Os centros operacionais e de pesquisa em previsão numérica do tempo geralmente trabalham com uma grande quantidade de dados complexos multivariados, tendo que interpretá-los num curto espaço de tempo. Técnicas de visualização científica podem ser utilizadas para ajudar a entender o comportamento atmosférico. Este trabalho descreve a arquitetura e as facilidades apresentadas pelo sistema VisualMet, que foi implementado com base em um estudo das tarefas desenvolvidas pelos meteorologistas responsáveis pelo 8º Distrito de Meteorologia, em Porto Alegre. Este centro coleta dados meteorológicos três vezes ao dia, de 32 estações locais, e recebe dados similares do Instituto Nacional de Meteorologia, localizado em Brasília, e do National Meteorological Center, localizado nos Estados Unidos. Tais dados são resultados de observações de variáveis tais como temperatura, pressão, velocidade do vento e tipos de nuvens. As tarefas dos meteorologistas e as classes de dados foram observadas e analisadas para definir as características do sistema. A arquitetura e a implementação do VisualMet seguem, respectivamente, uma abordagem orientada a ferramentas e o paradigma de programação orientada a objetos. Dados obtidos das estações meteorológicas são instancias de uma classe chamada "Entidade". Três outras classes de objetos representando ferramentas que suportam as tarefas dos meteorologistas foram modeladas. Os objetos no sistema são apresentados ao usuário através de duas janelas, "Base de Entidades" e " Base de Ferramentas". A implementação da "Base de Ferramentas" inclui ferramentas de mapeamento (para produzir mapas de contorno, mapas de ícones e gráficos), ferramentas de armazenamento (para guardar e recuperar imagens geradas pelo sistema) e uma ferramenta de consulta (para ler valores de variáveis de estações selecionadas). E dada especial atenção a ferramenta de mapa de contorno, onde foi utilizado o método Multiquádrico para interpolação de dados. O trabalho apresenta ainda um estudo sobre métodos de interpolação de dados esparsos, antes de descrever detalhadamente os resultados obtidos com a ferramenta de mapa de contorno. Estes resultados (imagens) são discutidos e comparados com mapas gerados manualmente por meteorologistas do 8º Distrito de Meteorologia. Possíveis extensões do presente trabalho são também abordadas. / The weather forecast centers deal with a great volume of complex multivariate data, which usually have to be understood within short time. Scientific visualization techniques can be used to support both daily forecasting and meteorological research. This work reports the architecture and facilities of a system, named VisualMet, that was implemented based on a case study of the tasks accomplished by the meteorologists responsible for the 8th Meteorological District, in the South of Brazil. This center collects meteorological data three times a day from 32 local stations and receives similar data from both the National Institute of Meteorology, located in Brasilia, and National Meteorological Center, located in the United States of America. Such data result from observation of variables like temperature, pressure, wind velocity, and type of clouds. The tasks of meteorologists and the classes of application data were observed to define system requirements. The architecture and implementation of Visual- Met follow the tool-oriented approach and object-oriented paradigm, respectively. Data taken from meteorological stations are instances of a class named Entity. Three other classes of tools which support the meteorologists' tasks are modeled. Objects in the system are presented to the user through two windows, "Entities Base" and "Tools Base". Current implementation of the "Tools Base" contains mapping tools (to produce contour maps, icons maps and graphs), recording tools (to save and load images generated by the system) and a query tool (to read variables values of selected stations). The results of applying the multiquadric method to interpolate data for the construction of contour maps are also discussed. Before describing the results obtained with the multiquadric method, this work also presents a study on interpolation methods for scattered data. The results (images) obtained with the contour map tool are discussed and compared with the maps drawn by the meteorologists of the 8th Meteorological District. Possible extensions to this work are also presented.

