Made available in DSpace on 2014-06-12T15:59:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5531_1.pdf: 3047008 bytes, checksum: c2b4208f3cd81a0c9379a0179bd76b03 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Em uma grande variedade de aplicações existe a necessidade de modelos digitais de objetos reais, como máquinas, produtos comerciais, esculturas, órgãos humanos, entre outros. O processo de criação desses modelos a partir de dados do objeto real que ele representa é chamado de Reconstrução. Neste trabalho é proposto um novo método de reconstrução de superficies que consiste na combinação de duas redes neurais para gerar uma representação em malha de triângulos da forma de um objeto a partir de um conjunto de pontos de sua superfície. O sistema de reconstrução recebe como entrada um conjunto de imagens de secções transversais de um objeto real ou um objeto sintético. A partir dessas entradas são adquiridos os pontos que são fornecidos à Rede Neural para a reconstrução da forma do objeto. Inicialmente o processo de Reconstrução de um modo geral será apresentado juntamente com algumas das soluções atualmente disponíveis. Em seguida é apresentado o sistema de Reconstrução desenvolvido, particularmente o novo método proposto para reconstrução de superfícies. Por fim são apresentados os experimentos realizados, os resultados alcançados, e discutidos os aspectos favoráveis e desfavoráveis do algoritmo proposto para Reconstrução de Superfície, bem como as possibilidades futuras de melhorias para o sistema

As b-splines são utilizadas em sistemas CAD/CAM/CAE para representar e definir curvas e superfícies complexas, sendo adotada pelos principais padrões da computação gráfica devido a características como representação matemática de forma compacta, flexibilidade e transformações afins. Em sistemas de aquisição de dados 3D e sistemas CAM-CNC integrados, a utilização da b-spline na transferência de informações geométricas e na reconstrução da superfície de objetos resulta em um significativo incremento na eficiência do processo, geralmente implementado em sistemas embarcados. Nestes sistemas embarcados, integrados no auxílio a máquinas de manufatura, a utilização de FPGAs é incipiente, sem circuitos para b-splines disponibilizados em lógica reconfigurável de circuito aberto (open core), razão pela qual este projeto propõe o desenvolvimento de um circuito de geração b-spline aberto, em um sistema embarcado FPGA, utilizando algoritmos adaptados para os circuitos, elaborados em linguagem Verilog HDL, padronizada para a síntese de circuitos em lógica reconfigurável. Os circuitos foram desenvolvidos, utilizando-se um barramento de dados padronizado em circuito aberto, nas seguintes implementações para processamento paralelo das b-splines: o BFEA, o método baseado em funções base fixas, ambos projetados para circuitos integrados, e o fast Cox-de Boor, desenvolvido para FPGAs. Foram comparados o tempo de execução e o consumo de recursos disponíveis no FPGA utilizado, entre cada implementação. Os resultados evidenciaram que os circuitos de funções base fixas apresentaram o processamento mais rápido para a geração de b-splines em um FPGA, com um tempo de execução em média 20% menor em relação às outras implementações. Os circuitos BFEA apresentaram a menor utilização de elementos lógicos, em média 50% menor em relação aos outros circuitos implementados. O circuito fast Cox-de Boor apresentou a melhor escalabilidade, devido à modularidade da implementação, com tempos de execução similares aos circuitos de funções base fixas. / The b-splines are used in CAD/CAM/CAE systems to represent and define complex curves and surfaces, being adopted by the main computer graphics standards due to features like compact mathematic representation, flexibility and affine transformations. In 3D acquisition systems and integrated CAM-CNC systems, the use of the b-spline in the geometric information data transfer and in the object surface reconstruction results in a increase in the process efficiency, generally implemented in embedded systems. In these embedded systems, integrated in the aid to manufacturing machines, the use of FPGAs is incipient, without available b-splines open core circuits in reconfigurable logic, the reason why this project propose the development of a b-spline generation open core circuit, in a FPGA embedded system, using adaptated algorithms for the circuits, made in Verilog HDL language, standardized for the circuit synthesis in reconfigurable logic. The circuits were developed, using an open core standardized data bus, in the following implementations of b-spline parallel processing: the BFEA, fixed basis functions based method, both designed for integrated circuits, and the fast Cox-de Boor, developed for FPGAs. The execution time and available resource consumption in the FPGA were compared, between each implementation. The results show that the fixed basis functions circuits presented the fastest processing for the b-splines generation in a FPGA, with a 20% mean execution time reduction in relation to the other implementations. The BFEA circuits presented the lowest logic elements use, in mean 50% fewer in relation to the other implemented circuits. The fast Cox-De Boor circuit presented the best scalability, due to the implementation modularity, with execution times similar to the fixed basis functions circuits.

