Neste trabalho, é apresentado um novo modelo de reconstrução tridimensional (3D) para amostras agrícolas com filtragem de Wiener em processamento paralelo, o qual é obtido a partir de reconstruções tomográficas bidimensionais (2D). No desenvolvimento, foram modelados algoritmos paralelos de retroprojeção filtrada e reconstrução tridimensional, baseando-se na inserção de um conjunto de planos virtuais entre pares de planos reais obtidos em ensaios tomográficos de raios X na faixa de energia de 56 keV a 662 keV. No modelo, os planos virtuais gerados em algoritmo paralelo são implementados com base na técnica de interpolação por B-Spline-Wavelet. Para validação do modelo desenvolvido, foi utilizada uma plataforma paralela composta de 4 processadores DSP, a qual possibilitou a troca de dados entre os processadores DSP e o envio de informações para o host, um computador desktop com processador Pentium III operando em 800 MHz. A extração de medidas de eficiência, de ganho e de precisão dos algoritmos paralelos foi realizada com base em um conjunto de amostras agrícolas (solo, vidro e madeiras) e de phantoms de calibração. Nessa avaliação, observou-se que o algoritmo de reconstrução 2D, utilizado como base para o algoritmo de reconstrução 3D, possibilitou uma alta eficiência para imagens de maior resolução, atingindo um pico de 92% de eficiência na resolução de 181X181 pixels. O algoritmo paralelo de reconstrução 3D foi analisado para um conjunto de amostras, sob diferentes configurações de planos reais e virtuais, organizados de forma a possibilitarem a avaliação do impacto causado pelo aumento da granularidade da comunicação e da carga de trabalho. Um melhor desempenho, com ganho médio igual a 3,4, foi obtido na reconstrução de objetos que demandaram o cálculo de um maior número de planos. Também, buscou-se conhecer a adaptabilidade do modelo para uso em arquitetura convencional, sendo que neste caso o uso de MPI permitiu a comunicação entre as tarefas projetadas em cada algoritmo paralelo. Adicionamente, foram incluídas ferramentas de visualização 2D e 3D para que usuários possam analisar as imagens e as características das amostras agrícolas em ambiente tridimensional. Os resultados obtidos indicam que o modelo de reconstrução 3D paralela trouxe contribuições originais para a área de tomografia agrícola aplicada à física de solos, bem como para a criação de ferramentas que viabilizem explorar recursos computacionais disponíveis em arquiteturas paralelas que demandem elevada capacidade de processamento. / This work presents a new method for three dimensional (3D) image reconstruction dedicated to the investigation in soil physics by means of X-ray tomography which is obtained using two-dimensional (2D) tomographic image reconstructed slices. The conception of the 3D model for reconstruction and visualization was based on the filtered back projection algorithm, operating under parallel environment together the insertion of virtual planes between pairs of real planes obtained by X-Ray tomography under energies varying from 56 keV to 662 keV. In this model, the virtual planes were generated by interpolation with the use of B-Spline-Wavelets. The evaluation of the 3D reconstruction model was established by using a set of agricultural samples (i.e., soil, glass, wood and calibration phantoms) having different configuration for the planes. Such configuration was based on setting not only the sizes and the number of the real but also the virtual planes in the volume. This procedure allows the impact measurements as a function of the increasing in workload and the communication granularity. To validate the reconstruction model, a dedicated parallel architecture composed of 4 DSP processors was used. This board enables data exchange between DSP processors and communication with host computer. A measurement of efficiency with a speed up equal to 3.4 was obtained using the same set of samples and a better performance was observed with a higher number of planes. Also, to understand about its adaptability, the model was implemented in conventional architecture, using MPI library to enable communication between designed tasks. Additionally, 2D and 3D visualization tools based on Vizualization ToolKit were included in order to help users to analyze images and their characteristics. Results have shown that the 3D parallel model reconstruction brought original contributions for the soil science diagnosis by X-Ray tomography, as well as to explore the available computational resources in parallel architectures, which demands great processing capacity.