Análise exploratória visual e simulação interativa visual são duas áreas afins, porém tratadas separadamente até o momento. 0 trabalho relatado neste texto objetivou a abordagem unificada destas duas classes de problemas, a partir da identificação de ambas com as questões de linguagens visuais, visualização de dados e de programas. A partir de estudos de casos considerados representativos destas duas classes (análise de dados multivariados populacionais, análise de dados multivariados espaciais, análise de dados univariados, estudo de campos eletromagnéticos a partir de resultados da análise de elementos finitos, simulação interativa visual de objetos animados dinamicamente e simulação interativa de sistemas discretos) é estabelecida uma classificação de entidades e atributos. Entidades são consideradas como pertencendo a três grandes classes: sistemas compostos por múltiplas entidades, objetos manufaturáveis e entidades ou fenômenos naturais, e são caracterizadas por atributos que podem ser analisados de acordo com sua natureza, o tipo dos valores que podem assumir, a natureza e dimensão do domínio no qual estão definidos. A seguir, são identificados os objetivos e tarefas no tratamento das entidades e atributos. Como objetivos considera-se observação de objetos num contexto, analise da estrutura dos objetos, analise das suas propriedades estáticas ou dinâmicas, analise comparativa de vários objetos e comunicação de informações. Tarefas básicas que servem a realização dos diversos objetivos são navegação, seleção, consulta, preparação e controle de processamento, anotação de textos e armazenamento de resultados. Esta classificação de tarefas permite a determinação das ferramentas básicas necessárias a realização tanto de analise exploratória como de simulação interativa, ambas visuais. E estabelecido um conjunto coordenado de ferramentas que permitem a realização das tarefas mencionadas com as diferentes classes de entidades. Essencial a estas classes de problemas é a representação visual a ser adotada como forma de transmissão de uma informação a respeito de uma entidade. Este aspecto é enfatizado neste trabalho; é estabelecida uma taxonomia para representações visuais, a saber, Ícones, gráficos e tabelas, diagramas e redes, modelos geométricos, mapas e seqüencias. de acordo com a informação fornecida e com o atendimento dos objetivos identificados anteriormente. Na seqüência, é proposta uma metodologia para a escolha de representações visuais baseada na classe das entidades sob estudo e nos objetivos do estudo (ou de uma face do estudo), numa primeira etapa, e na natureza dos atributos e dimensão de seu domínio, numa segunda etapa. A tese apresenta a abordagem baseada em ferramentas como paradigma básico de linguagem visual para analise exploratória e simulação interativa visual e estende o use da abordagem declarativa de visualização de programas a questão de visualização de dados. As classes de entidades reconhecidas ao longo do estudo são modeladas de acordo com a abordagem orientada a objetos: da mesma forma, o conjunto de ferramentas é organizado numa plataforma orientada a objetos. Esta plataforma é comparada, do ponto de vista funcional e considerando diferentes classes de usuários, com sistemas existentes. A estrutura proposta é, ainda, discutida como um modelo de referência para analise exploratória e simulação interativa visual. / Two related areas, visual exploratory analysis and visual interactive simulation, have been handled separately until now. This thesis gives an integrated approach to these two classes of problems, based on their relationships to visual languages, data visualization and program visualization. Case studies representing both areas like multivariate analysis of populational data, multivariate analysis of spatial data, analysis of univariate data, study of electromagnetic fields based on finite element analysis, dynamic graphical simulation and interactive visual discrete-event simulation, allow the construction of a taxonomy for entities and attributes. Entities are considered to belong to three classes: multiple-entity systems, manufacturable objects, and natural entities or phenomena. They are characterized by their attributes, which in turn are classified by nature, value types and nature and dimension of their definition domain. The goals and tasks in the study of entities and attributes are identified. Goals are observing an object in a context, analyzing an object structure, analyzing their static and dynamic properties, comparing objects or different states of objects and communicating information. Tasks are elementary procedures employed to achieve certain goals: navigation, selection, query, modification, processing control, text annotation and data storage. This classification of tasks determine the basic tools that a scientific user needs to visually explore data or conduct visual interactive simulation studies. These tools are organized as a set of interactive procedures that can be applied to visual representations of entities or their attributes. Visual representations are, of course, essential to visual exploratory analysis and visual interactive simulation, in order to precisely and adequately represent information about entities. This question is emphasized in this work. Based on the information conveyed by the several existing graphical representations as well as the goals established earlier, six classes of visual representations are considered: icons, graphs and tables, diagrams and networks, geometric models, maps, and sequences of these representations. A methodology for selecting the appropriate visual representation is then proposed, based firstly on the goals of the study and the classes of entities and attributes, and secondly on the nature and dimension of the attributes domain. This thesis presents a tool-centered approach as the paradigm for both visual exploratory analysis and visual interactive simulation. The thesis also extends the concept of declarative visualization employed for program visualization to scientific data visualization. The classes of entities identified in the case studies are modeled using the object-oriented approach; the set of tools defined here is also organized in an objectoriented framework. Our proposal is discussed as a reference model for visual exploratory analysis and visual interactive simulation.

