Submitted by Almir Azevedo (barbio1313@gmail.com) on 2014-01-15T11:47:51Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2008_01.pdf: 3016466 bytes, checksum: bb586efd91679250bca2c81f8378b062 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-01-15T11:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2008_01.pdf: 3016466 bytes, checksum: bb586efd91679250bca2c81f8378b062 (MD5) Previous issue date: 2008 / A busca de soluções de hardware e softwares de alto desempenho e baixo custo sempre norteia os trabalhos no Laboratório de Computação Paralela do IEN. Nesse contexto, esse trabalho discorre sobre a construção de programas de visualização de simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD) utilizando o software aberto OpenDx. Os programas desenvolvidos são úteis para a geração de imagens e vídeos em 2 e 3 dimensões, são interativos, de fácil utilização pelo usuário e visam atender às necessidades dos pesquisadores de dinâmica dos fluidos. No presente trabalho é feita uma descrição detalhada da construção de programas, das instituições de uso e do OpenDx como ferramenta de desenvolvimento. As descrições acompanham exemplos que ajudam o leitor a compreender o alcance das aplicações desses programas. / The search for high performance and low cost hardware and software solutions always guides the developments performed at the IEN parallel computing laboratory. In this context, this dissertation about the building of programs for visualization of computational fluid dynamics (CFD) simulations using the open source software Open Dx was written. The programs developed are useful to produce videos and images in two or three dimensions. They are interactive, easily to use and were designed to serve fluid dynamics researchers. A detailed description about how this programs were developed and the complete instructions of how to use them was done. The use of OpenDx as development tool is also introduced. There are examples that help the reader to understand how programs can be useful for many applications

Estruturas de dados volumétricas são de extrema utilidade em várias aplicações, e em particular na área de Visualização Científica. Essas estruturas são úteis em duas etapas do processo de visualização. A primeira é na representação de dados, isto é, de informações associadas aos valores, medidos ou simulados, os quais se deseja visualizar. A outra fase que necessita de uma estrutura de dados é a fase de exploração, ou seja, o modelo criado é usado tanto para exploração interativa quanto para a realização de simulações sobre o mesmo, por exemplo, numa cirurgia virtual. Está em desenvolvimento no ICMC, uma estrutura de dados volumétrica, chamada Singular Half-Face, que tem como característica a modelagem explícita das singularidades presentes no modelo, além de outros elementos topológicos. Este trabalho de mestrado visa testar a viabilidade da estrutura num contexto de visualização em fluxo de dados, incorporando-a à biblioteca gráfica de visualização Visualization ToolKit (VTK), que possui definição extremamente pobre da topologia dos objetos que representa. Adicionando essa nova classe e realizando sobre ela técnicas convencionais de visualização e exploração de dados, é estudada sua capacidade de apoiar todas as fases do processo de visualização. / Volumetric data structures are of extreme utility in various applications, and particularly in the area of Scientific Visualization. These structures are useful in two stages of the visualization process. The first one is in data representation, that is, in the organization of information associated with the values, measured or simulated, to be visualized. The other phase of the visualization data flow that needs a data structure is the exploration phase. It would be useful to have a model designed to be used both for interactive exploration and for simulation in a number of application, for example, in virtual surgery. A volumetric data structure, named Singular Half-Face (SHF) is being developed at the ICMC, that has as its main characteristic the explicit modeling of singularities present in the model, besides other essential topological elements. This dissertation aims at testing the viability of this structure in a context of visualization in data flow, by incorporating it in the Visualization ToolKit (VTK) class library, whose data structures are extremely poor in definition of the topology of the objects that they represent. By adding SHF to this library and carrying out conventional visualization and data exploration on it, we wish to study its support to all the phases of the visualization process.

