[pt] A representação de formas é um problema fundamental em Computação Gráfica. Dentre as representações conhecidas para objetos tridimensionais, os campos de distância amostrados adaptativamente (ADFs) destacam-se por sua versatilidade. ADFs combinam os conceitos de geometria com dados volumétricos, permitem representar objetos com precisão arbitrária, e consolidam diversas operações como visualização, modelagem de níveis de detalhe, detecção de colisão, testes de proximidade, metamorfose e operações booleanas em uma única representação. Este trabalho propõe métodos para acelerar a reconstrução de ADFs estáticas, melhorar a qualidade dos campos reconstruídos, e visualizar iso-superfícies das ADFs, valendo-se do enorme poder computacional encontrado nas placas gráficas modernas (GPUs). Para que as ADFs sejam representadas de forma eficiente em placas gráficas, propõe-se o uso de uma estrutura hierárquica baseada em dispersão espacial perfeita. A renderização de ADFs é feita integralmente pela GPU, utilizando uma técnica de lançamento de raios baseada em traçado por esferas. Uma maneira de tratar as descontinuidades C0 e C1 inerentes às ADFs é sugerida para que o sombreamento das superfícies seja suave. Finalmente, o trabalho propõe um novo método de reconstrução para ADFs, capaz de representar melhor superfícies curvas. Os resultados são apresentados através de aplicações simples de visualização interativa, com ADFs geradas a partir de malhas de triângulos e sólidos primitivos. / [en] Shape representation is a fundamental problem in Computer Graphics. Among known representations for three-dimensional objects, adaptively sampled distance fields (ADFs) are noted for their versatility. ADFs combine the concepts of geometry with volume data, allow objects to be represented with arbitrary precision, and consolidate several operations - such as visualization, level-of-detail modeling, collision detection, proximity tests, morphing and boolean operations | into a single representation. This work proposes methods to accelerate the reconstruction of static ADFs, to improve the quality of reconstructed fields, and to visualize ADF isosurfaces, making use of the massive computational power found in modern graphics hardware (GPUs). In order to effciently represent ADFs on graphics cards, a hierarchical structure based on perfect spatial hashing is proposed. Rendering of ADFs is done completely on GPUs, using a ray casting technique based on sphere tracing. Means to overcome the C0 and C1 discontinuities inherent to ADFs are suggested in order to attain smoothly shaded iso-surfaces. Finally, a new reconstruction method for ADFs, which can better represent curved surfaces, is proposed. Results are presented through simple interactive visualization applications, with ADFs generated from both triangle meshes and primitive solids.

[pt] O processo de renderização fotoreal para cinema e TV demanda, cada vez mais, poder de processamento, necessitando não só de algoritmos paralelos, bem como sistema de distribuição de tarefas. No entanto, mesmo em sistemas de produção, o tempo necessário para avaliar uma animação pode chegar a vários dias, dificultando a melhoria da qualidade artística e limitando alterações. Neste trabalho foca-se na otimização de três processos inerentes à renderização, a renderização local, na qual o sistema trabalha para renderizar um conjunto de pixels de forma otimizada, aproveitando os recursos de hardware disponíveis e aproveitando dados de renderizações previamente realizadas, pelo nó ou teste. O processo de gerenciamento, extremamente crítico para o resultado, é alterado para não só distribuir, mas analisar toda a infraestrutura de renderização, otimizando o processo de distribuição e permitindo o estabelecimento de metas como prazo e custo. Além disso, o modelo de gerenciamento é expandido para a nuvem, utilizando-a como transbordo de processamento. Ainda, um novo processo foi criado para avaliar a renderização de forma colaborativa, onde cada nó comunica resultados parciais e assim otimiza a renderização de outros. Por fim, diversas técnicas inovadoras foram criadas para melhorar o processo como um todo, removendo desperdícios e reaproveitando trabalho. / [en] The photorealistic rendering process for cinema and TV increasingly demands processing power, requiring fast parallel algorithms and effective task distribution systems. However, the processes currently used by the academia and by the industry still consume several days to evaluate an animation in super-resolution (typically 8K), what makes difficult the improvement of artistic quality and limits the number of experiments with scene parameters. In this work, we focus on the optimization of three processes involved in photorealistic rendering, reducing the total time of rendering substantially. Firstly, we optimize the local rendering, in which the system works to render a set of pixels optimally, taking advantage of the available hardware resources and using previous rendering data. Secondly, we optimize the management process, which is changed not only to distribute frames but also to analyze all the rendering infrastructure, optimizing the distribution process and allowing the establishment of goals as time and cost. Furthermore, the management model is expanded to the cloud, using the cloud as a processing overflow. Thirdly, we propose a new optimized process to evaluate the rendering task collaboratively, where each node communicates partial results to other nodes, allowing the optimization of the rendering process in all nodes. Altogether, this thesis is an innovative proposal to improve the whole process of high-performance rendering, removing waste of resources and reducing rework.

