Através das imagens de fundo do olho, os especialistas em oftalmologia podem detectar possíveis complicações relacionadas ao Diabetes como a diminuição ou até a perda da capacidade de visão. O Edema Macular Diabético (EMD) é uma das complicações que lideram os casos de danos à visão em pessoas em idade de trabalho. Sendo assim, esta tese apresenta métodos para automaticamente identificar os diferentes níveis de gravidade do Edema Macular Diabético visando auxiliar o especialista no diagnóstico dessa patologia. Como resultado final, propõe-se automaticamente e rapidamente identificar, a partir da imagem, se o paciente possui o EMD leve, moderado ou grave. Utilizando imagens de fundo do olho de um banco de dados livremente disponível na internet (ou seja, o DIARETDB1), o método proposto para a identificação automática do EMD obteve uma precisão de 94,29%. Alguns métodos intermediários necessários para a solução desse problema foram propostos e os resultados publicados na literatura científica. / Through color eye fundus images, the eye care specialists can detect possible complications related to diabetes as the vision impairment or vision loss. The Diabetic Macular Edema (DME) is the most common cause of vision damage in working-age people. Therefore, this thesis presents an approach to automatically identify the different levels of severity of diabetic macular edema aiming to assist the expert in the diagnosis of this pathology. As a final result, a methodology to automatically and quickly identify, from the eye fundus image, if a patient has the EMD mild, moderate or severe EMD is proposed. In a preliminary evaluation of our DME grading scheme using publicly available eye fundus images (i.e., DIARETDB1 image database), an accuracy of 94.29% was obtained. Some intermediate methods needed to solve this problem have been proposed and the results published in scientific literature.

Visualizações de grafos para comunicação aparecem numa variedade de contextos que vão do acadêmico-científico até o jornalístico e até mesmo artístico. Diferente de visualizações de grafos para exploração e análise de dados, essas imagens são usadas para “contar uma história” que já se conhece ao invés da “procura de uma nova história” nos dados. Apesar de ser possível usar software para desenho de grafos e edição de diagramas para produzí-las, visualizações feitas dessa forma nem sempre preenchem os requisitos visuais impostos pelos seus contextos de uso. Programas de edição de imagens podem ser usados para fazer as melhorias necessárias, mas nem todas as modificações são possíveis e o processo de editar essas imagens pode exigir muito tempo e esforço. Neste trabalho, apresentamos uma investigação de visualizações nodo-aresta estáticas para comunicação e de como facilitar sua criação. A partir de uma desconstrução dessas imagens, identificando seus elementos essenciais, e analisando como são criadas, derivamos um conjunto de requisitos que ferramentas para a criação dessas visualizações devem preencher. Para verificar o efeito da metodologia na melhora do fluxo de trabalho de designers, com mais poder e flexibilidade, foi concebido e implementado um protótipo chamado GraphCoiffure. Com um foco especial em auxiliar usuários na criação de visualizações para publicação, Graph- Coiffure foi projetado como uma aplicação standalone que seria usada como um passo intermediário entre programas de desenho e edição de grafos e editores gráficos. Ele combina ferramentas para manipulação interativa de layouts com estilização similar a CSS para permitir que usuários criem e editem visualizações nodo-aresta estáticas. Ilustramos o funcionamento de GraphCoiffure com quatro casos de uso: a adaptação do layout de uma visualização para fazê-la funcionar em uma dada página, a reprodução do estilo de uma visualização e sua aplicação em outro grafo, e a criação integral de duas novas visualizações. Para obter feedback sobre GraphCoiffure, conduzimos uma avaliação informal através de entrevistas com três potenciais usuários, que disseram achar que GraphCoiffure beneficiaria seu trabalho. / Graph visualizations for communication appear in a variety of contexts that range from scientific/ academic to journalistic and even artistic. Unlike graph visualizations for exploration and analysis, these images are used to tell a story that is already known rather than to look for a story within the data. Although graph drawing and diagram editing software can be used to produce them, visualizations made this way do not always meet the visual requirements imposed by their context of use. Graphics authoring software can be used to make the necessary improvements, but not all modifications are possible and the process of editing these images may be very time-consuming and labor-intensive. In this work, we present an investigation of static node-link visualizations for communication and how to better support their creation. We began with a deconstruction of these images, breaking them down into their basic elements and analyzing how they are created. From this, we derived a set of requirements that tools aimed at supporting their creation should meet. To verify if taking all of this into account would improve the workflow and bring more flexibility and power to the users, we created our own prototype, which we named GraphCoiffure. With a special emphasis on helping users on creating visualizations for publication, GraphCoiffure was designed as a standalone application that would serve as an intermediary step between graph drawing and editing software and graphics editors. It combines interactive graph layout manipulation tools with CSS-like styling possibilities to let users create and edit static node-link visualizations for communication. We illustrate the use of GraphCoiffure with four use-case scenarios: the adaptation of a visualization’s layout to make it work on a given page, the reproduction of a visualization’s style and its application on another graph, and the creation of two visualizations from scratch. To obtain feedback on GraphCoiffure, we conducted an informal evaluation by interviewing three potential expert users, who found that it could be useful for their work.

