A iluminação indireta é capaz de elevar consideravelmente a qualidade visual de cenas renderizadas, mas é também uma operação custosa. Por este motivo, há muito esforço de pesquisa voltado para a renderização de iluminação indireta em tempo real. Apesar de atualmente existirem técnicas poderosas para a iluminação indireta em tempo real, elas fornecem ao artista apenas um controle grosseiro do equilíbrio entre qualidade e desempenho. Nós propomos uma Malha de Luzes Virtuais para calcular a iluminação indireta difusa numa cena, inspirados pelo uso de outras malhas auxiliares, como Malhas de Navegação e Malhas de Colisão. Uma Malha de Luzes Virtuais (MLV) é uma malha simplificada de luzes poligonais usadas para aproximar a luz refletida pela geometria real. Juntamente com a MLV, nós projetamos uma estrutura de dados de aceleração para atingir um desempenho eficiente com iluminação indireta usando uma MLV complexa. O uso da MLV apresenta algumas características vantajosas: maior controle artístico dos atributos da iluminação indireta; a possibilidade de integração com técnicas existentes como animação esquelética e geração procedural; e integração simples com ferramentas e processos de produção de arte existentes. Nossos resultados experimentais mostram que a iluminação indireta controlada por artistas é uma alternativa viável a métodos existentes. / Indirect illumination on a rendered scene can add a great deal to its visual quality, but it is also a costly operation. Therefore, a lot of research targets how to render indirect illumination in real-time. While powerful techniques for real-time indirect illumination currently exist, they provide only coarse-grained artistic control over the trade-off between quality and speed. We propose a Virtual Light Mesh to compute the scene’s diffuse indirect illumination, inspired by the use of other current auxiliary meshes such as Navigation Meshes and Collision Meshes. A Virtual Light Mesh (VLM) is a simplified mesh of polygonal lights used to approximate the light bounced by the real geometry. Together with the VLM, we design an acceleration data structure for efficient indirect illumination performance with a complex VLM. The use of VLM presents some positive properties: greater artistic control of the indirect illumination characteristics; the possibility of integration with existing techniques such as skeletal animation and procedural generation; and simple integration into existing asset production tools and pipelines. Our experimental results show that artist controlled indirect illumination is a viable alternative to existing methods.

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.