[pt] Este trabalho apresenta um novo sistema de renderização distribuída destinado ao uso em agrupamentos de PCs. É feita uma extensão à linha de produção gráfica convencional para uma linha de produção gráfica distribuída, que pelo uso de múltiplas linhas de execução permite paralelizar as operações feitas na CPU, na GPU e na rede que interliga os PCs do agrupamento. Este sistema serviu de base para a implementação e o teste de três arquiteturas para renderização distribuída: uma arquitetura com ordenação no início, uma arquitetura com ordenação no fim para renderização volumétrica e uma arquitetura híbrida que tenta combinar as vantagens da ordenação no início e da ordenação no fim. É apresentado um novo algoritmo de balanceamento de carga baseado nos tempos de renderização do quadro anterior. O algoritmo é de implementação muito simples e funciona bem tanto em aplicações com gargalo na geometria quanto em aplicações com gargalo na rasterização. Este trabalho também propõe uma estratégia de distribuição de trabalho entre os computadores de renderização do agrupamento que usa eficientemente os recursos gráficos disponíveis, melhorando assim o desempenho da renderização. Um novo algoritmo de partição paralela do modelo entre os computadores do agrupamento é proposto para a arquitetura híbrida. / [en] This work presents a new distributed rendering system destined for PC clusters. The conventional graphics pipeline is extended to a distributed pipeline that parallelizes the operations done on the CPU, the GPU and the network by using multiple threads. This system was the base for the implementation of three distributed rendering architectures: a sort-first architecture, a sort-last architecture for volume rendering, and a hybrid architecture that seeks to combine the advantages of both sort-first and sortlast architectures. A new load-balancing algorithm based on the rendering times of the previous frame is proposed. The algorithm is very simple to be implemented and works well for both geometry- and rasterization-bound models. A new strategy to assign tiles to rendering nodes is proposed which effectively uses the available graphics resources, thus improving rendering performance. A new parallel model partition algorithm is proposed for the hybrid architecture.

[pt] Importantes aplicações de engenharia usam malhas não estruturadas de hexaedros para simulações numéricas. Células hexaédricas, comparadas com tetraedros, tendem a ser mais numericamente estáveis e requerem um menor refinamento da malha. Entretando, visualização volumétrica de malhas não estruturadas é um desafio devido a variação trilinear do campo escalar dentro da célula. A solução convencional consiste em subdividir cada hexaedro em cinco ou seis tetraedros, aproximando uma variação trilinear por uma inadequada série de funções lineares. Isso resulta em imagens inadequadas e aumenta o consumo de memória. Nesta tese, apresentamos um algoritmo preciso de visualização volumétrica utilizando ray-casting para malhas não estruturadas de hexaedros. Para capturar a variação trilinear ao longo do raio, nós propomos usar uma integração de quadratura. Nós também propomos uma alternativa rápida que melhor aproxima a variação trilinear, considerando os pontos de mínimo e máximo da função escalar ao longo do raio. Uma série de experimentos computacionais demonstram que nossa proposta produz resultados exatos, com um menor gasto de memória. Todo algoritmo é implementado em placas gráficas, garantindo uma performance competitiva. / [en] Important engineering applications use unstructured hexahedral meshes for numerical simulations. Hexahedral cells, when compared to tetrahedral ones, tend to be more numerically stable and to require less mesh refinement. However, volume visualization of unstructured hexahedral meshes is challenging due to the trilinear variation of scalar fields inside the cells. The conventional solution consists in subdividing each hexahedral cell into five or six tetrahedra, approximating a trilinear variation by an inadequate piecewise linear function. This results in inaccurate images and increases the memory consumption. In this thesis, we present an accurate ray-casting volume rendering algorithm for unstructured hexahedral meshes. In order to capture the trilinear variation along the ray, we propose the use of quadrature integration. We also propose a fast approach that better approximates the trilinear variation to a series of linear ones, considering the points of minimum and maximum of the scalar function along the ray. A set of computational experiments demonstrates that our proposal produces accurate results, with reduced memory footprint. The entire algorithm is implemented on graphics cards, ensuring competitive performance.

