Robôs verdadeiramente autônomos devem conhecer o ambiente para executar tarefas complexas. Em ambientes desconhecidos o robô deve concorrentemente construir o mapa do ambiente e se localizar usando sensores proprioceptivos e exteroceptivos imprecisos. Isto é problemático, uma vez que o mapa parcial e possivelmente incorreto do ambiente será usado para corrigir erros de localização. Este problema importante da robótica móvel é conhecido como Localização e Mapeamento Simultâneos (SLAM). Quando um robô autonomamente executa o algoritmo de SLAM concorrentemente com uma estratégia de exploração, o problema passa a se chamar SLAM Ativo ou Exploração Integrada. Um dos principais desafios por trás destes problemas é o tratamento de fechamento de ciclos. Ao atravessar regiões desconhecidas ou ambientes esparsos, a pose do robô e o mapa podem não ser propriamente corrigidos por falta de informação. Quando isto acontece, as incertezas da posição do robô e do mapa aumentam, podendo levar a erros irrecuperáveis. Por outro lado, quando o ciclo é fechado corretamente, estas incertezas diminuem consideravelmente. Portanto, a escolha do caminho para explorar o ambiente pode drasticamente melhorar ou degradar a qualidade do mapeamento e da localização. Uma técnica bem conhecida de exploração de ambientes é a adaptação do problema de valor de contorno (BVP) para a equação de Laplace e condições de contorno de Dirichlet. Apesar de ser fácil de implementar, resultando em trajetórias de exploração suaves, esta técnica não endereça cuidadosamente erros de SLAM, uma vez que ela segue a descida do gradiente, o que pode não possibilitar revisitas, uma limitação crucial para o SLAM Ativo. Mesmo sendo uma técnica de exploração gulosa e direcionada a fronteiras, consideramos que a flexibilidade do BVP e condições de contorno de Dirichlet ainda são pouco exploradas. Nossa proposta é modificar o algoritmo de Exploração por BVP para executar comportamentos complexos, tais como revisitas e, em particular, fechamentos de ciclo. Apresentamos duas novas abordagens: a primeira faz uso de uma condição de contorno direcionada pelo tempo combinada a distorções de potencial para gerar comportamentos de fechamento de ciclo, além de um potencial que nunca cessa de existir, mesmo após o ambiente ter sido completamente explorado; a segunda, propicia o fechamento de ciclos aproveitando a propagação do potencial em regiões desconhecidas, através de um par dinâmico de condições de contorno que funcionam como obstáculos e objetivos virtuais. Ambas abordagens aproveitam o Esqueleto de Voronoi do ambiente para reduzir o custo computacional do algoritmo. Testes em ambientes reais e simulados usando o robô Pioneer 3DX mostram que as técnicas apresentadas apresetam melhores resultados quando comparadas a técnicas concorrentes. / Truly autonomous robots must know the environment in order to execute complex tasks. In unknown environments, the robot must construct a map and localize itself using noisy proprioceptive and exteroceptive sensors. This is problematic, since the partial and possibly inaccurate map of the environment will be used to correct localization errors. This important problem of mobile robotics is known as Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). When a robot autonomously execute a SLAM algorithm concurrently with an exploration strategy, this problem is called Active SLAM or Integrated Exploration. One of the main challenges behind both these problems is the treatment of loop closures. While the robot traverses unknown regions or sparse environments, the robot pose and the map may not be properly corrected due to lack of information. When this happens, the uncertainties about the map and the robot pose increase, which may lead to unrecoverable SLAM errors. On the other hand, when a loop is closed successfully, these uncertainties drastically decrease. Therefore, path chosen to explore the environment can considerably improve or degrade the quality of both localization and mapping. One well known way to explore the environment is the adaptation of the Boundary Value Problem (BVP) for the Laplace Equation and Dirichlet boundary conditions. Even though it is easy to implement, resulting in smooth exploration trajectories, it does not carefully address SLAM errors, since it follows a gradient decent which not always allows revisits, a crucial limitation for Active SLAM. Despite being a greedy frontier driven exploration strategy, we consider the flexibility of the BVP and Dirichlet boundary conditions still under-explored for Active SLAM. Our proposal is to modify the BVP Exploration algorithm to execute complex exploration behaviors, such as revisits and, in particular, loop-closures. We present two new approaches: the first makes use of a time driven boundary value condition together with potential distortions to generate loop closing behaviors and a potential field that never ceases to exist, even after the exploration ends; the second enables loop closure behaviors with BVP by taking advantage of potential propagation in unknown space generated by a pair of dynamic boundary conditions functioning as virtual walls and goals. Both approaches take advantage of a local optimization that uses the Voronoi Skeleton to reduce the computational cost of the algorithm. Tests in real and simulated environments using a Pioneer 3DX show that the proposed approaches present better results when compared with competing approaches.