Neste trabalho, é apresentado um novo modelo de reconstrução tridimensional (3D) para amostras agrícolas com filtragem de Wiener em processamento paralelo, o qual é obtido a partir de reconstruções tomográficas bidimensionais (2D). No desenvolvimento, foram modelados algoritmos paralelos de retroprojeção filtrada e reconstrução tridimensional, baseando-se na inserção de um conjunto de planos virtuais entre pares de planos reais obtidos em ensaios tomográficos de raios X na faixa de energia de 56 keV a 662 keV. No modelo, os planos virtuais gerados em algoritmo paralelo são implementados com base na técnica de interpolação por B-Spline-Wavelet. Para validação do modelo desenvolvido, foi utilizada uma plataforma paralela composta de 4 processadores DSP, a qual possibilitou a troca de dados entre os processadores DSP e o envio de informações para o host, um computador desktop com processador Pentium III operando em 800 MHz. A extração de medidas de eficiência, de ganho e de precisão dos algoritmos paralelos foi realizada com base em um conjunto de amostras agrícolas (solo, vidro e madeiras) e de phantoms de calibração. Nessa avaliação, observou-se que o algoritmo de reconstrução 2D, utilizado como base para o algoritmo de reconstrução 3D, possibilitou uma alta eficiência para imagens de maior resolução, atingindo um pico de 92% de eficiência na resolução de 181X181 pixels. O algoritmo paralelo de reconstrução 3D foi analisado para um conjunto de amostras, sob diferentes configurações de planos reais e virtuais, organizados de forma a possibilitarem a avaliação do impacto causado pelo aumento da granularidade da comunicação e da carga de trabalho. Um melhor desempenho, com ganho médio igual a 3,4, foi obtido na reconstrução de objetos que demandaram o cálculo de um maior número de planos. Também, buscou-se conhecer a adaptabilidade do modelo para uso em arquitetura convencional, sendo que neste caso o uso de MPI permitiu a comunicação entre as tarefas projetadas em cada algoritmo paralelo. Adicionamente, foram incluídas ferramentas de visualização 2D e 3D para que usuários possam analisar as imagens e as características das amostras agrícolas em ambiente tridimensional. Os resultados obtidos indicam que o modelo de reconstrução 3D paralela trouxe contribuições originais para a área de tomografia agrícola aplicada à física de solos, bem como para a criação de ferramentas que viabilizem explorar recursos computacionais disponíveis em arquiteturas paralelas que demandem elevada capacidade de processamento. / This work presents a new method for three dimensional (3D) image reconstruction dedicated to the investigation in soil physics by means of X-ray tomography which is obtained using two-dimensional (2D) tomographic image reconstructed slices. The conception of the 3D model for reconstruction and visualization was based on the filtered back projection algorithm, operating under parallel environment together the insertion of virtual planes between pairs of real planes obtained by X-Ray tomography under energies varying from 56 keV to 662 keV. In this model, the virtual planes were generated by interpolation with the use of B-Spline-Wavelets. The evaluation of the 3D reconstruction model was established by using a set of agricultural samples (i.e., soil, glass, wood and calibration phantoms) having different configuration for the planes. Such configuration was based on setting not only the sizes and the number of the real but also the virtual planes in the volume. This procedure allows the impact measurements as a function of the increasing in workload and the communication granularity. To validate the reconstruction model, a dedicated parallel architecture composed of 4 DSP processors was used. This board enables data exchange between DSP processors and communication with host computer. A measurement of efficiency with a speed up equal to 3.4 was obtained using the same set of samples and a better performance was observed with a higher number of planes. Also, to understand about its adaptability, the model was implemented in conventional architecture, using MPI library to enable communication between designed tasks. Additionally, 2D and 3D visualization tools based on Vizualization ToolKit were included in order to help users to analyze images and their characteristics. Results have shown that the 3D parallel model reconstruction brought original contributions for the soil science diagnosis by X-Ray tomography, as well as to explore the available computational resources in parallel architectures, which demands great processing capacity.

Esta tese apresenta um estudo de solos colapsíveis utilizando provas de carga em placas executados com inundação da cava. Durante o ensaio a sucção foi monitorada com tensiômetros instalados em cinco profundidades distintas. A inundação da cava foi também monitorada pelo uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo. Desta forma pode-se acompanhar a evolução da frente de infiltração e da sucção durante todas as fases do ensaio. Foi introduzido também o uso da tomografia computadorizada para registrar as alterações causadas no solo pelo carregamento e posterior inundação. O acompanhamento da frente de infiltração durante o ensaio foi importante para conhecer a profundidade de influência do colapso no maciço do solo. De posse dos valores de sucção, foi possível a utilização de modelos para solo não saturado para verificar a sua aplicabilidade na previsão de comportamento de estruturas de fundação. A tomografia computadorizada forneceu informações a respeito da distribuição de massa específica do solo antes e depois do carregamento, permitindo concluir que a região mais afetada pelo colapso se restringe a 0,25 D. / This thesis presents a soil collapse study using plate load tests performed with soaking the test pit. During the test suction was monitored by tensiometers embedded at five different depths. Thus, it was possible to follow the wetting front and suction evolution all over the tests stages. lt was also introduced the computerized tomography technique to record the soil changing caused by loading and wetting. Monitoring the wetting front during the test was important to know the influence depth of collapse at soil mass. Having the suction values it was possible to use behaviour models of unsaturated soils to verity their applicability on predicting foundations structure settlements. The computerized tomography yields informations about soil unit weight distribution before and after loading, allowing concludes that collapse most affected region is restrained up to 0.25 D.

Esta tese apresenta um estudo de solos colapsíveis utilizando provas de carga em placas executados com inundação da cava. Durante o ensaio a sucção foi monitorada com tensiômetros instalados em cinco profundidades distintas. A inundação da cava foi também monitorada pelo uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo. Desta forma pode-se acompanhar a evolução da frente de infiltração e da sucção durante todas as fases do ensaio. Foi introduzido também o uso da tomografia computadorizada para registrar as alterações causadas no solo pelo carregamento e posterior inundação. O acompanhamento da frente de infiltração durante o ensaio foi importante para conhecer a profundidade de influência do colapso no maciço do solo. De posse dos valores de sucção, foi possível a utilização de modelos para solo não saturado para verificar a sua aplicabilidade na previsão de comportamento de estruturas de fundação. A tomografia computadorizada forneceu informações a respeito da distribuição de massa específica do solo antes e depois do carregamento, permitindo concluir que a região mais afetada pelo colapso se restringe a 0,25 D. / This thesis presents a soil collapse study using plate load tests performed with soaking the test pit. During the test suction was monitored by tensiometers embedded at five different depths. Thus, it was possible to follow the wetting front and suction evolution all over the tests stages. lt was also introduced the computerized tomography technique to record the soil changing caused by loading and wetting. Monitoring the wetting front during the test was important to know the influence depth of collapse at soil mass. Having the suction values it was possible to use behaviour models of unsaturated soils to verity their applicability on predicting foundations structure settlements. The computerized tomography yields informations about soil unit weight distribution before and after loading, allowing concludes that collapse most affected region is restrained up to 0.25 D.