[pt] Sensores de profundidade do tipo RGB-D são alternativas interessantes para realizar a reconstrução 3D do ambiente a um baixo custo. Neste trabalho, avaliamos uma pipe-line de reconstrução implementada em GPU que une um sistema de tracking baseado no alinhamento de nuvem de pontos para estimar a posição da câmera e um sistema de reconstrução/visualização volumétrica para suavizar as medidas naturalmente ruidosas do sensor, utilizando o Kinect como entrada RGB-D. Foi feita uma análise técnica do algoritmo, demonstrando o impacto de modificações de parâmetros do sistema, além de um comparativo de tempo e precisão entre a implementação aqui apresentada e uma versão pública disponibilizada pela Point Cloud Library(PCL) durante o desenvolvimento deste trabalho. Algumas modificações em relação ao trabalho original foram feitas e os testes de desempenho demonstram que nossa implementação é mais rápida do que a da PCL sem comprometer significantemente a precisão da reconstrução. / [en] Depth sensors of the type RGB-D are interesting alternatives to do a 3D reconstruction of the environment with low cost. In this work, we evaluate a reconstruction pipe-line implemented on GPU that merges a point cloud alignment tracking system to estimate the camera position and a volumetric reconstruction/visualization to smooth the naturally noise measures from the sensor, using the Kinect as RGB-D input. A technical analysis of the algorithm has been made, showing the impact of parameter modifications of the system and a comparative of time and precision between the presented implementation and a public version available by the Point Cloud Library (PCL) during the development of this work. Some modifications to the original work have been made and the performance tests demonstrate that our implementation is faster than the PCL version without compromising the reconstruction precision.

[pt] Nós abordamos a tarefa de segmentação de páginas de notícias; mais especificamente identificação do título, data de publicação e corpo da notícia. Embora existam resultados muito bons na literatura, a maioria deles depende da renderização da página, que é uma tarefa muito demorada. Nós focamos em cenários com um alto volume de documentos, onde desempenho de tempo é uma necessidade. A abordagem escolhida estende nosso trabalho prévio na área, combinando propriedades estruturais com traços de atributos visuais, calculados através de um método mais rápido do que a renderização tradicional, e algoritmos de aprendizado de máquina. Em nossos experimentos, nos atentamos para alguns fatos não comumente abordados na literatura, como tempo de processamento e a generalização dos nossos resultados para domínios desconhecidos. Nossa abordagem se mostrou aproximadamente uma ordem de magnitude mais rápida do que alternativas equivalentes que se apoiam na renderização completa da página e manteve uma boa qualidade de extração. / [en] We tackle the task of news webpage segmentation, specifically identifying the news title, publication date and story body. While there are very good results in the literature, most of them rely on webpage rendering, which is a very time-consuming step. We focus on scenarios with a high volume of documents, where a short execution time is a must. The chosen approach extends our previous work in the area, combining structural properties with hints of visual presentation styles, computed with a faster method than regular rendering, and machine learning algorithms. In our experiments, we took special attention to some aspects that are often overlooked in the literature, such as processing time and the generalization of the extraction results for unseen domains. Our approach has shown to be about an order of magnitude faster than an equivalent full rendering alternative while retaining a good quality of extraction.