Técnicas de visualização volumétrica direta são utilizadas para visualizar e explorar volumes de dados complexos. Dados volumétricos provêm de diversas fontes, tais como dispositivos de diagnóstico médico, radares de sensoriamento remoto ou ainda simulações científicas assistidas por computador. Um problema fundamental na visualização volumétrica é a especificação de Funções de Transferência (FTs) que atribuem cor e opacidade aos valores escalares que compõem o volume de dados. Essas funções são importantes para a exibição de características e objetos de interesse do volume, porém sua definição não é trivial ou intuitiva. Abordagens tradicionais permitem a edição manual de pontos de controle que representam a FT a ser utilizada no volume. No entanto, essas técnicas acabam conduzindo o usuário a um processo de “tentativa e erro” para serem obtidos os resultados desejados. Considera-se também que técnicas automáticas que excluem o usuário do processo não são consideradas as mais adequadas, visto que o mesmo deve possuir algum controle sobre o processo de visualização. Este trabalho apresenta uma ferramenta semi-automática e interativa destinada a auxiliar o usuário na geração de FTs de cor e opacidade. A ferramenta proposta possui dois níveis de interação com o usuário. No primeiro nível são apresentados várias FTs candidatas renderizadas como thumbnails 3D, seguindo o método conhecido como Design Galleries (MARKS et al., 1997). São aplicadas técnicas para reduzir o escopo das funções candidatas para um conjunto mais razoável, sendo possível ainda um refinamento das mesmas. No segundo nível é possível definir cores para a FT de opacidade escolhida, e ainda refinar essa função de modo a melhorála de acordo com as necessidades do usuário. Dessa forma, um dos objetivos desse trabalho é permitir ao usuário lidar com diferentes aspectos da especificação de FTs, que normalmente são dependentes da aplicação em questão e do volume de dados sendo visualizado. Para o rendering do volume, são exploradas as capacidades de mapeamento de textura e os recursos do hardware gráfico programável provenientes das plácas gráficas atuais visando a interação em tempo real. Os resultados obtidos utilizam volumes de dados médicos e sintéticos, além de volumes conhecidos, para a análise da ferramenta proposta. No entanto, é dada ênfase na especificação de FTs de propósito geral, sem a necessidade do usuário prover um mapeamento direto representando a função desejada. / Direct volume rendering techniques are used to visualize and explore large scalar volumes. Volume data can be acquired from many sources including medical diagnoses scanners, remote sensing radars or even computer-aided scientific simulations. A key issue in volume rendering is the specification of Transfer Functions (TFs) which assign color and opacity to the scalar values which comprise the volume. These functions are important to the exhibition of features and objects of interest from the volume, but their specification is not trivial or intuitive. Traditional approaches allow the manual editing of a graphic plot with control points representing the TF being applied to the volume. However, these techniques lead the user to an unintuitive trial and error task, which is time-consuming. It is also considered that automatic methods that exclude the user from the process should be avoided, since the user must have some control of the visualization process. This work presents a semi-automatic and interactive tool to assist the user in the specification of color and opacity TFs. The proposed tool has two levels of user interaction. The first level presents to the user several candidate TFs rendered as 3D thumbnails, following the method known as Design Galleries (MARKS et al., 1997). Techniques are applied to reduce the scope of the candidate functions to a more reasonable one. It is also possible to further refine these functions at this level. In the second level is permitted to define and edit colors in the chosen TF, and refine this function if desired. One of the objectives of this work is to allow users to deal with different aspects of TF specification, which is generally dependent of the application or the dataset being visualized. To render the volume, the programmability of the current generation of graphics hardware is explored, as well as the features of texture mapping in order to achieve real time interaction. The tool is applied to medical and synthetic datasets, but the main objective is to propose a general-purpose tool to specify TFs without the need for an explicit mapping from the user.