Os centros operacionais e de pesquisa em previsão numérica do tempo geralmente trabalham com uma grande quantidade de dados complexos multivariados, tendo que interpretá-los num curto espaço de tempo. Técnicas de visualização científica podem ser utilizadas para ajudar a entender o comportamento atmosférico. Este trabalho descreve a arquitetura e as facilidades apresentadas pelo sistema VisualMet, que foi implementado com base em um estudo das tarefas desenvolvidas pelos meteorologistas responsáveis pelo 8º Distrito de Meteorologia, em Porto Alegre. Este centro coleta dados meteorológicos três vezes ao dia, de 32 estações locais, e recebe dados similares do Instituto Nacional de Meteorologia, localizado em Brasília, e do National Meteorological Center, localizado nos Estados Unidos. Tais dados são resultados de observações de variáveis tais como temperatura, pressão, velocidade do vento e tipos de nuvens. As tarefas dos meteorologistas e as classes de dados foram observadas e analisadas para definir as características do sistema. A arquitetura e a implementação do VisualMet seguem, respectivamente, uma abordagem orientada a ferramentas e o paradigma de programação orientada a objetos. Dados obtidos das estações meteorológicas são instancias de uma classe chamada "Entidade". Três outras classes de objetos representando ferramentas que suportam as tarefas dos meteorologistas foram modeladas. Os objetos no sistema são apresentados ao usuário através de duas janelas, "Base de Entidades" e " Base de Ferramentas". A implementação da "Base de Ferramentas" inclui ferramentas de mapeamento (para produzir mapas de contorno, mapas de ícones e gráficos), ferramentas de armazenamento (para guardar e recuperar imagens geradas pelo sistema) e uma ferramenta de consulta (para ler valores de variáveis de estações selecionadas). E dada especial atenção a ferramenta de mapa de contorno, onde foi utilizado o método Multiquádrico para interpolação de dados. O trabalho apresenta ainda um estudo sobre métodos de interpolação de dados esparsos, antes de descrever detalhadamente os resultados obtidos com a ferramenta de mapa de contorno. Estes resultados (imagens) são discutidos e comparados com mapas gerados manualmente por meteorologistas do 8º Distrito de Meteorologia. Possíveis extensões do presente trabalho são também abordadas. / The weather forecast centers deal with a great volume of complex multivariate data, which usually have to be understood within short time. Scientific visualization techniques can be used to support both daily forecasting and meteorological research. This work reports the architecture and facilities of a system, named VisualMet, that was implemented based on a case study of the tasks accomplished by the meteorologists responsible for the 8th Meteorological District, in the South of Brazil. This center collects meteorological data three times a day from 32 local stations and receives similar data from both the National Institute of Meteorology, located in Brasilia, and National Meteorological Center, located in the United States of America. Such data result from observation of variables like temperature, pressure, wind velocity, and type of clouds. The tasks of meteorologists and the classes of application data were observed to define system requirements. The architecture and implementation of Visual- Met follow the tool-oriented approach and object-oriented paradigm, respectively. Data taken from meteorological stations are instances of a class named Entity. Three other classes of tools which support the meteorologists' tasks are modeled. Objects in the system are presented to the user through two windows, "Entities Base" and "Tools Base". Current implementation of the "Tools Base" contains mapping tools (to produce contour maps, icons maps and graphs), recording tools (to save and load images generated by the system) and a query tool (to read variables values of selected stations). The results of applying the multiquadric method to interpolate data for the construction of contour maps are also discussed. Before describing the results obtained with the multiquadric method, this work also presents a study on interpolation methods for scattered data. The results (images) obtained with the contour map tool are discussed and compared with the maps drawn by the meteorologists of the 8th Meteorological District. Possible extensions to this work are also presented.