[pt] Esta de tese de doutorado apresenta soluções para a integração entre os algoritmos de Shear-Warp e de Z-Buffer, visando a criação de cenas compostas de dados volumétricos e modelos poligonais opacos e/ou transparentes. A renderização volumétrica baseada na fatoração Shear- Warp é eficiente para a realização das etapas de projeção e composição dos voxels. Ela trabalha de forma coerente com a ordenação das fatias do volume e pode ser naturalmente integrada ao algoritmo de Z-Buffer para a combinação de modelos poligonais. São propostos vários algoritmos para a combinação de dados volumétricos e modelos poligonais visando reduzir o efeito de aliasing introduzido durante o processo de reamostragem do modelo poligo nal. São apresentados testes e resultados que dão suporte às conclusões apresentadas sob o ponto de vista de qualidade de imagem e tempo de processamento.

[pt] Os avanços recentes na tecnologia de simulação paralela de reservatórios de petróleo têm permitido a simulação numérica de domínios cada vez mais discretizados. Essas simulações produzem um volume de dados sem precedentes, que precisam ser visualizados em ambientes 3D, possibilitando assim a análise e inspeção cuidadosa do modelo. Tais modelos tornam as técnicas convencionais de visualização inviáveis, criando a necessidade de se desenvolver soluções escaláveis de visualização. A necessidade de se visualizar dados tão complexos introduz diversos problemas computacionais que precisam ser tratados para visualizar o modelo com taxas de renderização interativas, como a impossibilidade de armazenar o dado todo em memória principal. Existem duas linhas principais para o tratamento de modelos de tal magnitude: renderização distribuída e técnicas de multi-resolução. Nesse trabalho são propostas soluções para a visualização de modelos massivos de reservatório de petróleo em cada uma dessas frentes de pesquisa, e é feita uma discussão acerca das vantagens e limitações de cada solução. Na primeira parte do trabalho, é proposto um sistema distribuído com ordenação no fim para a renderização de tais modelos em agrupamentos de PCs, onde cada PC é equipado com múltiplas GPUs. Dado o uso eficiente de cada GPU e de um estágio de composição parcial, nossa proposta trata dos problemas de escalabilidade que surgem em todo sistema com ordenação no fim em clusters de médio a grande porte. Na segunda parte do trabalho, é proposta uma estrutura hierárquica de multi-resolução de malhas de reservatórios de petróleo, com um novo algoritmo de simplificação feito especificamente para tais malhas. A estrutura hierárquica traz novidades em relação a trabalhos relacionados, fazendo uma estimativa de erro projetado menos conservadora. É feita uma proposta para a renderização com multi-resolução com garantia de uma taxa mínima de renderização, que é o objetivo principal de tais sistemas. Além disso, é feita uma proposta para odesenho do wireframe e das propriedades associadas à malha original do modelo de reservatório mapeados sobre as malhas simplificadas, o que torna a estrutura de multi-resolução independente das propriedades geradas pela simulação, garantindo o seu reuso ao longo de múltiplas simulações do mesmo modelo. Nossos experimentos computacionais demonstram a eficiência das soluções propostas. / [en] Recent advances in parallel architectures for the numerical simulation of natural black oil reservoirs have allowed the simulation of very discretized domains. As a consequence, these simulations produce an unprecedented volume of data, which must be visualized in 3D environments for careful analysis and inspection of the model. Conventional scientific visualization techniques of such very large models are not viable, creating a demand for the development of scalable visualization solutions. The need for the visualization of such complex data introduces several computational issues which must be addressed in order to achieve interactive rendering rates, such as the impossibility of storing the entire data in main memory. There are two main research areas which propose solutions for the visualization of models with such magnitude: distributed rendering and multi-resolution techniques. This work proposes solutions for the visualization of massively complex reservoir models in each of these research areas, and a discussion over the advantages and limitations of each solution is made. In the first part of the work, we propose a distributed system based on a sort-last approach for the rendering of such models in PC clusters, where each PC is equipped with multiple GPUs. Given an efficient use of the available GPUs, combined with a pipelined implementation and the use of partial image compositions on the cluster nodes, our proposal tackles the scalability issues that arise when using mid-to-large GPU clusters. The second part of the work brings the proposal of a hierarchical multi-resolution structure of black oil reservoir meshes, with a new simplification algorithm designed specifically for such meshes. The hierarchical structure brings some new approaches in relation to related work, doing a much less conservative projected error estimation. We propose a minimum refresh rate guarantee strategy for our multiresolution rendering, which is the main goal for such systems. Afterwards, we introduce a proposal for the rendering of data associated with the original reservoir mesh mapped over the simplified meshes, such as the original model grid wireframe and reservoir properties. This proposal guarantees an independence between the multi-resolution structure and the properties generated by a simulation, which guarantees the reuse of the structure among several simulations of the same model. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed solutions.