A argamassa de revestimento é um material largamente utilizado na construção civil. Após a década de 90, as construtoras necessitaram introduzir inovação no processo construtivo, como um diferencial de mercado, a fim de aumentar a produtividade e qualidade, juntamente à redução do custo final. Em consequência disso, ao longo do tempo, houve a evolução do subsistema de revestimento, apresentando como maior mudança a substituição da aplicação manual por projeção mecânica. Acredita-se que, devido ao fato desta tecnologia propiciar a redução da interferência da mão de obra e possibilitar o fluxo contínuo durante a execução, permite atingir maior produtividade, qualidade e redução de perdas excessivas. Porém, verifica-se elevada incerteza e variabilidade na produção e aplicação da argamassa em canteiros de obras com a inexistência de controle das variáveis envolvidas ao processo, juntamente à carência de normativas e recomendações para projeção mecânica. Além disso, a falta de controle tecnológico e carência de conhecimento técnico, com elevado grau de empirismo nas etapas do processo resultam, muitas vezes, no desencadeamento de manifestações patológicas e perda de desempenho do revestimento. Sendo assim, buscando-se um melhor entendimento das variáveis existentes no sistema e a influência de sistemas distintos para projeção de argamassas, o principal objetivo desta pesquisa consiste em verificar a influência de variáveis com baixo ou inexistente controle no processo de produção da argamassa em relação às propriedades, no estado fresco e endurecido. Para que seja possível atingir esse objetivo a pesquisa foi dividida em duas etapas: a etapa 1, em campo e em laboratório, e a etapa 2, em laboratório. Na etapa 1, em campo, buscou-se o conhecimento e caracterização das edificações, bem como peculiaridades e práticas executivas adotadas em canteiros de obras. Os resultados desta etapa mostraram a variabilidade na produção e aplicação do revestimento, principalmente relacionado à quantidade de água adicionada e sentido de aplicação. Em relação à etapa 1, em laboratório, foram coletadas e transportadas as argamassas produzidas e utilizadas em canteiros de obra desta etapa, em campo. Foram realizados ensaios de caracterização, no estado fresco e endurecido, a fim de observar a influência da mistura (sistema) e do aumento da vazão. Através deste estudo, verifica-se que distintos sistemas apresentam diferença estatística significativa em algumas propriedades no estado fresco, tais como índice de consistência aos 50 minutos e retenção de água, e endurecido, através do coeficiente de capilaridade e resistência à tração na flexão, da argamassa. Além disso, pode-se afirmar que com o incremento da quantidade de água, apenas o teor de ar incorporado decresce, sendo as demais propriedades diretamente proporcionais ao aumento da vazão. Quanto à etapa 2, em laboratório, foram avaliados três fatores controláveis (vazão, sentido de aplicação e altura do substrato) em relação à resistência de aderência à tração e permeabilidade. Pode-se afirmar que a totalidade dos fatores controláveis estudados, bem como a interação entre a totalidade das variáveis (com nível de confiabilidade de 93%) influenciam na resistência de aderência à tração. Entretanto, em relação à permeabilidade, apenas o efeito isolado da vazão e a interação entre os fatores controláveis exercem influência estatisticamente significativa. / Rendering mortars are widely used in civil construction. In the 1990s, construction companies were pressed to introduce innovations in their processes to gain market advantages, increase quality and productivity and reduce costs. As a result, rendering systems underwent major improvements, the most important of which being the adoption of mechanical shotcrete systems to replace manual processes. As mechanical systems reduce operator interference and offer better flow control during application, they are believed to deliver higher productivity and quality while reducing losses. However, the reality of construction sites still shows that the process is subject to the great variability and uncertainty associated with the lack of standards and guidelines for shotcrete application. In addition, this lack of technological control and the limited technical expertise are compounded by the adoption of empirical approaches, which often result in pathological manifestations and impaired rendering performance. To provide a better understanding of existing variables and the influence of different shotcrete systems, this study investigated the influence of mortar production variables that are subject to no or limited control on the properties of fresh and hardened mortar. The study was designed as a two-phase program, in which phase 1 was carried out both in situ and in the lab and phase 2 in the lab only. In the in situ section of phase 1, information was collected on the features of constructions and on the specific characteristics and application techniques used in construction sites. The results of this stage show huge differences in shotcrete production and application practices, particularly regarding the amount of water added and the direction/orientation of application. In the lab section of phase 1, the mortars collected in the construction sites were taken to the lab for the characterization of fresh and hardened mortar in order to determine the influence of mixing processes (system) and flow rates. The study shows that different systems result in statistically significant differences in some properties of fresh mortars, such as the consistency at 50 minutes and water retention. In the hardened mortar, differences were observed in capillarity coefficients and flexural strength. In addition, it was observed that higher water amounts cause only the entrained air content to decrease, while all other properties increase as the flow rate increases. In stage 2 in the lab three controllable factors were studied (flow, direction/orientation of application, and depth of substrate vis-à-vis bond strength and permeability). It is possible to say that all controllable/control variables studied as well as the interaction between them (with a confidence level of 93%) affect bond strength. However, in the case of permeability only the isolated effect of flow and the interaction between the controllable/control factors have a statistically significant influence.