Análise exploratória visual e simulação interativa visual são duas áreas afins, porém tratadas separadamente até o momento. 0 trabalho relatado neste texto objetivou a abordagem unificada destas duas classes de problemas, a partir da identificação de ambas com as questões de linguagens visuais, visualização de dados e de programas. A partir de estudos de casos considerados representativos destas duas classes (análise de dados multivariados populacionais, análise de dados multivariados espaciais, análise de dados univariados, estudo de campos eletromagnéticos a partir de resultados da análise de elementos finitos, simulação interativa visual de objetos animados dinamicamente e simulação interativa de sistemas discretos) é estabelecida uma classificação de entidades e atributos. Entidades são consideradas como pertencendo a três grandes classes: sistemas compostos por múltiplas entidades, objetos manufaturáveis e entidades ou fenômenos naturais, e são caracterizadas por atributos que podem ser analisados de acordo com sua natureza, o tipo dos valores que podem assumir, a natureza e dimensão do domínio no qual estão definidos. A seguir, são identificados os objetivos e tarefas no tratamento das entidades e atributos. Como objetivos considera-se observação de objetos num contexto, analise da estrutura dos objetos, analise das suas propriedades estáticas ou dinâmicas, analise comparativa de vários objetos e comunicação de informações. Tarefas básicas que servem a realização dos diversos objetivos são navegação, seleção, consulta, preparação e controle de processamento, anotação de textos e armazenamento de resultados. Esta classificação de tarefas permite a determinação das ferramentas básicas necessárias a realização tanto de analise exploratória como de simulação interativa, ambas visuais. E estabelecido um conjunto coordenado de ferramentas que permitem a realização das tarefas mencionadas com as diferentes classes de entidades. Essencial a estas classes de problemas é a representação visual a ser adotada como forma de transmissão de uma informação a respeito de uma entidade. Este aspecto é enfatizado neste trabalho; é estabelecida uma taxonomia para representações visuais, a saber, Ícones, gráficos e tabelas, diagramas e redes, modelos geométricos, mapas e seqüencias. de acordo com a informação fornecida e com o atendimento dos objetivos identificados anteriormente. Na seqüência, é proposta uma metodologia para a escolha de representações visuais baseada na classe das entidades sob estudo e nos objetivos do estudo (ou de uma face do estudo), numa primeira etapa, e na natureza dos atributos e dimensão de seu domínio, numa segunda etapa. A tese apresenta a abordagem baseada em ferramentas como paradigma básico de linguagem visual para analise exploratória e simulação interativa visual e estende o use da abordagem declarativa de visualização de programas a questão de visualização de dados. As classes de entidades reconhecidas ao longo do estudo são modeladas de acordo com a abordagem orientada a objetos: da mesma forma, o conjunto de ferramentas é organizado numa plataforma orientada a objetos. Esta plataforma é comparada, do ponto de vista funcional e considerando diferentes classes de usuários, com sistemas existentes. A estrutura proposta é, ainda, discutida como um modelo de referência para analise exploratória e simulação interativa visual. / Two related areas, visual exploratory analysis and visual interactive simulation, have been handled separately until now. This thesis gives an integrated approach to these two classes of problems, based on their relationships to visual languages, data visualization and program visualization. Case studies representing both areas like multivariate analysis of populational data, multivariate analysis of spatial data, analysis of univariate data, study of electromagnetic fields based on finite element analysis, dynamic graphical simulation and interactive visual discrete-event simulation, allow the construction of a taxonomy for entities and attributes. Entities are considered to belong to three classes: multiple-entity systems, manufacturable objects, and natural entities or phenomena. They are characterized by their attributes, which in turn are classified by nature, value types and nature and dimension of their definition domain. The goals and tasks in the study of entities and attributes are identified. Goals are observing an object in a context, analyzing an object structure, analyzing their static and dynamic properties, comparing objects or different states of objects and communicating information. Tasks are elementary procedures employed to achieve certain goals: navigation, selection, query, modification, processing control, text annotation and data storage. This classification of tasks determine the basic tools that