Ingeniera Civil en Computación / El objetivo del presente tema de memoria es diseñar y desarrollar un visualizador y evaluador de mallas geométricas mixtas en 3D, que provea diferentes formas de visualización, que permita evaluar la calidad de las mallas aplicando distintos criterios de evaluación sobre ellas, y que sea fácilmente extensible a nuevas funcionalidades. Una malla geométrica es una colección de vértices, aristas y caras, que define la forma de un objeto complejo en base a polígonos (2D) y poliedros (3D). Se considerará en este trabajo la manipulación de mallas de superficie y mallas mixtas 3D compuestas por tetraedros, pirámides, prismas de seis vértices y hexaedros. Mientras más regulares son los elementos de una malla geométrica esta es de mejor calidad. Para evaluar la calidad de una malla, se aplican sobre los elementos que la componen los criterios de evaluación ángulo diedro, ángulo sólido, jacobiano y relación volumen - arista más larga al cubo. En una primera etapa, se propone e implementa un diseño con enfoque orientado a objetos en donde se utilizan diferentes patrones de diseño. Se propone una estructura de datos para el manejo de mallas que privilegia la eficiencia al ejecutar algoritmos sobre ellas por sobre el espacio utilizado al almacenarlas en memoria. Se utiliza un subsistema que permite abrir y guardar mallas almacenadas en archivos de distintos formatos usando el patrón de diseño Facade. Se crean los elementos de las mallas a partir de los datos utilizando el patrón Factory Method. Se generan Iteradores sobre los elementos de la malla según sea necesario. Se utiliza el patrón de diseño Strategy para definir y aplicar los diferentes criterios de evaluación. Finalmente, se define el visualizador como un Singleton para asegurar una instancia única. Luego, se procede con el desarrollo de una interfaz adecuada a los requisitos y fácil de usar que provee distintas funcionalidades dentro de las cuales se encuentran: abrir y guardar una malla geométrica, visualizarla, rotarla, trasladarla, realizar zoom-in y zoomout, ver sólo la superficie de la malla, desplegar datos de los elementos, seleccionar elementos, escoger niveles de vecindad y observar un elemento con sus vecinos, aplicar criterios de evaluación sobre toda la malla o sobre vecindades, visualizar elementos que cumplen o no con los rangos de evaluación y mover puntos de la malla para mejorar su calidad. Como resultado, se obtiene una herramienta extensible, flexible y fácil de usar, que provee distintos tipos de visualización de mallas geométricas, que permite evaluar la calidad de los elementos que las componen y, mejorarlas manipulando los puntos de elementos críticos y al mismo tiempo manteniendo su integridad.

Ingeniero Civil en Computación / Bajo el contexto del concurso Beauchef Proyecta dentro de la Facultad de Cientas Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile se diseña una Impresora 3D que imprime concreto, este proyecto debe tener una validación respecto a la salida de la impresora, tomando en cuenta que la construcción de la impresora se realizará iterativamente tener un feedback preciso y eficaz ayuda a mejorar la manufactura de este dispositivo. Para comenzar se realizó una evaluación respecto al estado del arte de las técnicas para describir y comparar volúmenes en modelos 3D y se llegó a la conclusión que la voxelización fue la ruta a seguir para la evaluación de la impresora utilizando comparación volumétrica. Luego de haber fijado la voxelización como la manera de comparar volúmenes se procedió a diseñar un algoritmo que preprocese los modelos para normalizar las estructuras a comparar. Se utiliza la librería PCL para la implementación. Se realizó experimentación para determinar si las hipótesis y los criterios determinados para el funcionamiento del algoritmo funcionan correctamente bajo un experimento sintético utilizando modelos de un \textit{benchmark} y se determinó que no cumple con los estándares para la verificación de calidad de una impresora. Luego de esto se realizó un segundo experimento con hipótesis refinadas para considerar la alineación de los modelos utilizando los mismos modelos que el experimento anterior. Se llegó a resultados exitosos bajo el segundo experimento, lo que logró determinar una métrica bajo el algoritmo para la evaluación de modelos 3D y sus respectivas impressiones utilizando alguna impresora y un dispositivo de adquisición de datos 3D. Esta métrica se determinó respecto a las medidas de los objetos a comparar. La impresora 3D de concreto al momento de la redacción de este documento está en construcción.