Este trabalho introduz um modelo fisiológico para o reflexo pupilar em função das condições de iluminação (Pupil Light Reflex - PLR), e um modelo baseado em imagem para deformação dos padrões da íris. O modelo para PLR expressa o diâmetro da pupila ao longo do tempo e em função da iluminação ambiental, sendo descrito por uma equação diferencial com atraso, adaptando naturalmente o tamanho da pupila a mudanças bruscas de iluminação. Como os parâmetros do nosso modelo são derivados a partir de modelos baseados em experimentos científicos, ele simula corretamente o comportamento da pupila humana para um indivíduo médio. O modelo é então estendido para dar suporte a diferenças individuais e a hippus, além de utilizar modelos para latência e velocidade de dilatação e contração. Outra contribuição deste trabalho é um modelo para deformação realista dos padrões da íris em função da contração e dilatação da pupila. Após capturar várias imagens de íris de diversos voluntários durante diferentes estágios de dilatação, as trajetórias das estruturas das íris foram mapeadas e foi identificado um comportamento médio para as mesmas. Demonstramos a eficácia e qualidade dos resultados obtidos, comparando-os com fotografias e vídeos capturados de íris reais. Os modelos aqui apresentados produzem efeitos foto-realistas e podem ser utilizados para produzir animações preditivas da pupila e da íris em tempo real, na presença de variações na iluminação. Combinados, os dois modelos permitem elevar a qualidade de animações faciais, mais especificamente, animações da íris humana. / This thesis introduces a physiologically-based model for pupil light reflex (PLR) and an image-based model for iridal pattern deformation. The PLR model expresses the pupil diameter as a function of the environment lighting, naturally adapting the pupil diameter even to abrupt changes in light conditions. Since the parameters of the PLR model were derived from measured data, it correctly simulates the actual behavior of the human pupil. The model is extended to include latency, constriction and dilation velocities, individual differences and some constrained random noise to model hippus. The predictability and quality of the simulations were validated through comparisons of modeled results against measured data derived from experiments also described in this work. Another contribution is a model for realist deformation of the iris pattern as a function of pupil dilation and constriction. The salient features of the iris are tracked in photographs, taken from several volunteers during an induced pupil-dilation process, and an average behavior of the iridal features is defined. The effectiveness and quality of the results are demonstrated by comparing the renderings produced by the models with photographs and videos captured from real irises. The resulting models produce high-fidelity appearance effects and can be used to produce real-time predictive animations of the pupil and iris under variable lighting conditions. Combined, the proposed models can bring facial animation to new photorealistic standards.