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 exploração visual dos dutos biliares é de relevante interesse clínico, pois fornece informação relacionada com a Atresia Biliar (AB). A AB é uma doença cujas causas ainda permanecem desconhecidas e que eventualmente leva a um transplante de fígado ou, nos casos mais avançados da doença, leva a óbito do paciente. A única evidência física conhecida até agora da existencia de AB é a obstrução das vias biliares. No entanto, o estudo desta doença tem sido limitado pela incapacidade de analisar o duto biliar de pacientes em estágios precoces da doença e muito pouco se sabe sobre a estrutura interna do duto biliar. Nos últimos anos, a microscopia confocal, uma técnica que permite a obtenção de conjuntos de dados 3D de amostras biológicas, tem sido utilizada em experiências médicas para estudar a estrutura interna e anatômica dos dutos biliares. Neste trabalho, é objetivo apoiar o estudo dessas estruturas através da visualização volumétrica de imagens dos dutos biliares. É proposto um pipeline de fluxo de dados capaz de processar e "renderizar"conjuntos de dados de imagens confocais utilizando o VTK (do inglês The Visualization ToolKit). O pipeline foi construído em duas etapas principais e consecutivas. Uma primeira etapa tem o objetivo de remoção de ruído e realce das estruturas relevantes por meio de filtragem no domínio da freqüência e difusão anisotrópica. O conjunto de dados assim pré-processado é usado com técnicas diretas de visualização de volumes baseadas em funções de transferência para exibir as estruturas dos dutos biliares. Os resultados mostram que a visualização volumétrica em conjunto com um pré-processamento adequado das imagens confocais permite evidenciar as regiões de interesse nos dutos biliares e melhora detalhes que são dificilmente visualizados nos dados originais. / The visual exploration of bile ducts in the liver is of relevant clinical interest, as it provides information related to the Biliary Atresia, a disease of unknown origin, which eventually leads to a liver transplant or ultimately to death. The only physical known evidence of biliary atresia is the obstruction of the bile ducts. However, the study of this disease has been limited by the inability to observe the bile duct in patients at early stages of the disease. Moreover, very little is known about the internal structure of the bile duct. In recent years, confocal microscopy, a technique that allows to obtain 3D image datasets from biological samples, has been used in medical experiments for studying the anatomical internal structure of bile ducts. We are interested in supporting the study of these structures through volumetric visualization of bile ducts images. In this work, we propose a data flow pipeline capable of processing and rendering datasets of confocal images using The Visualization ToolKit - VTK. The pipeline was built as two consecutive stages. We propose a first stage for denoising and enhancing the relevant structures of sample based on filtering in the frequency domain and anisotropic diffusion. We use the dataset preprocessed in this way for applying a direct volume rendering technique in a second stage based on transfer functions to visualize the bile duct structures. Our results have shown that volumetric visualization together with an adequate pre-processing of the confocal images allow experts to visualize the regions of interest in the bile ducts, improving details that are hardly visualized in the original data.

A argamassa é um material largamente utilizado na construção civil, desempenhando diversas funções. Entretanto, muitas falhas vêm sendo observadas nos revestimentos de argamassa, principalmente nas fachadas. O aparecimento de manifestações patológicas em um edifício compromete a sua estética e o conforto ambiental, ocasionando uma desvalorização do mesmo perante o mercado, aumento insatisfação dos usuários e também elevados gastos com reparos e manutenção. Outro problema é a grande incidência de perdas de materiais, que resultam em prejuízos financeiros às empresas, além de acarretar a geração de entulho, que muitas vezes não recebe o devido tratamento e disposição final, tendo um impacto negativo também no meio ambiente. O objetivo dessa dissertação é identificar as causas do baixo desempenho de revestimentos de fachada de argamassa em edifícios e propor diretrizes para melhoria deste processo. Foram desenvolvidos oito estudos de caso em empresas construtoras de Porto Alegre - RS. Para a coleta de dados foram utilizadas várias ferramentas de descrição de processos e de avaliação do seu desempenho.Os principais resultados indicaram uma série de problemas no processo: alta variabilidade nas espessuras de revestimento, nos traços utilizados durante a confecção das argamassas e nos métodos de produção, inclusive dentro de uma mesma obra, elevadas perdas de materiais e de mão-de-obra, baixa produtividade, decorrente do inadequado dimensionamento das equipes de produção e de problemas no sistema de movimentação e armazenamento de materiais, e manifestações patológicas em revestimentos recentemente concluídos. Ao final do trabalho, é proposto um método de avaliação do processo de revestimento de argamassa em fachadas, são identificadas e descritas boas práticas introduzidas pelas empresas e são sugeridas melhorias no processo estudado. / Mortar is a widely used material in various functions in the construction industry. Nevertheless, many fails have been observed in rendering, mainly in façades. The incidence of building pathologies negatively affects its aesthetics and environmental comfort, and may result in a reduction of its market value, low degree of user satisfaction, and also high repair and maintenance costs. Another problem is the high incidence of materials waste, that causes financial losses, as well as generates site waste, which often does not receive an adequate treatment and final disposal, having also a negative impact in the environment. The main objective of this dissertation is to identify the main causes of low performance of building external rendering in mortar and to propose guidelines for improving this process. Case studies were carried out in eight different construction companies form Porto Alegre – RS. Several data collection tools were used for describing the main processes involved and assessing their performance. The investigation pointed out the problems in this process: high variability in rendering thickness, in mortar proportions, and in production methods, even in the same construction site; high percentage of material waste and low labor productivity, due to the inadequate definition of production teams and drawbacks in the material transportation and storage system; and building pathologies in recently concluded rendering. At the end, this study proposes a method for evaluating the process of mortar rendering in façades, identifies and describes best practices introduces by the companies and suggests improvements in that process.