Esta dissertação investiga os efeitos da imersão física em jogos sérios com propósitos de aprendizado perceptivo. O principal objetivo é identificar um conjunto de orientações de design para ajudar desenvolvedores a escolher o nível apropriado de imersão a ser usado em jogos sérios a fim de assegurar que o jogo seja efetivo e confortável para os usuários. A hipótese principal é que altos níveis de imersão melhoram os resultados dos jogos sérios, mas níveis de imersão moderados também podem ser adequados com a vantagem de que causa menos mal-estar nos usuários. Nós organizamos uma revisão da literatura para melhor entender como a imersão física está sendo usada atualmente em jogos sérios, como a efetividade tem sido avaliada, e como a imersão afeta os resultados do jogo e a usabilidade. Então, nós conduzimos dois estudos de usuário empíricos para investigar os efeitos da fidelidade de display, interação e locomoção na percepção dos usuários e retenção de conhecimento. Para os experimentos, nós adaptamos um jogo sério previamente desenvolvido para análise de percepção de riscos, e desenvolvemos um novo jogo para educar trabalhadores sobre procedimentos de segurança que precisam ser seguidos durante instalações elétricas na linha de manutenção elétrica. Os resultados mostraram que, em geral, a fidelidade de display tem impacto na percepção de riscos quando procurando por riscos que não são óbvios. Alta fidelidade de display tem melhor desempenho na identificação de riscos complexos. A fidelidade de locomoção e interação não apresentou diferenças significantes no aprendizado perceptivo. Alta fidelidade também apresentou maior workload, mas nas mesmas condições a corretividade das tarefas foi maior e os participantes lembraram dos procedimentos tanto no pós-teste quanto no teste de retenção. Portanto, a retenção de conhecimento não foi afetada pelo workload introduzido pela técnica interativa. A partir destes experimentos, nós elaboramos e discutimos um conjunto de orientações de design que podem ser considerados para a escolha do nível apropriado de imersão física para ser usado no desenvolvimento de novos jogos sérios. / Nowadays, several application areas are adopting serious games as an ethical, safe and low-cost alternative to performing dangerous tasks, such as training of firefighters, and for medical surgeries. The employment of Virtual Reality in serious games helps to provide virtual environments much more realistic and better immersive experiences to the user. However, some VR systems can still cause sickness symptoms, such as nausea and headaches, and some of them can be expensive, such as CAVEs. This thesis investigates the effects of physical immersion on serious games with perceptual learning purposes. Its main goal is to identify a set of design guidelines to help developers on choosing the appropriate level of immersion to be used in serious games in order to assure it is effective and comfortable for users. The main hypothesis is that higher levels of immersion improve serious games outcomes, but moderate immersion may be also adequate with the advantage of causing less simulation sickness on users. We organized a survey of the literature to better understand how physical immersion is being currently used on serious games, how its effectiveness has been assessed, and how immersion impacts on the game outcomes and usability. Then, we conducted two empirical user studies looking for investigating the effects of the display, interaction and locomotion fidelity on users’ perception and knowledge retention. For the experiments, we adapted a serious game previously developed for risk assessment and developed a new one to educate workers in electricity-line maintenance on safety procedures that need to be followed during electric installations. Results showed that, in general, display fidelity has an effect on risk perception when searching for non-obvious risks. Higher display fidelity has better performance on complex risks identification. Interaction and locomotion fidelity did not show a significant difference in perceptual learning. Naturalness also presented higher workload, but in the same conditions the correctness of tasks was high and subjects recall the procedures in both post- and retention-test. Therefore, knowledge retention is not impacted by the workload imposed by the interactive technique. From these experiments, we elaborated and discussed a set of design guidelines that can be considered for the choice of the appropriate physical immersion to be used on the development of new serious games.