Nosso trabalho apresenta um modelo de simulação de transtornos de pigmentação humana. Nosso modelo é formado por um conjunto de equações diferenciais que definem um sistema reação-difusão. Nosso sistema simula algumas características do sistema pigmentar humano. Alterações nesse sistema podem levar a desequilíbrios na distribuição de melanina na pele resultando em artefatos conhecidos como lesões de pigmentação. Nosso modelo tem como objetivo reproduzir essas alterações e assim sintetizar lesões de pigmentação humanas. Nosso sistema reação-difusão foi elaborado tomando como base dados biológicos a respeito da pele humana, do sistema pigmentar e do ciclo de vida dos melanócitos, que são as principais células envolvidas nesse tipo de transtorno. A simulação desse tipo de transtorno apresenta diversas aplicações em dermatologia como, por exemplo, suporte para o treinamento de dermatologistas e auxílio no diagnóstico de transtornos de pigmentação. No entanto, nosso trabalho se concentra em aplicações relacionadas com computação gráfica. Assim, nós também apresentamos um método para transferir os resultados do nosso modelo de simulação para texturas e imagens de pele humana. Nesse contexto, o nosso modelo contribui para a geração de texturas de pele mais realistas e consequentemente para a geração de modelos de serem humanos mais realistas. Além disso, nós também comparamos os resultados da nossa simulação com lesões de pigmentações reais objetivando avaliar a qualidade das lesões geradas pelo nosso modelo. Para realizar essa comparação nós extraímos métricas das lesões sintetizadas e das lesões reais e comparamos os valores dessas métricas. Com base nessa comparação, nós observamos que as lesões sintetizadas apresentam as mesmas características das lesões reais. Ainda, para efeito de comparações visuais, nós também apresentamos imagens de lesões reais lado a lado com imagens sintetizadas e podemos observar que o método utilizado para produzir imagens de lesões a partir do resultado do nosso modelo de simulação produz resultados que são indistinguíveis das imagens reais. / Our work presents a simulation model of human pigmentation disorders. Our model is formed by a set of differential equations that defines a reaction-diffusion system. Our system simulates some features of the human pigmentary system. Changes in this system can lead to imbalances in the distribution of melanin in the skin resulting in artifacts known as pigmented lesions. Our model aims to reproduce these changes and consequently synthesize human pigmented lesions. Our reaction-diffusion system was developed based on biological data regarding human skin, pigmentary system and melanocytes life cycle. The melanocytes are the main cells involved in this type of human skin disorders. The simulation of such disorders has many applications in dermatology, for example, to assist dermatologists in diagnosis and training related to pigmentation disorders. However, our study focuses on applications related to computer graphics. Thus, we also present a method to transfer the results of our simulation model for textures and images of human skin. In this context, our model contributes to the generation of more realistic skin textures and consequently for the generation of more realistic human models. Moreover, we also compared the results of our simulation with real pigmented lesions to evaluate the quality of the lesions generated by our model. To perform this comparison we measured some features of real and synthesized pigmented lesions and we compared the results of these measurements. Based on this comparison, we observed that synthesized lesions exhibit the same characteristics of real lesions. Still, for the purpose of visual comparisons, we also present images of real lesions along with images of synthesized lesions. In this visual comparison, we can note that the method used to produce lesions images from the results of our simulation generates images that are indistinguishable from real images.

Esta tese descreve métodos interativos para estimar e compensar erros de refração (NETRA) e opacidades ópticas (CATRA) em sistemas de imageamento usando telas de campos de luz programáveis, de alta resolução e alto contraste. Os novos métodos para oftalmologia computacional descritos aqui podem avaliar câmeras e olhos se o usuário do sistema estiver consciente do modelo de interação. A solução combina elementos ópticos baratos, interfaces interativas e reconstrução computacional. Uma tela de campos de luz, posicionada perto do olho, cria objetos virtuais em profundidades pré-definidas através de várias seções do olho. Via esta plataforma, cria-se uma nova gama de aplicações interativas que é extremamente sensível a aberrações ópticas. A capacidade de focar em um objeto virtual, alinhar padrões exibidos na tela e detectar suas variações de forma e brilho permite ao sistema estimar a função de propagação de ponto de luz para o olho e a acomodação da lente. Enquanto os sistemas convencionais requerem formação especializada, dispositivos caros, procedimentos de segurança sensíveis e normalmente não são móveis, esta tese simplifica o mecanismo, colocando o paciente no centro do teste. Ao final, a resposta do usuário calcula a condição de refração em termos de poderes esférico e cilíndrico, o eixo de astigmatismo, o poder de acomodação da lente e mapas para a opacidade, atenuação, contraste e função de espalhamento de um ponto de luz. O objetivo é permitir que o público em geral opere um sistema de iluminação portátil e obtenha uma compreensão de suas próprias condições visuais. Esta tese apresenta projetos ópticos para software e hardware para oftalmologia computacional. Avaliações com usuários e com câmeras com lentes modificadas são realizadas. Os dados compilados são usados para reconstruir visão afetada do