a scientific user needs to visually explore data or conduct visual interactive simulation studies. These tools are organized as a set of interactive procedures that can be applied to visual representations of entities or their attributes. Visual representations are, of course, essential to visual exploratory analysis and visual interactive simulation, in order to precisely and adequately represent information about entities. This question is emphasized in this work. Based on the information conveyed by the several existing graphical representations as well as the goals established earlier, six classes of visual representations are considered: icons, graphs and tables, diagrams and networks, geometric models, maps, and sequences of these representations. A methodology for selecting the appropriate visual representation is then proposed, based firstly on the goals of the study and the classes of entities and attributes, and secondly on the nature and dimension of the attributes domain. This thesis presents a tool-centered approach as the paradigm for both visual exploratory analysis and visual interactive simulation. The thesis also extends the concept of declarative visualization employed for program visualization to scientific data visualization. The classes of entities identified in the case studies are modeled using the object-oriented approach; the set of tools defined here is also organized in an objectoriented framework. Our proposal is discussed as a reference model for visual exploratory analysis and visual interactive simulation.

Les études scientifiques et d'ingénierie actuelles font de plus en plus souvent appel à des techniques de simulation numérique pour étudier des phénomènes physiques complexes. La visualisation du résultat de ces simulations sur leur support spatial, souvent nécessaire à leur bonne compréhension, demande la mise en place d'outils adaptés, permettant une restitution fidèle et complète de l'information présente dans un jeu de données. Une telle visualisation doit donc prendre en compte les informations disponibles sur la qualité du jeu de données et l'incertitude présente. Cette thèse a pour but d'améliorer les méthodes de visualisation des champs de données scalaires de façon à intégrer une telle information d'incertitude. Les travaux présentés adoptent une approche perceptive, et utilisent les méthodes expérimentales et les connaissances préalables obtenues par la recherche sur la perception visuelle pour proposer, étudier et finalement mettre en oeuvre des nouvelles techniques de visualisation. Une revue de l'état de l'art sur la visualisation de données incertaines nous fait envisager l'utilisation d'un bruit procédural animé comme primitive pour la représentation de l'incertitude. Une expérience de psychophysique nous permet d'évaluer des seuils de sensibilité au contraste pour des stimuli de luminance générés par l'algorithme de bruit de Perlin, et de déterminer ainsi dans quelles conditions ces stimuli seront perçus. Ces résultats sont validés et étendus par l'utilisation d'un modèle computationnel de sensibilité au contraste, que nous avons réimplémenté et exécuté sur nos stimuli. Les informations obtenues nous permettent de proposer une technique de visualisation des données scalaires incertaines utilisant un bruit procédural animé et des échelles de couleur, intuitive et efficace même sur des géométries tridimensionnelles complexes. Cette technique est appliquée à deux jeux de données industriels, et présentée à des utilisateurs experts. Les commentaires de ces utilisateurs confirment l'efficacité et l'intérêt de notre technique et nous permettent de lui apporter quelques améliorations, ainsi que d'envisager des axes de recherche pour des travaux futurs. / Current scientific and engineering works make an increasingly frequent use of numerical simulation techniques to study complex physical phenomenons. Visualizing these simulations' results on their geometric structure is often necessary in order to understand and analyze the simulated system. Such a visualization requires specific software tools in order to achieve a comprehensive and accurate depiction of the information present in the dataset. This includes taking into account the available information about dataset quality and data uncertainty. The goal of this thesis is to improve the visualization techniques for scalar data fields in order to integrate uncertainty information to the result. Our work follows a perceptual approach, using knowledge and experimental methods from visual perception research to put forward, study and implement new visualization techniques. A review of the state of the art on uncertainty visualization make us suggest to use an animated procedural noise as a visual primitive to show uncertainty. We set up a psychophysics experiment to evaluate