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.

Em geral, jogos classificados como ‘jogos online maciçamente multijogador’, ou massively multiplayer online games (MMOGs) são simulações interativas, competitivas, em tempo real e em larga escala, de mundos virtuais gráficos. Atualmente, a maioria (se não todos) os MMOGs lançados comercialmente são implementados como serviços centralizados, onde centenas ou até milhares de máquinas servidoras, mantidas pelo provedor do serviço do jogo, são responsáveis por executar quase toda a simulação do mundo virtual. Isto implica em gastos significativos em equipamentos e comunicação por parte dos provedores do jogo. Vários trabalhos tentam reduzir o custo de hospedar um MMOG propondo modelos de distribuição da simulação mais descentralizados (peer-to-peer), onde a simulação é movida parcialmente ou totalmente dos servidores (máquinas dos provedores do jogo) para os nós clientes, tipicamente PCs de jogadores conectados por banda larga residencial. Porém, a tentativa de descentralizar um MMOG cria problemas de segurança, na medida em que a simulação passa a ser delegada a nós clientes, que são nós intrinsecamente não-confiáveis que ganham a oportunidade de trapacear no jogo, burlando as regras, visto que as regras da simulação serão executadas por estes. Existem vários tipos de trapaças, mas nós mostramos nesta tese que é possível argumentar que a trapaça de estado (state cheating) e ataques de negação de serviço são as ameaças mais significativas para MMOGs peer-to-peer. Como consequência, nós propomos o FreeMMG 2, um novo modelo de descentralização de MMOGs baseado na divisão do mundo virtual em células que são mantidas individualmente por grupos separados de peers voluntários que executam um processo daemon, não-interativo de simulação. Cada peer de uma célula contém uma réplica completa do estado da célula e se sincroniza de forma tanto conservadora quanto otimista com cada outro peer (réplica) da célula, enquanto ao mesmo tempo recebe comandos de jogo e dissemina atualizações de jogo para as máquinas ‘cliente’ dos jogadores do jogo. Devido à replicação e à seleção aleatória de peers para as células, nós mostramos que o FreeMMG 2 é resistente a trapaça de estado. E, devido ao uso de um peer back-up secreto para cada peer réplica primária da célula, nós mostramos que ataques de negação de serviço contra os peers não irão aumentar de forma significativa a probabilidade de ocorrência de trapaça de estado ou de perda total do estado da célula atacada. Através de simulação de rede, nós mostramos que o FreeMMG 2 é escalável e que utiliza a largura de banda dos clientes de forma eficiente. Assim, mostramos que uma abordagem baseada em replicação de suporte a MMOGs, considerando clientes com conectividade à Internet realística (sem IP multicast e com banda larga doméstica), é viável. / Typically, games classified as ‘massively multiplayer online games’ (MMOGs) are competitive, real-time, large-scale interactive simulations of graphical virtual worlds. Currently, most (if not all) commercial MMOGs are implemented as centralized services, where hundreds or even thousands of ‘server’ machines, maintained by the game service provider, are responsible for running almost all of the virtual world simulation. This incurs a significant equipment and communication cost for the game providers. Several works attempt to reduce the cost of hosting a MMOG by proposing more decentralized, peer-to-peer models for distributing the simulation among client (player-owned PCs with consumer-grade broadband) and server (provider-owned) machines, with some going as far as eliminating the need for provider-owned machines altogether. Decentralizing a MMOG, however, creates security issues, as the simulation is now delegated to untrusted client nodes which gain opportunities to cheat the game rules, as the rules are now executed by them. There are several types of cheats, but we show in this thesis that a case can be made for considering state cheating and denial-of-service attacks as the most significant threats for peer-to-peer MMOGs. In light of this, we propose FreeMMG 2, a new MMOG decentralization model based on the division of the virtual world into cells that are maintained individually by separate groups of volunteer peers that are running a non-interactive, daemon simulation process. Each peer of a cell contains a full replica of the cell state and synchronizes both conservatively and optimistically with every other peers (replicas) of the cell, while at the same time receiving game commands and disseminating game updates to actual player machines. Due to its cell replication and random peer selection, we show that FreeMMG 2 is resistant to state cheating. And, due to the use of one secret back-up peer for every primary replica peer of the cell, we show that denial-of-service attacks don’t significantly increase the odds of either state cheating or cell state loss happening. Through network simulation we verify that FreeMMG 2 is scalable and bandwidth-efficient, showing that a replication-based approach to peer-to-peer MMOG support, considering peers with realistic Internet connectivity (no IP multicast and consumer-grade broadband), is a viable one.