Att rendera stora mängder gräs innebär en hög geometrisk komplexitet för datorer att hantera. Vid genomgång av tidigare studier inom området framkom det att det saknades forskning kring hur polygoner vid skapandet av gräs bör vara strukturerade för en minskad prestandaanvändning och god visuell kvalitet. Denna studie försökte därför besvara några frågeställningar som i stora drag rörde mängden polygoner per 3D-modell, och storleken på dessa. Olika modeller av gräs skapades av vilka några användes i en pilotstudie för att testa undersökningens upplägg.  En större studie genomfördes därefter i form av en praktisk undersökning för att mäta datorprestanda samt en internetbaserad enkät med syfte att studera den visuella kvaliteten hos olika implementationer av gräs. Resultaten indikerade att färre modeller med breda polygonytor är fördelaktigt ur ett prestandaperspektiv medan den visuella kvaliteten förblev oförändrad. Studiens ringa omfång samt problematik kring trovärdigheten hos vissa resultat välkomnar ytterligare forskning.

This thesis explores efficient techniques for high quality real-time rendering of large architectural environments using affordable graphics hardware, as applied to illumination, including window reflections, shadows, and "bump mapping". For each of these fields, the thesis investigates existing methods and intends to provide adequate solutions. The focus lies on the use of new features found in current graphics hardware, making use of new OpenGL extensions and functionality found in Shader Model 3.0 vertex and pixel shaders and the OpenGL 2.0 core. The thesis strives to achieve maximum image quality, while maintaining acceptable performance at an affordable cost. The thesis shows the feasibility of using deferred shading on current hardware and applies high dynamic range rendering with the intent to increase realism. Furthermore, the thesis explains how to use environment mapping to simulate true planar reflections as well as incorporates relevant image post-processing effects. Finally, a shadow mapping solution is provided for the future integration of dynamic geometry.

Simulation of modern battlefield scenarios on consumer PC:s deal with a number of limitations, many of them related to the limited performance of a normal PC compared to workstations and servers. Specifically, the visualization of realistic large scale outdoor environments is problematic because of the large amount of data required to describe its contents. This becomes especially problematic in simulations of fast moving vehicles such as aircrafts, where one needs to maintain high frame rates while having high visual detail for orientation and targeting. This thesis proposes a method of generating realistic outdoor environments from actual geological data and then rendering it efficiently using an improved level of detail algorithm within a proprietary battle simulation framework. We also show how to integrate an open source Flight Dynamics Model (FDM) into the simulation framework for future hybrid simulations involving aircrafts.

Este projeto de pesquisa trata da elaboração de um sistema de reconstrução de imagens obstétricas de fetos, em aparelhos de ultra-som convencionais, para a visualização dessas imagens em três dimensões utilizando a internet como meio de utilização do sistema, com o principal objetivo de proporcionar aos médicos ginecologistas melhor visualização do formato e das estruturas internas, e em especial da face do feto, através do processo de reconstrução tridimensional feito a partir de um conjunto de imagens bidimensionais capturadas em aparelhos convencionais de ultra-som. O uso clínico deste projeto está previsto para o setor de obstetrícia do Hospital das Clínicas de Ribeirão Preto. / This project of research deals with the laboration of a reconstruction system of obstetrics images of embryos in devices of ultrasound will be conventional the visualization of these images in three dimensions using the internet half of uses of the system, with the main objective provides to the medical gynecologists a better visualization of the format and the internal structures and in special the face of the embryo through the made process of three-dimensional reconstruction from a dataset of captured bi-dimensional images in conventional devices of ultrasound. The clinical uses of this project is foreseen will be the sector of obstetrics of the Hospital of the Clinics of Ribeirão Preto.