contrast sensitivity thresholds for luminance stimuli generated using Perlin's noise algorithm, and therefore understand under which conditions such noise patterns can be perceived. These results are validated and extended by using a computational model of contrast sensitiviy, which we reimplemented and ran on our stimuli. The resulting information allow us to put forward a new technique for visualizing uncertain scalar data using an animated procedural noise and color maps. The resulting visualization is intuitive and efficient even for datasets with a complex tridimensional geometry. We apply this new technique to two industrial datasets, and demonstrate it to expert users. Their feedback uphold the usabiliy and efficiency of our technique, and allows us to add a few more improvements and to orient our future work.

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.

Análise exploratória visual e simulação interativa visual são duas áreas afins, porém tratadas separadamente até o momento. 0 trabalho relatado neste texto objetivou a abordagem unificada destas duas classes de problemas, a partir da identificação de ambas com as questões de linguagens visuais, visualização de dados e de programas. A partir de estudos de casos considerados representativos destas duas classes (análise de dados multivariados populacionais, análise de dados multivariados espaciais, análise de dados univariados, estudo de campos eletromagnéticos a partir de resultados da análise de elementos finitos, simulação interativa visual de objetos animados dinamicamente e simulação interativa de sistemas discretos) é estabelecida uma classificação de entidades e atributos. Entidades são consideradas como pertencendo a três grandes classes: sistemas compostos por múltiplas entidades, objetos manufaturáveis e entidades ou fenômenos naturais, e são caracterizadas por atributos que podem ser analisados de acordo com sua natureza, o tipo dos valores que podem assumir, a natureza e dimensão do domínio no qual estão definidos. A seguir, são identificados os objetivos e tarefas no tratamento das entidades e atributos. Como objetivos considera-se observação de objetos num contexto, analise da estrutura dos objetos, analise das suas propriedades estáticas ou dinâmicas, analise comparativa de vários objetos e comunicação de informações. Tarefas básicas que servem a realização dos diversos objetivos são navegação, seleção, consulta, preparação e controle de processamento, anotação de textos e armazenamento de resultados. Esta classificação de tarefas permite a determinação das ferramentas básicas necessárias a realização tanto de analise exploratória como de simulação interativa, ambas visuais. E estabelecido um conjunto coordenado de ferramentas que permitem a realização das tarefas mencionadas com as diferentes classes de entidades. Essencial a estas classes de problemas é a representação visual a ser adotada como forma de transmissão de uma informação a respeito de uma entidade. Este aspecto é enfatizado neste trabalho; é estabelecida uma taxonomia para representações visuais, a saber, Ícones, gráficos e tabelas, diagramas e redes, modelos geométricos, mapas e seqüencias. de acordo com a informação fornecida e com o atendimento dos objetivos identificados anteriormente. Na seqüência, é proposta uma metodologia para a escolha de representações visuais baseada na classe das entidades sob estudo e nos objetivos do estudo (ou de uma face do estudo), numa primeira etapa, e na natureza dos atributos e dimensão de seu domínio, numa segunda etapa. A tese apresenta a abordagem baseada em ferramentas como paradigma básico de linguagem visual para analise exploratória e simulação interativa visual e estende o use da abordagem declarativa de visualização de programas a questão de visualização de dados. As classes de entidades reconhecidas ao longo do estudo são modeladas de acordo com a abordagem orientada a objetos: da mesma forma, o conjunto de ferramentas é organizado numa plataforma orientada a objetos. Esta plataforma é comparada, do ponto de vista funcional e considerando diferentes classes de usuários, com sistemas existentes. A estrutura proposta é, ainda, discutida como um modelo de referência para analise exploratória e simulação interativa visual. / Two related areas, visual exploratory analysis and visual interactive simulation, have been handled separately until now. This thesis gives an integrated approach to these two classes of problems, based on their relationships to visual languages, data visualization and program visualization. Case studies representing both areas like multivariate analysis of populational data, multivariate analysis of spatial data, analysis of univariate data, study of electromagnetic fields based on finite element analysis, dynamic graphical simulation and interactive