Esta dissertação investiga soluções para o problema genérico de geração de vistas sintéticas a partir de um conjunto de imagens utilizando a abordagem Depth-Image-Based Rendering. Essa abordagem utiliza um formato compacto para a representação de imagens 3D, composto basicamente por duas imagens, uma colorida para a vista de referência e outra em tons de cinza com a correspondência de disparidade para cada pixel. Soluções para esse problema beneficiam aplicações como Free Viewpoint Television. O maior desafio é o preenchimento de regiões sem informação de projeção considerando o novo ponto de vista, genericamente denominados holes, além de outros artefatos como cracks e ghosts que ocorrem por oclusões e erros no mapa de disparidade. Nesta dissertação apresentamos técnicas para remoção e tratamento de cada uma das classes de potenciais artefatos. O conjunto de métodos propostos apresenta melhores resultados quando comparado com o atual estado da arte em geração de vistas sintéticas com o modelo DIBR para o conjunto de dados Middlebury, considerando-se as métricas SSIM e PSNR. / This dissertation investigates solutions to the general problem of generating synthetic views from a set of images using the Depth-Image-Based Rendering approach. This approach uses a compact format for the 3D image representation, composed basically of two images, one color image for the reference view and other grayscale image with the disparity information available for each pixel. Solutions to this problem benefit applications such as Free Viewpoint Television. The biggest challenge is filling in regions without projection information considering the new viewpoint, usually called holes, and other artifacts such as cracks and ghosts that occur due to occlusions and errors in the disparity map. In this dissertation we present techniques for removal and treatment of each of these classes of potential artifacts. The set of proposed methods shows improved results when compared to the current state of the art generation of synthetic views using the DIBR model applied to the Middlebury dataset, considering the SSIM and PSNR metrics.

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.

A simulação do movimento de humanos virtuais em mundos sintéticos é necessária a áreas tais como: jogos eletrônicos, filmes, ambientes virtuais colaborativos como Second Life R , simulação de pedestres, sistemas de treinamento e simulação de evacuações em situações de emergência. Contudo, mesmo sendo um importante tópico de pesquisa desde a década de 70, a simulação de comportamentos para personagens virtuais ainda é um desafio. O principal objetivo deste trabalho é estender a técnica proposta por Dapper et al. (DAPPER, 2007) onde foi apresentado um planejador de movimento para humanos virtuais que fornece trajetórias suaves e dependentes de parâmetros individuais dos agentes, permitindo a navegação de grupos de forma mais eficiente. Neste trabalho, é proposto um algoritmo para controlar o movimento de grupos em ambientes interativos e uma estratégia para manter a formação durante o deslocamento. O método é baseado em campos potenciais, ou seja, na solução numérica de problemas de valores de contorno envolvendo a equação de Laplace. O método proposto, é composto de duas camadas. Na primeira camada, um mapa para o controle do grupo é criado para possibilitar o controle de cada indivíduo, enquanto que na segunda camada, um algoritmo de planejamento de caminho é utilizado para o movimento do grupo como um todo. A técnica proposta combina o planejamento de movimento para grupos com a navegação baseada em esboços. Os resultados mostram que a técnica é robusta e pode ser utilizada em tempo-real. / The motion simulation of the movement of virtual humans in synthetic worlds is necessary for areas such as: electronic games, movies, collaborative virtual environments such as Second Life R , pedestrian simulation, training systems, simulation of evacuations in emergency situations. However, although being an important research topic since the 70s, the simulation of behaviors for virtual characters is still a challenge. Dapper et al. (DAPPER, 2007) developed a motion planner that provides smooth trajectories dependent on the individual parameters of the agents. The main goal of this work is to extend the technique proposed by Dapper, allowing for a more efficient control and navigation of groups. In this work, an algorithm for the control of group motion in interactive environments is proposed, along with a strategy for maintaining the group formation during the motion. The method is based on potential fields, more specifically, on the numeric solution of boundary-value problems involving the Laplace equation. The proposed method has two layers. In the first layer, a map for group control is created in order to allow for the control of every individual, while in the second layer a path planning algorithm is used for the movement of the group as a whole. The proposed technique combines the planning of group movements with a sketch-based navigation. The results show that the technique is robust and can be used in real-time.

