acordo com certas regras pré-definidas. Como as partículas de um sistema são entidades dinâmicas, os sistemas de partículas são especialmente adequados para o uso em animação. Ainda, dentre as principais vantagens dos sistemas de partículas quando comparados com as técnicas tradicionais de modelagem, podem-se citar a facilidade da obtenção de efeitos sobre as partículas (como borrão de movimento), a necessidade de poucos dados para a modelagem global do fenômeno, o controle por processos estocásticos, o nível de detalhamento ajustável e a possibilidade de grande controle sobre as suas deformações. Entretanto, os sistemas de partículas possuem algumas limitações e restrições que provocaram o pouco desenvolvimento de algoritmos específicos nesta área. Dentre estas limitações, as principais são a dificuldade de obtenção de efeitos realísticos de sombra e reflexão, o alto consumo de memória e o fato dos sistemas de partículas possuírem um processo de animação específico para cada efeito que se quer modelar. Poucos trabalhos foram desenvolvidos especificamente para a solução destes problemas, sendo que a maioria se destina à modelagem de fenômenos através de sistemas de partículas. Tendo em vista tais deficiências, este trabalho apresenta métodos para as soluções destes problemas. É apresentado um método para tornar viável a integração de sistemas de partículas em ambientes de Ray Tracing, através do uso de uma grade tridimensional. Também, são apresentadas técnicas para a eliminação de efeitos de aliasing das partículas, assim como para a redução da quantidades de memória exigida para o armazenamento dos sistemas de partículas. Considerando aspectos de animação de sistemas de partículas, também é apresentado uma técnica de aceleração para a detecção de colisões entre o sistema de partículas e os objetos de uma cena, baseada no uso de uma grade pentadimensional. Aspectos relativos à implementação, tempo de processamento e fatores de aceleração são apresentados no final do trabalho, assim como as possíveis extensões futuras e trabalhos sendo realizados. / Finding a way to create photorealistic images has been a goal of Computer Graphics for many years [GLA 89]. In this sense, the aspects that have main importance are modeling and illumination. Considering aspects of modeling, the obtention of realism is very difficult when it is intended to model fuzzy objects using traditional modeling techniques. Among some examples of these types of objects, fire, smoke, clouds, water, etc. can be mentioned. With this fact in mind, Reeves [REE 83] introduced a technique named particle systems for modeling of fire and explosions. A particle system can be seen as a set of particles that evolves over time. The procedures involved in the animation of particle systems are very simple. Basically, at each time instant, new particles are generated, the attributes of the old ones are changed, or these particles can be extinguished according to predefined rules. As the particles of a system are dynamic entities, particle systems are specially suitable for use in animation. Among the main advantages of particle systems, when compared to traditional techniques, it can be mentioned the facility of obtaining effects such as motion blur over the particles, the need of few data to the global modeling of a phenomen, the control by stochastic processes, an adjustable level of detail and a great control over their deformations. However, particle systems present some limitations and restrictions that cause the little development of specific algorithms in this area. Among this limitations, the main are the difficulty of obtention of realistic effects of shadow and reflection, the high requirement of memory and the fact that particle systems need a specific animation process for each effect intended to be modeled. Few works have been developed specifically for the solution of these problems; most of them are developed for the modeling of phenomena through the use of particle systems. Keeping these deficiencies in mind, this work presents methods for solving these problems. A method is presented to make practicable the integration of particle systems and ray tracing, through the use of a third-dimensional grid. Also, a technique is presented to eliminate effects of aliasing of particles, and to reduce the amount of memory required for the storage of particle systems. Considering particle systems animation, a technique is also presented to accelerate the collision detection between particle systems and the objects of a scene, based on the use of a fifth-dimensional grid. Aspects related to the implementation, processing time and acceleration factors are presented at the end of the work, as well as the possible future extensions and ongoing works.