visual discrete-event simulation, allow the construction of a taxonomy for entities and attributes. Entities are considered to belong to three classes: multiple-entity systems, manufacturable objects, and natural entities or phenomena. They are characterized by their attributes, which in turn are classified by nature, value types and nature and dimension of their definition domain. The goals and tasks in the study of entities and attributes are identified. Goals are observing an object in a context, analyzing an object structure, analyzing their static and dynamic properties, comparing objects or different states of objects and communicating information. Tasks are elementary procedures employed to achieve certain goals: navigation, selection, query, modification, processing control, text annotation and data storage. This classification of tasks determine the basic tools that a scientific user needs to visually explore data or conduct visual interactive simulation studies. These tools are organized as a set of interactive procedures that can be applied to visual representations of entities or their attributes. Visual representations are, of course, essential to visual exploratory analysis and visual interactive simulation, in order to precisely and adequately represent information about entities. This question is emphasized in this work. Based on the information conveyed by the several existing graphical representations as well as the goals established earlier, six classes of visual representations are considered: icons, graphs and tables, diagrams and networks, geometric models, maps, and sequences of these representations. A methodology for selecting the appropriate visual representation is then proposed, based firstly on the goals of the study and the classes of entities and attributes, and secondly on the nature and dimension of the attributes domain. This thesis presents a tool-centered approach as the paradigm for both visual exploratory analysis and visual interactive simulation. The thesis also extends the concept of declarative visualization employed for program visualization to scientific data visualization. The classes of entities identified in the case studies are modeled using the object-oriented approach; the set of tools defined here is also organized in an objectoriented framework. Our proposal is discussed as a reference model for visual exploratory analysis and visual interactive simulation.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa visualizador de processos em aqüíferos intitulado VPA, como módulo integrante de um pa cote de programas computacionais aplicados ao gerenciamento de recursos hídricos subterrâneos denominado SPA (Simulação de Processos em Aqüí- feros). Esse visualizador foi desenvolvido para sistema operacional SuSE Linux, utilizando como ambientes gráficos o KDE e o GNOME. O ambiente de programação Glade 2 foi escolhido para programação e desenvolvimento do visualiza dor. Este ambiente de programação em C é distribuído nos âmbitos de open source development (GNU), e serve como complemento da interface gráfica com o usuário GUI (Graphic User Interfa ce). Em conjunto com esta linguagem de programa ção foi usado o Data Explorer IBM OpenDX, dis-tribuído também nos termos de open source development, como ferramenta para visualização de simulações em duas e três dimensões. Assim, é possível visualizar os resultados gera dos pela simulação de processos de escoamento de fluidos e transporte de poluentes no subsolo por meio dos módulos de pré e pós-processamento do pacote SPA, na forma de dados binários. O mó dulo desenvolvido representa uma alternativa robusta e econômica para a visualização cientí- fica de processos em aqüíferos. / In this work the development of an aquifer poces ses viewer program called VPA is presented. The program is integrated as a module of a compu- tational package devoted to groundwater resources management named SPA (Simulation for Processes in Aquifers). The program was developed on SuSE Linux operational system utilizing KDE and GNOME graphical environments. The graphic templates for the VPA graphical user interface (GUI)were taken from Glade 2. That graphical library is written in C programming language and is distributed under the open source development license (GNU). Scientific visualization routines from Data Ex- plorer IBM OpenDX, also distributed under GNU license, were gathered to VPA giving to it capabi lity to generate two and three-dimensional gra- phics to numerical results. Thus, VPA constitutes the post-processing tool for reading numerical results from binary files and constructing graphics for fluid flow and pol lutant transport simulation in groundwater in the SPA environment. Such module shows itself an economic and robust alternative in scientific visualization to aquifer processes.