indivíduo, oferecendo uma nova abordagem para capturar informações para o rastreio, diagnóstico e análises clínicas de anomalias visuais. / This thesis proposes light-field pre-warping methods for measuring and compensating for optical aberrations in focal imaging systems. Interactive methods estimate refractive conditions (NETRA) and model lens opacities (CATRA) of interaction-aware eyes and cameras using cost-efficient hardware apps for high-resolution screens. Tailored displays use stereo-viewing hardware to compensate for the measured visual aberrations and display in-focus information that avoids the need of corrective eyeglasses. A light-field display, positioned very close to the eye, creates virtual objects in a wide range of predefined depths through different sectors of the eye’s aperture. This platform creates a new range of interactivity that is extremely sensitive to spatially-distributed optical aberrations. The ability to focus on virtual objects, interactively align displayed patterns, and detect variations in shape and brightness allows the estimation of the eye’s point spread function and its lens’ accommodation range. While conventional systems require specialized training, costly devices, strict security procedures, and are usually not mobile, this thesis simplifies the mechanism by putting the human subject in the loop. Captured data is transformed into refractive conditions in terms of spherical and cylindrical powers, axis of astigmatism, focal range and aperture maps for opacity, attenuation, contrast and sub-aperture point-spread functions. These optical widgets carefully designed to interactive interfaces plus computational analysis and reconstruction establish the field of computational ophthalmology. The overall goal is to allow a general audience to operate portable light-field displays to gain a meaningful understanding of their own visual conditions. Ubiquitous, updated, and accurate diagnostic records can make private and public displays show information in a resolution that goes beyond the viewer’s visual acuity. The new display technology is able to compensate for refractive errors and avoid light-scattering paths. Tailored Displays free the viewer from needing wearable optical corrections when looking at it, expanding the notion of glasses-free multi-focus displays to add individual variabilities. This thesis includes proof-of-concept designs for ophthalmatic devices and tailored displays. User evaluations and validations with modified camera optics are performed. Capturing the daily variabilities of an individual’s sensory system is expected to unleash a new era of high-quality tailored consumer devices.

Este trabalho apresenta uma solução geral para a detecção de alinhamentos de dados em conjuntos multidimensionais não ordenados e ruidosos. Nesta abordagem, o tipo requerido de alinhamento de dados pode ser uma forma geométrica (e.g., linha reta, plano, círculo, esfera, seção cônica, entre outras) ou qualquer estrutura, com dimensionalidade arbitrária, que possa ser caracterizada por um subespaço linear. A detecção é realizada por meio de um procedimento composto por três etapas. Na etapa de inicialização, um espaço de parâmetros com p (n − p) dimensões é definido de modo que cada ponto neste espaço represente uma instância do alinhamento requerido, descrito por um subespaço p-dimensional em um domínio n-dimensional. Em seguida, uma grade de acumuladores é criada como sendo a representação discreta do espaço de parâmetros. Na segunda etapa do procedimento, cada elemento no conjunto de dados de entrada (também um subespaço no domínio n-dimensional) é mapeado para o espaço de parâmetros como os pontos (no espaço de parâmetros) representando os subespaços requeridos que contém ou que estão contidos no elemento de entrada. À medida que os elementos de entrada são mapeados, as células do acumulador relacionadas com o mapeamento são incrementadas pelo valor de importância do elemento mapeado. A etapa final do procedimento recupera os subespaços p-dimensionais que melhor se ajustam aos dados de entrada como sendo os máximos locais na grade de acumuladores. A parametrização proposta é independente das propriedades geométricas dos alinhamentos a serem detectados. Além disso, o procedimento de mapeamento é independente do tipo de dado de entrada e é capaz de se adaptar a elementos com dimensionalidades arbitrárias. Essas características permitem a utilização da técnica (sem a necessidade de modificações) como uma ferramenta para a detecção de padrões em uma grande quantidade de aplicações. Por conta de sua natureza geral, otimizações desenvolvidas para a abordagem proposta beneficiam, de forma imediata, todos os casos de detecção. Neste trabalho eu demonstro uma implementação em software da técnica proposta e mostro que ela pode ser aplicada tanto em casos simples de detecção, quanto na detecção concorrente de tipos diferentes de alinhamentos, com diferentes interpretações geométricas e em conjuntos de dados compostos por vários tipos de elementos. Esta dissertação também apresenta uma extensão do esquema de detecção para dados de entrada com distribuição Gaussiana de incerteza. A extensão proposta produz distribuições de valores mais suaves na grade de acumuladores e faz com que a técnica fique mais robusta à detecção de subespaços espúrios. / This dissertation presents a generalized closed-form framework for detecting data alignments in large unordered noisy multidimensional datasets. In this approach, the intended type of data alignment may be a geometric shape (e.g., straight line, plane, circle, sphere, conic section, among others) or any other structure, with arbitrary dimensionality that can be characterized by a linear subspace. The detection is performed using a three-step process. In the initialization, a p (n − p)-dimensional parameter