O crescente número de sistemas de animação que utilizam a cinemática para gerar movimento de objetos vem levando os pesquisadores a buscar outras alternativas para produzir resultados mais realistas. Com base nesta premissa, vários autores começaram a estudar a geração de movimento de objetos sintéticos através da aplicação da dinâmica. Assim surgiram os modelos baseados em leis físicas. Num primeiro momento foram abordados apenas objetos rígidos, passando-se mais tarde a considerar objetos articulados e, por fim, aqueles com características elásticas, também denominados de objetos flexíveis ou deformáveis. O objetivo principal do trabalho é a definição de um modelo para simulação de objetos deformáveis no espaço euclidiano. São abordados tanto o modelo geométrico utilizado como o modelo físico, sendo ressaltadas as forças aplicadas sobre o objeto e as restrições que podem ser impostas pelo mundo virtual no qual o mesmo está inserido. Dentre as forças descritas, pode-se destacar: força gravitacional, elasticidade, força de curvatura e torção, colisão e atrito. A fundamentação do trabalho desenvolvido é apresentada na forma de uma introdução aos sistemas de animação, enfatizando os sistemas baseados em leis físicas e de uma revisão bibliográfica dos métodos de deformação existentes. No que diz respeito à colisão de objetos elásticos, são descritos tanto os métodos estudados para a solução das mesmas, como as técnicas para detecção do choque. A simulação do movimento é descrita sob dois aspectos: o algoritmo utilizado para a geração do movimento e a integração numérica das equações diferenciais no tempo. É abordado ainda, em detalhe, o protótipo desenvolvido com o propósito de validar o modelo proposto, sendo descrita a linguagem criada a fim de permitir a especificação da animação e parâmetros diversos do modelo. Por fim, são apresentados e avaliados os resultados obtidos através do desenvolvimento do modelo proposto por intermédio do protótipo FLEX3D. É dedicada ainda especial atenção às perspectivas futuras deste trabalho. / The growing number of animation systems that use kinematics to generate the motion of objects have led to other alternatives to produce more realistic results. Some authors began to study the animation of synthetic objects through the application of the dynamic concepts, creating the modern physically based models. At first, only rigid objects were treated; later on articulated objects were considered. At last, those with elastic characteristics (called flexible or deformable objects) were taken into consideration. The main goal of this work is to define a simulation model for deformable objects in the euclidean space. Both the geometric and the physical models are presented, considering the forces applied to the object and the constraints defined by the virtual world. Described forces include gravity, elasticity, dumping force, collision and attrition. This work presents an introduction to animation systems focusing the physically based systems. After this, a bibliographic review of the existent deformation methods is made. Methods for detecting and solving the collision between two elastic objects are described. Two aspects of the motion simulation are described: the algorithm used to generate the motion and the numeric integration of the differential equations in time. A prototype named FLEX3D is presented to validate the proposed model. The language used for specifying the animation is described and results obtained through the use of FLEX3D are also presented. Special attention is given to the possible future works.