[pt] A visualização volumétrica é uma técnica amplamente utilizada para visualizar dados escalares tridimensionais. Para melhorar a percepção de profundidade e forma, diversas técnicas de iluminação foram propostas, adicionando diferentes tipos de efeitos. Neste trabalho, foi explorada uma nova estratégia para calcular oclusão de ambiente direcional e sombras para volume ray casting. Ela consiste em avaliar a oclusão de um traçado de cone atraves de integrais Gaussianas posicionadas de maneira discreta ao longo do eixo do cone. O valor resultado é utilizado para adicionar oclusão de ambiente direcional e sombras. A partir dos coeficientes de extinção dados pela função de transferência, um volume extra é gerado computando amplitudes representativas de distribuições Gaussianas. O Mipmapping também é utilizado para avaliar de maneira efetiva integrais Gaussianas em diferentes tamanhos posicionadas ao longo do eixo principal do cone, adaptando uma estratégia de circle packing in a circle. Nos resultados, é demonstrado que o método proposto obteve um melhor balanço entre performance e qualidade, comparado com trabalhos propostos anteriormente, com a vantagem de combinar oclusão de ambiente direcional e sombras utilizando o mesmo framework. Em seguida, exploramos três estratégias de visualização volumétrica para reservatórios de petróleo, representados por malhas irregulares contendo distorções geométricas e descontinuidades. Estes algoritmos foram implementados a partir de uma representação compacta que guarda o modelo em GPU. Testes comparativos de performance e qualidade foram feitos utilizando diferentes modelos de reservatório. Por fim, investigamos o ganho de percepção ao adicionar a nossa proposta de oclusão de ambiente direcional. Os algoritmos foram todos implementados utilizando programação de shaders para capacitar a geração de visualizações interativas. / [en] Volume rendering is a widely used technique to visualize 3D scalar data. To enhance visual shape and depth perception, distinct illumination techniques have been proposed, adding different types of lighting effects. In this thesis, we explore a new strategy to compute directional ambient occlusion and shadows for volume ray casting. Our algorithm computes occlusion of traced cones by evaluating Gaussian integrals at discrete samples along the cone axis. The computed occlusion is then used to add directional ambient occlusion effects and to generate shadows. Given the extinction coefficient data volume, we create one extra volume computing representative amplitudes of Gaussian functions. Mipmapping is then used to effectively evaluate Gaussian integrals with different sizes placed along the cone axis, adapting a circle packing approach. We demonstrate that the proposed method delivers a better balance between quality results and performance when compared to previous specialized procedures, with the advantage of combining directional ambient occlusion and shadow generation under the same framework. We also explore three volume rendering algorithms for black oil reservoir models, represented by irregular hexahedral meshes with geometry distortions and discontinuities. These algorithms were implemented under a compact representation that stores the model in the GPU. We compare performance and image quality delivered by each strategy by running a set of experiments with different models. We then investigate the gain in perception when applying our technique to compute directional ambient occlusion effects. The algorithms were entirely implemented on graphics card to produce interactive visualizations.