[pt] Este trabalho apresenta uma nova proposta para a implementação de um sistema de partículas em GPU. A simulação é feita inteiramente no processador gráfico, o que elimina a transferência de dados entre a CPU e a GPU. O sistema proposto é capaz de simular partículas de diferentes diâmetros em ambientes confinados, incluindo tratamento de colisão entre partículas, restrições e colisão de partículas com o ambiente. A detecção de colisão entre as partículas é feita com base numa estrutura de subdivisão do espaço em uma grade regular de células. Em GPUs atuais, o sistema é capaz de simular um milhão de partículas a taxas iterativas. Também é proposto um método flexível para modelar os obstáculos que compõe o ambiente, permitindo a criação de diferentes cenas sem necessidade de re-codificação de shaders. O sistema é composto por diferentes shaders, responsáveis por cada etapa da simulação. Um programa de fragmentos é responsável por fazer a atualização da posição das partículas. Em seguida, um programa de vértices faz a montagem da estrutura de subdivisão espacial. As etapas seguintes (detecção e tratamento de colisão e de restrições) são efetuadas apenas por programas de fragmentos usando a técnica de relaxação. / [en] This work presents a new proposal for the implementation of a GPU-based particle system. The simulation runs entirely on the graphic processor, thus eliminating data transfer between the CPU and the GPU. The proposed system is able to simulate particles with different diameters in confined environments, including support for inter-particle collisions, constraints, and particle-obstacle collisions. Inter-particle collision detection is accomplished by subdividing the space into a regular grid of cells. On modern graphics cards, the system is able to simulate up to one million particles at interactive rate. It is also proposed a flexible approach for modeling the obstacles that define the environment, allowing the creation of different scenes without relying on shader re-coding. The system is divided in different shaders responsible for each stage of the simulation. One fragment program is responsible to advance the particles in time. After that a vertex program builds the space subdivision structure. The following stages (collision detection and response, and constraint solving) are performed only by fragment programs using the relaxation method.

[pt] A principal motivação para realização deste trabalho é verificar a viabilidade de uso da técnica de mapeamento de textura com relevo em aplicações que exijam interação em tempo real como, por exemplo, jogos eletrônicos. Esta dissertação apresenta uma extensão ao mapeamento de textura com relevo que suporta a representação de efeitos dependentes do ponto de vista e da direção de iluminação, que antes não eram possíveis de serem representados. Além disso, propõe uma forma de paralelizar tal mapeamento entre CPU e GPU (Graphic Processor Unit), utilizando-se para isto da tecnologia de Hyper-Threading. Nesta nova abordagem, cada amostra pertencente a uma textura com relevo é aumentada para incluir três valores escalares representando o vetor normal à superfície reproduzida pela textura. Desta forma, o cálculo de iluminação pode ser efetuado por pixel. A paralelização do processo de mapeamento de textura com relevo demonstra-se favorável uma vez que são obtidos ganhos de até 37% em relação ao tempo de processamento da abordagem convencional. / [en] The main motivation for this work is to verify the feasibility of using relief texture mapping in high-demand real-time applications, such as computer games. This dissertation presents an extension to relief texture mapping that supports the representation of effects that depend of viewpoint and illumination direction, which could not be represented with previous techniques. Moreover, it proposes a way to parallelize relief texture mapping between CPU and GPU, using Hyper-Threading technology. In this new approach, each element that belongs to a relief texture is augmented to include three scalar values representing the normal vector of the reproduced surface. So, the illumination can be calculated per pixel. In the proposed approach, the parallelization of the relief texture mapping represents an acceleration of up to 37% when compared to conventional techniques.