As b-splines são utilizadas em sistemas CAD/CAM/CAE para representar e definir curvas e superfícies complexas, sendo adotada pelos principais padrões da computação gráfica devido a características como representação matemática de forma compacta, flexibilidade e transformações afins. Em sistemas de aquisição de dados 3D e sistemas CAM-CNC integrados, a utilização da b-spline na transferência de informações geométricas e na reconstrução da superfície de objetos resulta em um significativo incremento na eficiência do processo, geralmente implementado em sistemas embarcados. Nestes sistemas embarcados, integrados no auxílio a máquinas de manufatura, a utilização de FPGAs é incipiente, sem circuitos para b-splines disponibilizados em lógica reconfigurável de circuito aberto (open core), razão pela qual este projeto propõe o desenvolvimento de um circuito de geração b-spline aberto, em um sistema embarcado FPGA, utilizando algoritmos adaptados para os circuitos, elaborados em linguagem Verilog HDL, padronizada para a síntese de circuitos em lógica reconfigurável. Os circuitos foram desenvolvidos, utilizando-se um barramento de dados padronizado em circuito aberto, nas seguintes implementações para processamento paralelo das b-splines: o BFEA, o método baseado em funções base fixas, ambos projetados para circuitos integrados, e o fast Cox-de Boor, desenvolvido para FPGAs. Foram comparados o tempo de execução e o consumo de recursos disponíveis no FPGA utilizado, entre cada implementação. Os resultados evidenciaram que os circuitos de funções base fixas apresentaram o processamento mais rápido para a geração de b-splines em um FPGA, com um tempo de execução em média 20% menor em relação às outras implementações. Os circuitos BFEA apresentaram a menor utilização de elementos lógicos, em média 50% menor em relação aos outros circuitos implementados. O circuito fast Cox-de Boor apresentou a melhor escalabilidade, devido à modularidade da implementação, com tempos de execução similares aos circuitos de funções base fixas. / The b-splines are used in CAD/CAM/CAE systems to represent and define complex curves and surfaces, being adopted by the main computer graphics standards due to features like compact mathematic representation, flexibility and affine transformations. In 3D acquisition systems and integrated CAM-CNC systems, the use of the b-spline in the geometric information data transfer and in the object surface reconstruction results in a increase in the process efficiency, generally implemented in embedded systems. In these embedded systems, integrated in the aid to manufacturing machines, the use of FPGAs is incipient, without available b-splines open core circuits in reconfigurable logic, the reason why this project propose the development of a b-spline generation open core circuit, in a FPGA embedded system, using adaptated algorithms for the circuits, made in Verilog HDL language, standardized for the circuit synthesis in reconfigurable logic. The circuits were developed, using an open core standardized data bus, in the following implementations of b-spline parallel processing: the BFEA, fixed basis functions based method, both designed for integrated circuits, and the fast Cox-de Boor, developed for FPGAs. The execution time and available resource consumption in the FPGA were compared, between each implementation. The results show that the fixed basis functions circuits presented the fastest processing for the b-splines generation in a FPGA, with a 20% mean execution time reduction in relation to the other implementations. The BFEA circuits presented the lowest logic elements use, in mean 50% fewer in relation to the other implemented circuits. The fast Cox-De Boor circuit presented the best scalability, due to the implementation modularity, with execution times similar to the fixed basis functions circuits.

Representações computacionais de formas podem ser criadas em ferramentas CAD ou geradas a partir de um objeto físico já existente. Esta última abordagem oferece como vantagens rapidez e fidelidade ao objeto original, que são os aspectos fundamentais em muitas aplicações, como Simulações Numéricas de Equações Diferenciais Parciais e Imagens Médicas. A reconstrução (ou geração de malhas superficiais) a partir de pontos amostrados de uma superfície de um objeto é um problema clássico de representação de formas. Nesta dissertação apresentamos um vasto levantamento bibliográfico deste tipo de reconstrução, classificando e descrevendo os principais trabalhos presentes na literatura. A partir do levantamento bibliográfico, selecionamos um conjunto de algoritmos sobre os quais foram realizadas comparações teóricas e empíricas cujos resultados são apresentados. Para finalizar, apresentamos aplicações de nossas implementações em Simulação Numérica de Equações Diferenciais Parciais e processamento de Imagens / Computational representations of shapes can be developed using CAD applications or created from data acquired from a real physical object. This latter is advantageous with respect to time and fidelity to the original object which are essential to several applications, such as Numerical Simulation of Partial Differential Equations and Medical Imaging. A classical shape representation problem is that of reconstruction (or superficial mesh generation) from points sampled over the surface of an object. In this Master\'s thesis we describe a broad survey of these reconstruction methods. We focus in the classification and characterization of the main algorithms proposed in the literature. From this survey, we selected some algorithms and conducted some theoretical and practical comparisons. We conclude this work describing applications of the algorithms implemented in Numerical Simulations of Differential Partial Equations and Image Processing