En los sistemas formadores de imágenes hay muchas causas de la degradación de la misma. Los tipos de degradación que afectan sólo el nivel de gris del pixel, sin introducir un borroneo espacial son denominados degradaciones puntuales. Otros tipos, los cuales introducen borroneo, son llamados degradaciones espaciales. Existen además otras clases, relacionadas con efectos temporales y cromáticos. Estas degradaciones aparecen en una gran variedad de aplicaciones tales como en el reconocimiento astronómico, donde las imágenes obtenidas están deterioradas por turbulencia atmosférica, en imágenes tomadas con microscopios electrónicos, debido al tipo de muestras utilizadas , aberraciones del sistema óptico y el movimiento entre la cámara y el objeto. Otro ejemplo son las imágenes radiográficas médicas que presentan baja resolución y contraste, debido a los sistemas formadores de imágenes que utilizan rayos-x. En este trabajo se propone estudiar dos características ligadas a la formación de imágenes, el ruido como ejemplo de degradaciones puntuales y el desenfoque en escenas de objetos de 3D como ejemplo de degradaciones espaciales y cómo corregirlos.

Ingeniero Civil en Computación / La visualización científica es un área que apoya el análisis de datos generados por simulaciones de fenómenos físicos e ingenieriles, entre otros. Junto a los datos geometrícos del modelo que describen el dominio se requiere visualizar datos escalares y vectoriales asociados a los vértices, arcos y/o caras del modelo. Existen diversas técnicas para visualizar dichos campos tales como coloreado superficial, volume rendering, isolíneas, isosuperficies y otros. Camarón es una herramienta gráfica de estudio de mallas mixtas que permite conocer propiedades de los elementos que las constituyen. Para hacer más fácil el estudio cuenta con coloreado de vértices, polígonos y poliedros según el valor del criterio de evaluación a elección, además de presentar un histograma con la propiedad en estudio. Camarón además cuenta con múltiples renderers, métodos de selección de elementos, criterios de evaluación y archivos de entrada/salida junto con una arquitectura que lo hace fácilmente extensible. Ocupa la GPU de una máquina en forma activa para permitir una interacción fluida. Las GPU son unidades de procesamiento altamente paralelo que permiten paralelizar la mayoría de los algoritmos de visualización científica. Existen varias herramientas desarrolladas para aprovechar los recursos de una GPU tales como CUDA, OpenCl o OpenGL. La última es usada principalmente para fines gráficos. El objetivo de esta memoria consitió en introducir la visualización de campos escalares en Camarón principalmente con el uso de isolíneas para modelos superficiales e isosuperficies para volumétricos. La implementación ocupa el lenguaje C++ y aprovecha las capacidades de procesamiento de una GPU moderna con el uso de la biblioteca OpenGL. La arquitectura implementada es extensible y permite el manejo de valores escalares y vectoriales asociados a los vértices de una malla. Los algoritmos de generación de isosuperficies e isolíneas fueron implementados ocupando las capacidades de paralelismo de una GPU. Más aún el uso de la funcionalidad Transform Feedback en OpenGL permitió que la interacción con la malla fuese fluída. Se mejoró Dado que existen varios visualizadores en 3D para apoyar el análisis de datos científicos, se comparó el software Camarón con uno de los más usados ParaView. Los resultados muestran un desempeño entre 4 y 6 veces mejor para Camarón en términos de rapidez, aunque con sobrecostos en uso de memoria de hasta 6 veces lo usado por ParaView.