space is defined in such a way that each point in this space represents an instance of the intended alignment described by a p-dimensional subspace in some n-dimensional domain. In turn, an accumulator array is created as the discrete representation of the parameter space. In the second step each input entry (also a subspace in the n-dimensional domain) is mapped to the parameter space as the set of points representing the intended p-dimensional subspaces that contain or are contained by the entry. As the input entries are mapped, the bins of the accumulator related to such a mapping are incremented by the importance value of the entry. The subsequent and final step retrieves the p-dimensional subspaces that best fit input data as the local maxima in the accumulator array. The proposed parameterization is independent of the geometric properties of the alignments to be detected. Also, the mapping procedure is independent of the type of input data and automatically adapts to entries of arbitrary dimensionality. This allows application of the proposed approach (without changes) in a broad range of applications as a pattern detection tool. Given its general nature, optimizations developed for the proposed framework immediately benefit all the detection cases. I demonstrate a software implementation of the proposed technique and show that it can be applied in simple detection cases as well as in concurrent detection of multiple kinds of alignments with different geometric interpretations, in datasets containing multiple types of data. This dissertation also presents an extension of the general detection scheme to data with Gaussian-distributed uncertainty. The proposed extension produces smoother distributions of values in the accumulator array and makes the framework more robust to the detection of spurious subspaces.

Nosso trabalho apresenta um modelo de simulação de transtornos de pigmentação humana. Nosso modelo é formado por um conjunto de equações diferenciais que definem um sistema reação-difusão. Nosso sistema simula algumas características do sistema pigmentar humano. Alterações nesse sistema podem levar a desequilíbrios na distribuição de melanina na pele resultando em artefatos conhecidos como lesões de pigmentação. Nosso modelo tem como objetivo reproduzir essas alterações e assim sintetizar lesões de pigmentação humanas. Nosso sistema reação-difusão foi elaborado tomando como base dados biológicos a respeito da pele humana, do sistema pigmentar e do ciclo de vida dos melanócitos, que são as principais células envolvidas nesse tipo de transtorno. A simulação desse tipo de transtorno apresenta diversas aplicações em dermatologia como, por exemplo, suporte para o treinamento de dermatologistas e auxílio no diagnóstico de transtornos de pigmentação. No entanto, nosso trabalho se concentra em aplicações relacionadas com computação gráfica. Assim, nós também apresentamos um método para transferir os resultados do nosso modelo de simulação para texturas e imagens de pele humana. Nesse contexto, o nosso modelo contribui para a geração de texturas de pele mais realistas e consequentemente para a geração de modelos de serem humanos mais realistas. Além disso, nós também comparamos os resultados da nossa simulação com lesões de pigmentações reais objetivando avaliar a qualidade das lesões geradas pelo nosso modelo. Para realizar essa comparação nós extraímos métricas das lesões sintetizadas e das lesões reais e comparamos os valores dessas métricas. Com base nessa comparação, nós observamos que as lesões sintetizadas apresentam as mesmas características das lesões reais. Ainda, para efeito de comparações visuais, nós também apresentamos imagens de lesões reais lado a lado com imagens sintetizadas e podemos observar que o método utilizado para produzir imagens de lesões a partir do resultado do nosso modelo de simulação produz resultados que são indistinguíveis das imagens reais. / Our work presents a simulation model of human pigmentation disorders. Our model is formed by a set of differential equations that defines a reaction-diffusion system. Our system simulates some features of the human pigmentary system. Changes in this system can lead to imbalances in the distribution of melanin in the skin resulting in artifacts known as pigmented lesions. Our model aims to reproduce these changes and consequently synthesize human pigmented lesions. Our reaction-diffusion system was developed based on biological data regarding human skin, pigmentary system and melanocytes life cycle. The melanocytes are the main cells involved in this type of human skin disorders. The simulation of such disorders has many applications in dermatology, for example, to assist dermatologists in diagnosis and training related to pigmentation disorders. However, our study focuses on applications related to computer graphics. Thus, we also present a method to transfer the results of our simulation model for textures and images of human skin. In this context, our model contributes to the generation of more realistic skin textures and consequently for the generation of more realistic human models. Moreover, we also compared the results of our simulation with real pigmented lesions to evaluate the quality of the lesions generated by our model. To perform this comparison we measured some features of real and synthesized pigmented lesions and we compared the results of these measurements. Based on this comparison, we observed that synthesized lesions exhibit the same characteristics of real lesions. Still, for the purpose of visual comparisons, we also present images of real lesions along with images of synthesized lesions. In this visual comparison, we can note that the method used to produce lesions images from the results of our simulation generates images that are indistinguishable from real images.