O aumento do poder computacional e conseqüente desenvolvimento das técnicas de simulação numérica, aliados ao avanço tecnológico dos periféricos de medição, fizeram com que muitas áreas de pesquisa, passassem a necessitar de ferramentas gráficas e de auxílio computacional para apoiar o processo de interpretação das informações geradas. A aplicação de técnicas gráficas para ampliar a capacidade de interpretação de dados científicos tem sido denominada visualização em computação científica (ViSC - Visualization in Scientific Computing). Modelos aerodinâmicos construídos no laboratório, foram simulados em software numérico de método dos painéis e submetidos a rotinas desenvolvidas em C++ as quais serviram de superfície para uma ferramenta do tipo biblioteca, de baixo custo, muito utilizada em universidades do mundo todo, chama VTK (Visualization Tool Kit), que possui elementos gráficos para a geração de visualizações de qualquer tipo de dados. Esses códigos em C++ são responsáveis pelos tipos de visualização gerados e principalmente por permitir o uso da ferramenta. As visualizações de distribuição de pressão e isolinhas nas superfícies dos modelos são de suma importância na identificação de problemas aerodinâmicos possibilitando correções e modificações antes mesmo de o modelo ser construído. / The increase of computational power and the technical development of numerical are responsible for the creation of many new areas that use graphics tools and computational aid for the interpretation of the information generated. The application of graphics techniques to increase the capability of scientific interpretation is called ViSC or Visualization in Scientific Computation. Laboratory built freeflight and wind tunnel models were calculated using numerical software and submitted to routines developed in C++ language which produced various types of visualization while using VTK. Visualization of pressure distributions and streamlines on the model surfaces are important for identification of aerodynamic problems and making corrections and modifications possible before the construction of the physical model.

Direct volume rendering has become a popular technique for visualizing volumetric data from sources such as scientific simulations, analytic functions, and medical scanners, among others. Volume rendering algorithms, such as raycasting, can produce high-quality images, however, the use of raycasting has been limited due to its high demands on computational power and memory bandwidth. In this paper, we propose a new implementation of the raycasting algorithm that takes advantage of the highly parallel architecture of the Cell Broadband Engine processor, with 9 heterogeneous cores, in order to allow interactive raycasting of irregular datasets. All the computational power of the Cell BE processor, though, comes at the cost of a different programming model. Applications need to be rewritten in order to explore the full potential of the Cell processor, which requires using multithreading and vectorized code. In our approach, we tackle this problem by distributing ray computations using the visible faces, and vectorizing the lighting integral operations inside each core. Our experimental results show that we can obtain good speedups reducing the overall rendering time significantly. / A renderização de volume direta tornou-se uma técnica popular para visualização volumétrica de dados extraídos de fontes como simulações científicas, funções analíticas, scanners médicos, entre outras. Algoritmos de renderização de volume, como o raycasting, produzem imagens de alta qualidade. O seu uso, contudo, é limitado devido à alta demanda de processamento computacional e o alto uso de memória. Nesse trabalho, propomos uma nova implementação do algoritmo de raycasting que aproveita a arquitetura altamente paralela do processador Cell Broadband Engine, com seus 9 núcleos heterogêneos, que permitem renderização eficiente em malhas irregulares de dados. O poder computacional do processador Cell BE demanda um modelo de programação diferente. Aplicações precisam ser reescritas para explorar o potencial completo do processador Cell, que requer o uso de multithreading e código vetorizado. Em nossa abordagem, enfrentamos esse problema distribuindo a computação de cada raio incidente nas faces visíveis do volume entre os núcleos do processador, e vetorizando as operações da integral de iluminação em cada um. Os resultados experimentais mostram que podemos obter bons speedups reduzindo o tempo total de renderização de forma significativa.

Direct volume rendering has become a popular technique for visualizing volumetric data from sources such as scientific simulations, analytic functions, and medical scanners, among others. Volume rendering algorithms, such as raycasting, can produce high-quality images, however, the use of raycasting has been limited due to its high demands on computational power and memory bandwidth. In this paper, we propose a new implementation of the raycasting algorithm that takes advantage of the highly parallel architecture of the Cell Broadband Engine processor, with 9 heterogeneous cores, in order to allow interactive raycasting of irregular datasets. All the computational power of the Cell BE processor, though, comes at the cost of a different programming model. Applications need to be rewritten in order to explore the full potential of the Cell processor, which requires using multithreading and vectorized code. In our approach, we tackle this problem by distributing ray computations using the visible faces, and vectorizing the lighting integral operations inside each core. Our experimental results show that we can obtain good speedups reducing the overall rendering time significantly. / A renderização de volume direta tornou-se uma técnica popular para visualização volumétrica de dados extraídos de fontes como simulações científicas, funções analíticas, scanners médicos, entre outras. Algoritmos de renderização de volume, como o raycasting, produzem imagens de alta qualidade. O seu uso, contudo, é limitado devido à alta demanda de processamento computacional e o alto uso de memória. Nesse trabalho, propomos uma nova implementação do algoritmo de raycasting que aproveita a arquitetura altamente paralela do processador Cell Broadband Engine, com seus 9 núcleos heterogêneos, que permitem renderização eficiente em malhas irregulares de dados. O poder computacional do processador Cell BE demanda um modelo de programação diferente. Aplicações precisam ser reescritas para explorar o potencial completo do processador Cell, que requer o uso de multithreading e código vetorizado. Em nossa abordagem, enfrentamos esse problema distribuindo a computação de cada raio incidente nas faces visíveis do volume entre os núcleos do processador, e vetorizando as operações da integral de iluminação em cada um. Os resultados experimentais mostram que podemos obter bons speedups reduzindo o tempo total de renderização de forma significativa.