Representações computacionais de formas podem ser criadas em ferramentas CAD ou geradas a partir de um objeto físico já existente. Esta última abordagem oferece como vantagens rapidez e fidelidade ao objeto original, que são os aspectos fundamentais em muitas aplicações, como Simulações Numéricas de Equações Diferenciais Parciais e Imagens Médicas. A reconstrução (ou geração de malhas superficiais) a partir de pontos amostrados de uma superfície de um objeto é um problema clássico de representação de formas. Nesta dissertação apresentamos um vasto levantamento bibliográfico deste tipo de reconstrução, classificando e descrevendo os principais trabalhos presentes na literatura. A partir do levantamento bibliográfico, selecionamos um conjunto de algoritmos sobre os quais foram realizadas comparações teóricas e empíricas cujos resultados são apresentados. Para finalizar, apresentamos aplicações de nossas implementações em Simulação Numérica de Equações Diferenciais Parciais e processamento de Imagens / Computational representations of shapes can be developed using CAD applications or created from data acquired from a real physical object. This latter is advantageous with respect to time and fidelity to the original object which are essential to several applications, such as Numerical Simulation of Partial Differential Equations and Medical Imaging. A classical shape representation problem is that of reconstruction (or superficial mesh generation) from points sampled over the surface of an object. In this Master\'s thesis we describe a broad survey of these reconstruction methods. We focus in the classification and characterization of the main algorithms proposed in the literature. From this survey, we selected some algorithms and conducted some theoretical and practical comparisons. We conclude this work describing applications of the algorithms implemented in Numerical Simulations of Differential Partial Equations and Image Processing

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

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2015-10-27T14:34:35Z No. of bitstreams: 1 Fabrício Müller da Silva_.pdf: 105910980 bytes, checksum: 4ce66a9d5fff9a2b2a97835c54dac355 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-27T14:34:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabrício Müller da Silva_.pdf: 105910980 bytes, checksum: 4ce66a9d5fff9a2b2a97835c54dac355 (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / Nenhuma / Este trabalho apresenta um algoritmo para simplificação de nuvens de pontos baseado na inclinação local da superfície amostrada pelo conjunto de pontos de entrada. O objetivo é transformar a nuvem de pontos original no menor conjunto possível, mantendo as características e a topologia da superfície original. O algoritmo proposto reamostra de forma adaptativa o conjunto de entrada, removendo pontos redundantes para manter um determinado nível de qualidade definido pelo usuário no conjunto final. O processo consiste em um particionamento recursivo do conjunto de entrada através da Análise de Componentes Principais (PCA). No algoritmo, PCA é aplicada para definir as partições sucessivas, para obter uma aproximação linear (por planos) em cada partição e para avaliar a qualidade de cada aproximação. Por fim, o algoritmo faz uma escolha simples de quais pontos serão mantidos para representar a aproximação linear de cada partição. Estes pontos formarão o conjunto de dados final após o processo de simplificação. Para avaliação dos resultados foi aplicada uma métrica de distância entre malhas de polígonos, baseada na distância de Hausdorff, comparando a superfície reconstruída com a nuvem de pontos original e aquela reconstruída com a nuvem filtrada. Os resultados obtidos com o algoritmo conseguiram uma taxa de até 95% de compactação do conjunto de dados de entrada, diminuindo o tempo total de execução do processo de reconstrução, mantendo as características e a topologia do modelo original. A qualidade da superfície reconstruída com a nuvem filtrada também é atestada pela métrica de comparação. / This paper presents a simple and efficient algorithm for point cloud simplification based on the local inclination of the surface sampled by the input set. The objective is to transform the original point cloud in a small as possible one, keeping the features and topology of the original surface. The proposed algorithm performs an adaptive resampling of the input set, removing unnecessary points to maintain a level of quality defined by the user in the final dataset. The process consists of a recursive partitioning in the input set using Principal Component Analysis (PCA). PCA is applied for defining the successive partitions, for obtaining the linear approximations (planes) for each partition, and for evaluating the quality of those approximations. Finally, the algorithm makes a simple choice of the points to represent the linear approximation of each partition. These points are the final dataset of the simplification process. For result evaluation, a distance metric between polygon meshes, based on Hausdorff distance, was defined, comparing the reconstructed surface using the original point clouds and the reconstructed surface usingthe filtered ones. The algorithm achieved compression rates up to 95% of the input dataset,while reducing the total execution time of reconstruction process, keeping the features and the topology of the original model. The quality of the reconstructed surface using the filtered point cloud is also attested by the distance metric.

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