El Rendering No Fotorrealista, o NPR (Non Photorealistic Rendering), es una aplicación del proceso de rendering tradicional que busca generar imágenes con algún grado de abstracción. Una técnica puntual de NPR es la de Hatching, o achurado. El achurado es una técnica de pintado a mano alzada que utiliza trazos de líneas para graficar un objeto. La dirección de las líneas abstrae la forma de éstos, mientras que la cantidad de ellas, denominada densidad del achurado, permite interpretar la intensidad de la iluminación a través de la superficie del objeto. La técnica de achurado que se aborda en esta tesis, propuesta por Praun, Hoppe, Webb y Finkelstein en SIGGRAPH 2001 en un artículo llamado “Realtime Hatching”, solamente está definida para modelos 3D estáticos, por lo que para modelos animados la deformación de la geometría no es considerada en el algoritmo. Esta tesis aborda esa problemática: se propone mejorar esa técnica de achurado, extendiéndola para ser aplicada en objetos animados. La elección del algoritmo mencionado se justifica en la tesis a través de una revisión bibliográfica. También se detalla la implementación realizada de dicho algoritmo, se especifican las componentes del sistema y se muestran las herramientas de software libre utilizadas: OpenMesh como estructura de datos base, Eigen como biblioteca de álgebra lineal y trimesh2 como apoyo para el cálculo de curvaturas y direcciones principales en la superficie. Luego de implementar el algoritmo original, se estudia su extensión para ser aplicado a un modelo 3D que presente animación. Ya que el algoritmo de achurado no está definido para objetos animados, la tesis estudia y define lo que se puede denominar como comportamiento correcto del achurado en modelos animados. Así, se presentan las extensiones necesarias para que el algoritmo de achurado funcione correctamente con modelos animados, junto con detalles de implementación de dichas extensiones. Además, se muestran resultados de la aplicación del algoritmo a conjuntos de datos de animación de captura de movimiento de personas. Estos resultados tienen una apariencia visual satisfactoria respecto a la definición de achurado y presentan un rendimiento adecuado para animaciones en tiempo real, al superar los 60 cuadros por segundo en su renderizado. Finalmente, se realiza una discusión en la que se comentan los resultados del algoritmo, en particular sus cualidades y limitantes. Entre sus cualidades se encuentra un planteamiento sencillo y fácil de entender que permite obtener resultados correctos. Entre sus limitantes se encuentra su aplicabilidad a objetos que mantienen una topología constante durante animaciones y el hecho de funcionar con animaciones preconcebidas, no con animaciones arbitrarias producto de interacción con el usuario. Sin embargo, estas limitantes son analizadas y se proponen diferentes alternativas para enfrentarlas como trabajo futuro.

Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / Se obtiene un modelo tridimensional de la discontinuidad corteza-manto (Moho) de la placa Sudamericana, en la zona localizada entre los 31°S a 34°S y entre los 67°W a 72°W, mediante la inversión unidimensional de Funciones de Recepción. Los sismogramas utilizados corresponden a 11 telesismos y 89 eventos locales registrados en las estaciones que conforman la red sismológica temporal instalada en el marco del proyecto FONDECYT 1020972, conjunto entre la Universidad de Chile – IRD, Francia. En los modelos de velocidad de onda P, onda S y densidades obtenidos a partir de Funciones de Recepción generadas con telesismos, se observan discontinuidades claras de velocidad y densidad asociables al Moho, alcanzándose bajo esta interfaz una velocidad de onda P superior a 7.5 km/s. Sin embargo, el método de inversión no permitió obtener buenos resultados con Funciones de Recepción generadas a partir de eventos locales. La geometría del Moho muestra una tendencia a profundizarse desde el trasarco hacia la cordillera de los Andes para luego tomar valores mínimos de profundidad, en torno a los 35 km., bajo las estaciones cercanas a la costa. En el trasarco, el espesor cortical crece hacia el norte alcanzando valores de hasta 60 km sobre la zona donde la placa de Nazca presenta un ángulo de subducción subhorizontal. Con objeto de interpretar los resultados obtenidos, en relación a las densidades promedio de corteza y manto, carga topográfica y espesor elástico, se implementa un modelo de deflexión flexural mediante diferencias finitas a lo largo de cuatro perfiles E-W. Los resultados muestran una drástica disminución del espesor elástico bajo el arco, donde se alcanzan valores en torno a los 5 km., mientras que hacia el antearco y trasarco el espesor elástico toma valores de 50 km. Se estiman valores máximos de espesor cortical que superan los 60 km bajo la cordillera. Modelos publicados sobre balance de áreas realizado al norte de la zona de estudio, muestran un espesor cortical menor en el trasarco que el propuesto en el presente trabajo. Esto sugiere una posible adición magmática en la base de la corteza, asociado al proceso de migración hacia el este del arco magmático durante los últimos 12 Ma, en la zona de subducción subhorizontal de la placa de Nazca.