[pt] Interpretar e criar visualizações de dados são habilidades essenciais na sociedade atual, em que o uso de dados é intensivo. Visualizações são ferramentas para extrair e comunicar informações de dados de forma eficiente. No entanto, novatos, com nenhuma ou pouca experiência com visualizações, muitas vezes têm dificuldades com atividades que envolvem mapeamentos visuais. Compreender essas dificuldades e investigar maneiras de melhorar o design de visualização de informação visam a capacitar os novatos a explorar melhor seus dados de forma independente. Nesse contexto, esta pesquisa almeja identificar e compreender lacunas no processo de design de visualização, e fornecer subsídios para que novatos possam planejar suas visualizações de forma adequada. Durante a pesquisa, realizamos dois estudos empíricos. O primeiro foi um estudo de observação do processo de design de visualizações, realizado com cinco profissionais de diferentes empresas. Neste estudo, mapeamos as etapas do processo e o material criado foi avaliado por dois especialistas em visualizações. Identificamos dificuldades e decisões inadequadas dos participantes, principalmente nas atividades de escolha de visualizações e mapeamento de variáveis para estas visualizações. Com base nos resultados e em trabalhos extraídos da literatura, propusemos e avaliamos um material didático estruturado, VIS-SeMa. O material é baseado em templates genéricos e exemplos concretos de questões e visualizações para apoiar novatos nas atividades de seleção de visualizações e mapeamento de variáveis. No segundo estudo, avaliamos a viabilidade do VIS-SeMa. Os resultados mostraram que o material apoiou boa parte dos participantes na seleção de visualizações e criação de mapeamentos visuais de forma correta. Nossa pesquisa contribui também com um processo de estudo baseado em utilizar questões para avaliar visualizações criadas e identificar decisões e dificuldades de novatos. Com o material VIS-SeMa, observamos a preferência dos participantes por conteúdos visuais e que a apresentação de exemplos concretos ajudou no entendimento de como fazer o mapeamento das variáveis para as visualizações e que combinar a anatomia (templates genéricos) das questões e das visualizações com os exemplos facilitou a compreensão por novatos. / [en] Interpreting and creating data visualizations are essential skills in the current data-intensive age. Visualizations are a tool to efficiently extract and communicate information from data. However, novices often have difficulties with visual mapping activities. Understanding these difficulties and investigating ways to improve data visualization design aim to empower novices to explore their data better. In this context, this research aimed to identify and understand gaps in the visualization design process, providing support to novices to select and plan their visualizations more appropriately. With this objective, we conducted two empirical studies. First, we performed an observational study in a visualization design process with five practitioners from different companies. In this study, we mapped the steps of the process, and the material created was evaluated by two visualization experts. Based on this analysis, we identified difficulties and decisions during the process, mainly in choosing appropriate visualizations and mapping variables onto these visualizations. Based on the results and works extracted from the literature, we proposed and evaluated a structured material, VIS-SeMa. The material is composed of topics and uses generic question templates and concrete examples of questions and visualizations to support novices in selecting a visualization type and mapping variables. In the second study, we evaluated the feasibility of the proposed material. The results of the evaluation showed that the material supported most participants in selecting visualizations and creating visual mappings correctly. From this research, we proposed a study process based on analytical questions to evaluate created visualizations and identify decisions, and difficulties faced by novices. Additionally, we proposed VIS-SeMa, a material to support novices in visualization design. The results of the feasibility study showed that participants preferred visual content and that presenting concrete examples helped them understand how to map variables to visualizations. In addition, we observed that combining the anatomy of the questions and visualizations with the examples improved novices understanding.

[pt] O objetivo deste trabalho é argumentar em favor de uma nova interpretação para o papel dos diagramas nas demonstrações da geometria euclideana. À luz de trabalhos recentes acerca do tema, pretende-se promover, em particular, uma nova avaliação daquele que é considerado o primeiro sistema dedutivo rigoroso na história da matemática: a geometria de Euclides, sistematizada nos seus Elementos. Com efeito, a utilização dos diagramas como partes essenciais das demonstrações neste sistema fez com que, na modernidade, tal sistema fosse considerado um exemplo de sistema informal, no qual as demonstrações são meros esboços do que seriam verdadeiras demonstrações. Estas, de acordo com a concepção de demonstração que se tornou comum na modernidade, devem ser compostas exclusivamente de fórmulas, as quais podem ser derivadas umas das outras apenas com base em regras lógicas ou princípios explícitos de antemão. Uma vez que tal concepção tornou-se dominante, por conta de diversos fatores nem sempre interligados, os diagramas que faziam parte das demonstrações euclideanas passaram a ser vistos como uma das principais causas de uma alegada falta de rigor por parte das mesmas. Para devolver às demonstrações matemáticas o rigor que lhes é necessário, autores como Hilbert e Pasch propuseram reconstruções formais da obra de Euclides, nas quais as demonstrações prescindem totalmente dos diagramas. No presente trabalho pretende-se reconstruir a seqüência de eventos que levou ao declínio das representações diagramáticas em geometria, bem como mostrar que é possível uma interpretação da obra de Euclides que leve em conta a participação dos diagramas nas demonstrações, sem que com isso as demonstrações sejam deficientes em termos de rigor. Serão rebatidas as críticas dos que defendem a concepção de demonstração acima mencionada, e, assim, será requerida uma revisão de tal postura - visando tanto a adoção de uma concepção mais abrangente de demonstração, quanto uma interpretação da geometria euclideana que faça mais justiça ao seu sucesso. / [en] The main concern of this work is to argue for new interpretations regarding the role of the diagrams in Euclidean geometry. Taking into account recent works on the subject, the goal here is to present alternative ways to evaluate the system which is considered the first rigorous deductive system in the history of mathematics: Euclid`s Elements. In fact, the use of diagrams as parts of its demonstrations has been considered as a flaw of that formal system. According to the standard conception of demonstration in modern times, a demonstration must be a chain of formulae, each of them being either a principle (accepted without demonstration) or a formula that follows from some principle by logical inference. As this conception became influent, the diagrams in Euclidean geometry turned out to be seen as one of the main reasons for an alleged lack of rigor of its demonstrations. In face of this, authors like Pasch and Hilbert worked on a formalization of Euclidean geometry in modern fashion, i.e., suppressing the diagrams from its demonstrations. The present work aims at a reconstruction of the main events which led to the decline of diagrammatic representations in geometry. It will be shown that an alternative view is possible. This view takes into account the importance of diagrams for the demonstrations without denying their deductive rigor. It will be argued against the conception of demonstration mentioned above, and for a revision of such conception in order to achieve a broader and fairer conception of Euclidean geometry.