Esta tese descreve métodos interativos para estimar e compensar erros de refração (NETRA) e opacidades ópticas (CATRA) em sistemas de imageamento usando telas de campos de luz programáveis, de alta resolução e alto contraste. Os novos métodos para oftalmologia computacional descritos aqui podem avaliar câmeras e olhos se o usuário do sistema estiver consciente do modelo de interação. A solução combina elementos ópticos baratos, interfaces interativas e reconstrução computacional. Uma tela de campos de luz, posicionada perto do olho, cria objetos virtuais em profundidades pré-definidas através de várias seções do olho. Via esta plataforma, cria-se uma nova gama de aplicações interativas que é extremamente sensível a aberrações ópticas. A capacidade de focar em um objeto virtual, alinhar padrões exibidos na tela e detectar suas variações de forma e brilho permite ao sistema estimar a função de propagação de ponto de luz para o olho e a acomodação da lente. Enquanto os sistemas convencionais requerem formação especializada, dispositivos caros, procedimentos de segurança sensíveis e normalmente não são móveis, esta tese simplifica o mecanismo, colocando o paciente no centro do teste. Ao final, a resposta do usuário calcula a condição de refração em termos de poderes esférico e cilíndrico, o eixo de astigmatismo, o poder de acomodação da lente e mapas para a opacidade, atenuação, contraste e função de espalhamento de um ponto de luz. O objetivo é permitir que o público em geral opere um sistema de iluminação portátil e obtenha uma compreensão de suas próprias condições visuais. Esta tese apresenta projetos ópticos para software e hardware para oftalmologia computacional. Avaliações com usuários e com câmeras com lentes modificadas são realizadas. Os dados compilados são usados para reconstruir visão afetada do indivíduo, oferecendo uma nova abordagem para capturar informações para o rastreio, diagnóstico e análises clínicas de anomalias visuais. / This thesis proposes light-field pre-warping methods for measuring and compensating for optical aberrations in focal imaging systems. Interactive methods estimate refractive conditions (NETRA) and model lens opacities (CATRA) of interaction-aware eyes and cameras using cost-efficient hardware apps for high-resolution screens. Tailored displays use stereo-viewing hardware to compensate for the measured visual aberrations and display in-focus information that avoids the need of corrective eyeglasses. A light-field display, positioned very close to the eye, creates virtual objects in a wide range of predefined depths through different sectors of the eye’s aperture. This platform creates a new range of interactivity that is extremely sensitive to spatially-distributed optical aberrations. The ability to focus on virtual objects, interactively align displayed patterns, and detect variations in shape and brightness allows the estimation of the eye’s point spread function and its lens’ accommodation range. While conventional systems require specialized training, costly devices, strict security procedures, and are usually not mobile, this thesis simplifies the mechanism by putting the human subject in the loop. Captured data is transformed into refractive conditions in terms of spherical and cylindrical powers, axis of astigmatism, focal range and aperture maps for opacity, attenuation, contrast and sub-aperture point-spread functions. These optical widgets carefully designed to interactive interfaces plus computational analysis and reconstruction establish the field of computational ophthalmology. The overall goal is to allow a general audience to operate portable light-field displays to gain a meaningful understanding of their own visual conditions. Ubiquitous, updated, and accurate diagnostic records can make private and public displays show information in a resolution that goes beyond the viewer’s visual acuity. The new display technology is able to compensate for refractive errors and avoid light-scattering paths. Tailored Displays free the viewer from needing wearable optical corrections when looking at it, expanding the notion of glasses-free multi-focus displays to add individual variabilities. This thesis includes proof-of-concept designs for ophthalmatic devices and tailored displays. User evaluations and validations with modified camera optics are performed. Capturing the daily variabilities of an individual’s sensory system is expected to unleash a new era of high-quality tailored consumer devices.