L'objet de cette thèse est la perception dans les environnements immersifs de jeux de données complexes, une des applications est la visualisation scientifique de données volumiques scalaires issues de simulations de modèles physiques. Un exemple classique de ceci est la distribution de températures à l'intérieur d'un habitacle de véhicule.Dans la première partie de ce travail, notre objectif est d'étudier les limites perceptives dans le cadre d'un rendu volumétrique de données scientifiques dans un système de réalité virtuelle offrant la vision en stéréoscopie, et le suivi du point de vue de l'utilisateur. Nous étudions l'effet sur la perception de l'utilisateur de trois facteurs principaux : la taille des points utilisés pour le rendu, la densité du nuage de points, et enfin la position par rapport à l'utilisateur du premier plan de coupe. Nous présentons une étude dans laquelle une tâche de pointage est proposée à un ensemble d'utilisateurs. Les déplacements de celui-ci ainsi que les performances de pointage sont mesurées. L'étude a permis d'évaluer l'impact des paramètres de rendu du nuage de points et proposer un rendu améliorant la perception.La seconde partie du travail propose d'ajouter une dimension interactive à la première approche en permettant à l'utilisateur d'explorer plus activement la scène. L'hypothèse d'une meilleure compréhension des données par l'action est ici mise en avant. Nous évaluons une méthode d'interaction et quatre méthodes de rendu associées. L'approche proposée est de n'afficher qu'un sous ensemble des données volumiques, en l'occurrence des isosurfaces, et de permettre à l'utilisateur de naviguer par une gestuelle naturelle et interactive dans l'ensemble des isosurfaces du jeu de données explorées, dans cadre de manipulation directe. Une nouvelle étude est proposée, dans laquelle l'utilisateur doit effectuer une tâche de recherche et de pointage d'une propriété locale dans un jeu de températures 3D. Cette étude a permis de choisir une méthode de rendu adaptée à l'affichage immersif d'isosurfaces et de valider l'approche interactive pour l'exploration de données. / The objective in this case is not only to be realistic, but also to provide new and intelligible ways of model representation. This raises new issues in data perception. The question of perception of complex data, especially regarding visual feedback, is an open question, and it is the subject of this work. This PhD thesis studied the human perception in Immersive Virtual Environments of complex datasets, one of the applications is the scientific visualization of scalar values stemming from physics models, such as temperature distribution inside a vehicle prototype.The objective of the first part is to study the perceptive limits of volumetric rendering for the display of scientific volumetric data, such as a volumetric temperature distribution rendering using point cloud. We investigate the effect on the user perception of three properties of a point cloud volumetric rendering: point size, cloud density and near clipping plane position. We present an experiment where a series of pointing tasks are proposed to a set of users. User behavior and task completion time are evaluated during the test. The study allowed to choose the most suitable combination of these properties, and provided guidelines for volumetric data representation in VR immersive systems.In the second part of our work, we evaluate one interaction method and four display techniques for exploring volumetric datasets in virtual reality immersive environments. We propose an approach based on the display of a subset of the volumetric data, as isosurfaces, and an interactive manipulation of the isosurfaces to allow the user to look for local properties in the datasets. We also studied the influence of four different rendering techniques for isosurface rendering in a virtual reality system. The study is based on a search and point task in a 3D temperature field. User precision, task completion time and user movement were evaluated during the test. The study allowed to choose the most suitable rendering mode for isosurface representation, and provided guidelines for data exploration tasks in immersive environments.

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.