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Ingeniero Civil / El trabajo de título realizado consiste en analizar el comportamiento de la modelación numérica 3D de canales supercríticos, mediante la simulación numérica del rápido de descarga de la Central Hidroeléctrica Chucás de Costa Rica, utilizando el software ANSYS CFX. El análisis se divide principalmente en dos: simulación del modelo físico y análisis de los métodos o criterios de diseño existentes para contracciones en canales supercríticos. El software trabaja resolviendo las ecuaciones promediadas de Reynolds para la turbulencia (modelos RANS) en tres dimensiones, junto con la ecuación de conservación de masa, mediante el método de volúmenes finitos. Para lograr la simulación es necesaria la creación de un dominio espacial, realizar al discretización de este dominio y aplicar las condiciones de borde que gobiernan el fenómeno a simular. La modelación numérica fue ejecutada con éxito para un perfil de tipo Ogee de ancho unitario, en el sentido que los errores con respecto a datos experimentales del USACE son menores a un 1,3 % en la altura de escurrimiento. Sin embargo, la simulación del modelo físico no fue efectiva, obteniendo errores promedio en la altura de escurrimiento de 21,6 % para el caudal de diseño de la obra. No obstante, las mediciones de alturas de escurrimientos podrían no estar del todo correctas ya que los resultados simulados de la presión sobre el vertedero logran un excelente ajuste para las mayores presiones ubicadas en el cuenco de lanzamiento del salto de esquí. No así el caso de las presiones sobre el umbral, que aunque siguen un comportamiento similar con los datos experimentales, la magnitud de estas difiere en mayor medida que las presiones sobre el cuenco de lanzamiento. En la modelación de contracciones en canales supercríticos, la simulación numérica presenta resultados concordantes con datos experimentales, imponiéndose como mejor alternativa que el uso de los métodos existentes para flujos con números de Froude mayores a 6.

Ingeniero Civil / El presente trabajo consiste en la modelación no lineal y tridimensional en el software comercial CSI Perform-3D, de un edificio habitacional de hormigón armado ubicado en Iquique, el cual fue instrumentado en junio del 2014. Se contaba para este edificio con un modelo 3D en desarrollo, que mostraba acoplamiento de muros mediante los diafragmas. Se realiza el refinamiento de dicho modelo, y con él se estudia el comportamiento sísmico de sistemas de muros acoplados frente a registros de aceleraciones con diferentes niveles de amplificación, con énfasis en la distribución de las cargas laterales sobre ellos. Posteriormente, se desarrolla un modelo bidimensional para el estudio de un muro particular del edificio, en una sola dirección. Utilizando los modelos 2D y 3D, se analiza el impacto de la modelación no lineal en los resultados, el efecto de las cargas de acople en la posición de la resultante de carga lateral en los muros, las diferencias entre los modelos tridimensional y bidimensional, y el efecto de amplificar la demanda sísmica en el análisis. En el modelo bidimensional se estudian además los límites elásticos del muro escogido, y se hace un análisis de esfuerzos y deformaciones post-fluencia. Se observa, entre otros resultados, que la posición de la resultante de carga lateral se ubica bajo el valor esperado de dos tercios de la altura del muro, y que las fuerzas axiales en los elementos de acople son las que más incidencia tienen en esa distribución. Al descontar su efecto, la posición de la resultante sube más de un 20\% en los casos estudiados. Por otra parte, el modelo 2D, si bien reproduce el fenómeno estudiado, también presenta un nivel de acoplamiento bajo y un nivel de daño considerablemente inferior al del modelo completo. Al amplificar la solicitación sísmica se observa una baja de la posición de la resultante de carga lateral, debido a la mayor incidencia de modos superiores y al incremento del nivel de acoplamiento. Finalmente, se observa que luego de la fluencia en la base del edificio, se produce también la fluencia de pisos superiores, donde usualmente ya no se encuentra detallamiento de bordes. En base a lo estudiado, se proponen algunas recomendaciones. No es aconsejable utilizar modelos de fibras que no consideren la altura completa de los muros. En cuanto a análisis bidimensional, un modelo 2D puede reproducir correctamente ciertos fenómenos, pero en algunos casos no es posible omitir el componente tridimensional pues determina el comportamiento del muro.