Visualizações de grafos para comunicação aparecem numa variedade de contextos que vão do acadêmico-científico até o jornalístico e até mesmo artístico. Diferente de visualizações de grafos para exploração e análise de dados, essas imagens são usadas para “contar uma história” que já se conhece ao invés da “procura de uma nova história” nos dados. Apesar de ser possível usar software para desenho de grafos e edição de diagramas para produzí-las, visualizações feitas dessa forma nem sempre preenchem os requisitos visuais impostos pelos seus contextos de uso. Programas de edição de imagens podem ser usados para fazer as melhorias necessárias, mas nem todas as modificações são possíveis e o processo de editar essas imagens pode exigir muito tempo e esforço. Neste trabalho, apresentamos uma investigação de visualizações nodo-aresta estáticas para comunicação e de como facilitar sua criação. A partir de uma desconstrução dessas imagens, identificando seus elementos essenciais, e analisando como são criadas, derivamos um conjunto de requisitos que ferramentas para a criação dessas visualizações devem preencher. Para verificar o efeito da metodologia na melhora do fluxo de trabalho de designers, com mais poder e flexibilidade, foi concebido e implementado um protótipo chamado GraphCoiffure. Com um foco especial em auxiliar usuários na criação de visualizações para publicação, Graph- Coiffure foi projetado como uma aplicação standalone que seria usada como um passo intermediário entre programas de desenho e edição de grafos e editores gráficos. Ele combina ferramentas para manipulação interativa de layouts com estilização similar a CSS para permitir que usuários criem e editem visualizações nodo-aresta estáticas. Ilustramos o funcionamento de GraphCoiffure com quatro casos de uso: a adaptação do layout de uma visualização para fazê-la funcionar em uma dada página, a reprodução do estilo de uma visualização e sua aplicação em outro grafo, e a criação integral de duas novas visualizações. Para obter feedback sobre GraphCoiffure, conduzimos uma avaliação informal através de entrevistas com três potenciais usuários, que disseram achar que GraphCoiffure beneficiaria seu trabalho. / Graph visualizations for communication appear in a variety of contexts that range from scientific/ academic to journalistic and even artistic. Unlike graph visualizations for exploration and analysis, these images are used to tell a story that is already known rather than to look for a story within the data. Although graph drawing and diagram editing software can be used to produce them, visualizations made this way do not always meet the visual requirements imposed by their context of use. Graphics authoring software can be used to make the necessary improvements, but not all modifications are possible and the process of editing these images may be very time-consuming and labor-intensive. In this work, we present an investigation of static node-link visualizations for communication and how to better support their creation. We began with a deconstruction of these images, breaking them down into their basic elements and analyzing how they are created. From this, we derived a set of requirements that tools aimed at supporting their creation should meet. To verify if taking all of this into account would improve the workflow and bring more flexibility and power to the users, we created our own prototype, which we named GraphCoiffure. With a special emphasis on helping users on creating visualizations for publication, GraphCoiffure was designed as a standalone application that would serve as an intermediary step between graph drawing and editing software and graphics editors. It combines interactive graph layout manipulation tools with CSS-like styling possibilities to let users create and edit static node-link visualizations for communication. We illustrate the use of GraphCoiffure with four use-case scenarios: the adaptation of a visualization’s layout to make it work on a given page, the reproduction of a visualization’s style and its application on another graph, and the creation of two visualizations from scratch. To obtain feedback on GraphCoiffure, we conducted an informal evaluation by interviewing three potential expert users, who found that it could be useful for their work.