O aumento do poder computacional e conseqüente desenvolvimento das técnicas de simulação numérica, aliados ao avanço tecnológico dos periféricos de medição, fizeram com que muitas áreas de pesquisa, passassem a necessitar de ferramentas gráficas e de auxílio computacional para apoiar o processo de interpretação das informações geradas. A aplicação de técnicas gráficas para ampliar a capacidade de interpretação de dados científicos tem sido denominada visualização em computação científica (ViSC - Visualization in Scientific Computing). Modelos aerodinâmicos construídos no laboratório, foram simulados em software numérico de método dos painéis e submetidos a rotinas desenvolvidas em C++ as quais serviram de superfície para uma ferramenta do tipo biblioteca, de baixo custo, muito utilizada em universidades do mundo todo, chama VTK (Visualization Tool Kit), que possui elementos gráficos para a geração de visualizações de qualquer tipo de dados. Esses códigos em C++ são responsáveis pelos tipos de visualização gerados e principalmente por permitir o uso da ferramenta. As visualizações de distribuição de pressão e isolinhas nas superfícies dos modelos são de suma importância na identificação de problemas aerodinâmicos possibilitando correções e modificações antes mesmo de o modelo ser construído. / The increase of computational power and the technical development of numerical are responsible for the creation of many new areas that use graphics tools and computational aid for the interpretation of the information generated. The application of graphics techniques to increase the capability of scientific interpretation is called ViSC or Visualization in Scientific Computation. Laboratory built freeflight and wind tunnel models were calculated using numerical software and submitted to routines developed in C++ language which produced various types of visualization while using VTK. Visualization of pressure distributions and streamlines on the model surfaces are important for identification of aerodynamic problems and making corrections and modifications possible before the construction of the physical model.

Estruturas de dados volumétricas são de extrema utilidade em várias aplicações, e em particular na área de Visualização Científica. Essas estruturas são úteis em duas etapas do processo de visualização. A primeira é na representação de dados, isto é, de informações associadas aos valores, medidos ou simulados, os quais se deseja visualizar. A outra fase que necessita de uma estrutura de dados é a fase de exploração, ou seja, o modelo criado é usado tanto para exploração interativa quanto para a realização de simulações sobre o mesmo, por exemplo, numa cirurgia virtual. Está em desenvolvimento no ICMC, uma estrutura de dados volumétrica, chamada Singular Half-Face, que tem como característica a modelagem explícita das singularidades presentes no modelo, além de outros elementos topológicos. Este trabalho de mestrado visa testar a viabilidade da estrutura num contexto de visualização em fluxo de dados, incorporando-a à biblioteca gráfica de visualização Visualization ToolKit (VTK), que possui definição extremamente pobre da topologia dos objetos que representa. Adicionando essa nova classe e realizando sobre ela técnicas convencionais de visualização e exploração de dados, é estudada sua capacidade de apoiar todas as fases do processo de visualização. / Volumetric data structures are of extreme utility in various applications, and particularly in the area of Scientific Visualization. These structures are useful in two stages of the visualization process. The first one is in data representation, that is, in the organization of information associated with the values, measured or simulated, to be visualized. The other phase of the visualization data flow that needs a data structure is the exploration phase. It would be useful to have a model designed to be used both for interactive exploration and for simulation in a number of application, for example, in virtual surgery. A volumetric data structure, named Singular Half-Face (SHF) is being developed at the ICMC, that has as its main characteristic the explicit modeling of singularities present in the model, besides other essential topological elements. This dissertation aims at testing the viability of this structure in a context of visualization in data flow, by incorporating it in the Visualization ToolKit (VTK) class library, whose data structures are extremely poor in definition of the topology of the objects that they represent. By adding SHF to this library and carrying out conventional visualization and data exploration on it, we wish to study its support to all the phases of the visualization process.