Atualmente, o computador pessoal (PC) moderno poder ser considerado como um cluster heterogênedo de um nodo, o qual processa simultâneamente inúmeras tarefas provenientes das aplicações. O PC pode ser composto por Unidades de Processamento (PUs) assimétricas, como a Unidade Central de Processamento (CPU), composta de múltiplos núcleos, a Unidade de Processamento Gráfico (GPU), composta por inúmeros núcleos e que tem sido um dos principais co-processadores que contribuiram para a computação de alto desempenho em PCs, entre outras. Neste sentido, uma plataforma de execução heterogênea é formada em um PC para efetuar cálculos intensivos em um grande número de dados. Na perspectiva desta tese, a distribuição da carga de trabalho de uma aplicação nas PUs é um fator importante para melhorar o desempenho das aplicações e explorar tal heterogeneidade. Esta questão apresenta desafios uma vez que o custo de execução de uma tarefa de alto nível em uma PU é não-determinístico e pode ser afetado por uma série de parâmetros não conhecidos a priori, como o tamanho do domínio do problema e a precisão da solução, entre outros. Nesse escopo, esta pesquisa de doutorado apresenta um sistema sensível ao contexto e de adaptação em tempo de execução com base em um compromisso entre a redução do tempo de execução das aplicações - devido a um escalonamento dinâmico adequado de tarefas de alto nível - e o custo de computação do próprio escalonamento aplicados em uma plataforma composta de CPU e GPU. Esta abordagem combina um modelo para um primeiro escalonamento baseado em perfis de desempenho adquiridos em préprocessamento com um modelo online, o qual mantém o controle do tempo de execução real de novas tarefas e escalona dinâmicamente e de modo eficaz novas instâncias das tarefas de alto nível em uma plataforma de execução composta de CPU e de GPU. Para isso, é proposto um conjunto de heurísticas para escalonar tarefas em uma CPU e uma GPU e uma estratégia genérica e eficiente de escalonamento que considera várias unidades de processamento. A abordagem proposta é aplicada em um estudo de caso utilizando uma plataforma de execução composta por CPU e GPU para computação de métodos iterativos focados na solução de Sistemas de Equações Lineares que se utilizam de um cálculo de stencil especialmente concebido para explorar as características das GPUs modernas. A solução utiliza o número de incógnitas como o principal parâmetro para a decisão de escalonamento. Ao escalonar tarefas para a CPU e para a GPU, um ganho de 21,77% em desempenho é obtido em comparação com o escalonamento estático de todas as tarefas para a GPU (o qual é utilizado por modelos de programação atuais, como OpenCL e CUDA para Nvidia) com um erro de escalonamento de apenas 0,25% em relação à combinação exaustiva. / A modern personal computer can be now considered as a one-node heterogeneous cluster that simultaneously processes several applications’ tasks. It can be composed by asymmetric Processing Units (PUs), like the multi-core Central Processing Unit (CPU), the many-core Graphics Processing Units (GPUs) - which have become one of the main co-processors that contributed towards high performance computing - and other PUs. This way, a powerful heterogeneous execution platform is built on a desktop for data intensive calculations. In the perspective of this thesis, to improve the performance of applications and explore such heterogeneity, a workload distribution over the PUs plays a key role in such systems. This issue presents challenges since the execution cost of a task at a PU is non-deterministic and can be affected by a number of parameters not known a priori, like the problem size domain and the precision of the solution, among others. Within this scope, this doctoral research introduces a context-aware runtime and performance tuning system based on a compromise between reducing the execution time of the applications - due to appropriate dynamic scheduling of high-level tasks - and the cost of computing such scheduling applied on a platform composed of CPU and GPUs. This approach combines a model for a first scheduling based on an off-line task performance profile benchmark with a runtime model that keeps track of the tasks’ real execution time and efficiently schedules new instances of the high-level tasks dynamically over the CPU/GPU execution platform. For that, it is proposed a set of heuristics to schedule tasks over one CPU and one GPU and a generic and efficient scheduling strategy that considers several processing units. The proposed approach is applied in a case study using a CPU-GPU execution platform for computing iterative solvers for Systems of Linear Equations using a stencil code specially designed to explore the characteristics of modern GPUs. The solution uses the number of unknowns as the main parameter for assignment decision. By scheduling tasks to the CPU and to the GPU, it is achieved a performance gain of 21.77% in comparison to the static assignment of all tasks to the GPU (which is done by current programming models, such as OpenCL and CUDA for Nvidia) with a scheduling error of only 0.25% compared to exhaustive search.