Este trabalho apresenta o Animbs (Animation for MBS), um sistema capaz de visualizar dados gerados por um sistema de simulação de engenharia (SD/FAST) na forma de animações por computador. SD/FAST é um sistema utilizado para o modelamento e a simulação de sistemas mecânicos multicorpos (MBS). O sistema Animbs permite a associação de uma geometria ao MBS sendo simulado e utiliza os dados produzidos pela simulação do SD/FAST para criar uma animação do comportamento do sistema mecânico e, dessa forma, melhorar a análise de dados feita pelos usuários do SD/FAST. / This work presents Animbs (Animation for MBS), a software that enables the visualization of data generated by an engineering simulation system (SD/FAST) in the form of computer animation. SD/FAST is a system for modeling and simulation of multibody systems (MBS). The Animbs system allows the association of a geometry to the MBS being simulated, and uses the data produced by the SD/FAST simulation to create an animated view of the MBS behavior, thus providing support for enhanced data analysis by users of SD/FAST.

Este trabalho apresenta o Super Spider: um sistema de exploração visual baseado no Spider Cursor, que abrange várias técnicas interativas da área de Visualização Computacional e conta com novos recursos de auxílio à investigação visual, além de ser uma ferramenta portável e flexível. / This work presents the Super Spider: a visual exploration system, based on Spider Cursor, that embraces many interactive techniques of Computer Visualization area and take into account innovative techniques to aid visual investigation, besides consisting of a portable and flexible tool.

Nas últimas décadas, observou-se um interesse crescente por aplicações de técnicas de dinâmica de fluidos na geração de efeitos visuais para a indústria cinematográfica e de jogos eletrônicos. Estas aplicações fazem parte da chamada Animação Computacional de Fluidos; a qual é uma área multidisciplinar, envolvendo também conceitos e métodos em computação gráfica e visualização científica. Nesta área, uma vez resolvidas numericamente as equações de fluidos, passa-se à fase de rendering, onde técnicas de visualização são aplicadas sobre os campos gerados, com o objetivo de criar efeitos visuais, tais como transparência, imagens refletidas na superfície de um líquido, ou mesmo, efeitos especiais que incluem deformação de paisagens, incêndios, etc. O métodos de Diferenças Finitas é o mais tradicional em trabalhos de animação de fluidos em computação gráfica. Nos últimos anos, porém, métodos baseados em sistemas de partículas, e livres de malhas, tais como o Smoothed Particle Hydrodinamics (SPH), foram utilizados na tentativa de resolver limitações inerentes aos métodos baseados em malhas. Por outro lado, métodos baseados em uma classe de autômatos celulares (AC), cuja evolução imita um sistema de partículas, vêm sendo também estudados como uma alternativa ao uso de equações diferenciais parciais e métodos numéricos para simulação de fluidos. Nesta tese, são estudados os aspectos teóricos e práticos da animação computacional de fluidos para computação gráfica, utilizando autômatos celulares e SPH. São propostos dois modelos para animação de sistemas bifásicos (gás-líquido, por exemplo), um deles baseado em SPH e AC, e um segundo totalmente baseado em AC. Finalmente, descrevemos um aplicativo, desenvolvido no âmbito desta tese, para animação de fluidos via AC. / The past two decades showed a rapid growing of physically-based modeling of fluids for computer graphics applications. Techniques in the field of Computational Fluid Dynamics (CFD) have been applied for realistic fluid animation for virtual surgery simulators, computer games and visual effects. In this approach, since the equation is solved numerically the next step is the rendering. A majority of fluid animation methods in computer graphics rely on a top down viewpoint that uses 2D/3D mesh based approaches motivated by the Eulerian methods of Finite Element (FE) and Finite Difference (FD), in conjunction with Navier-Stokes equations of fluids. Recently mesh-free methods like Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) have been applied. On the other hand, cellular automata (CA) are discrete models based on point particles that move on a lattice, according to suitable and simple rules in order to mimic a fully molecular dynamics. Such bottom-up framework needs low computational resources for both the memory allocation and the computation itself. In this work, we study the theoretical and practice aspects for computational animation of fluids in computer graphics, using cellular automata and SPH. We propose two models for animation of two-phase systems (e.g. gas-liquid), one based on SPH and CA and another only on CA. Finally, we describe a software developed in the context of this thesis for animation of fluids by CA.