[pt] Neste trabalho estuda-se experimentalmente o comportamento dos fluidos tixotrópicos. Conseguiu-se imagens de fluidos tixotrópicos escoando através de uma expansão seguida de uma contração, ambas abruptas e axissimétricas. A existência de uma superfície de cedêndia produto da fronteira entre o fluido que escoa e o que não escoa, que estende-se da entrada da expansão até a saída da contração, é o principal fenômeno a ser estudado. O número de Re, o tempo para vazão mássica constante e as dimensões da geometria são as variáveis do experimento. Para o desenvolvimento do experimento utilizou-se uma dispersão de laponita RD, que é um fluido transparente com boas características tixotrópicas. Este fluido foi caracterizado reologicamente através da obtenção da flow curve e de testes oscilatórios Strain sweep e frequency sweep. A caracterização reológica apresentou alguns problemas com respeito ao envelhecimento, tipo de geometria e reômetro utilizado, além da falta de repetitividade para baixas taxas de deformação devido ao não pré-cisalhamento da amostra. Todos os problemas foram analisados para dar solução. Os resultados mostraram que a laponita RD é um fluido tixotrópico com característica elástica na região viscoelástica linear. O escoamento do fluido através de uma expansão seguida de uma contração axissimétrica apresentou três tipos de forma que dependem da relação L-D, D-d e o número de Reynolds: escoamento de regime tubular, escoamento de regime tubular expandido e escoamento de regime descontinuo. / [en] The behavior of thixotropics fluids through axisymmetrics expansionscontractions is studied in this research. The main objective is to visualize the shear banding in the flow of a thixotropic fluid, which is the interface between a flowing fluid and a non-flowing fluid. This research uses an experimental procedure to visualize the shear banding within the fluid. The variables used in the experimental procedure were: steady flow rate time, flow rate and geometric characteristics. A dispersion of laponite RD was utilized as the experimental fluid due to its thixotropic and transparent properties. The flow curve , strain sweep and frequency sweep of the fluid were used to obtain the rheology characterization. The rheology characterization showed lack of repeatability due to several factors, such as: aging, type of rheometers, geometry used in the rheometers and lack pre shearing of the sample. All of these issues have been analyzed to give solutions. Finally, the results showed that laponita RD is a thixotropic fluid and elastic in the viscoelastic region. Also that the flow of the fluid through the axisymmetrics expansion-contraction device has three types of behaviors: constant flow area, variable flow area with an expansion in the middle zone and variable flow area with layers of different velocities.

[pt] Projetos recentes de Estruturas Offshore criaram a necessidade de prototipação virtual de modelos de CAD massivos. Esses modelos tipicamente têm centenas de milhões de triângulos e, por essa razão, não podem ser enviados diretamente para as placas gráficas atuais que podem renderizar interativamente apenas alguns milhões de triângulos. Existem várias abordagens para lidar com esse problema incluindo uma nova estratégia de uso de impostores baseada na visualização de Voxels. Essa estratégia é promissora, já que lida bem com níveis de detalhe, oclusão e armazenamento em memória secundária. Esta dissertação apresenta uma variação do algoritmo de Voxels Distantes (Far Voxels), que é implementada e testada sobre modelos de CAD típicos. Finalmente, a partir desses testes, a dissertação apresenta algumas conclusões e sugestões para trabalhos futuros. / [en] Current projects of Offshore Structures require virtual prototyping of huge CAD models. These models usually have hundreds of millions of triangles and for this reason they cannot be sent directly to current graphical boards that can render interactively only a few millions of triangles. There are many different approaches to deal with this problem including a new impostor strategy based on Voxel visualization. This strategy is promising because it deals well with level of detail, occlusion and out of core model storage. This dissertation presents a variant of the Far Voxels algorithm. This variant is implemented and tested against typical CAD models. Finally, from these tests, the dissertation presents some conclusions and suggestions for future work.

[pt] Neste trabalho aplicamos o método de oclusão implícita para acelerar o tempo de cálculo e renderização de isosuperfícies em dados volumétricos regulares. Dado um campo escalar contínuo f sobre um domínio D (onde Dé convexo) e um isovalor w, a oclusão implícita explora a continuidadede f para determinar os limites de visibilidades sem a necessidade de calcular a isosuperfície explicitamente. Aplicamos esta técnica para obter também as silhuetas visíveis das isosuperfícies. / [en] In this work we apply the Implicit Occluders method for optimizing the computation and rendering of isosurfaces in regular volumetric data. Given a continuous scalar field f over a domain D and an isovalue w, Implicit Occluders exploits the continuity of f to determine visibility bounds without the need for computing the isosurface explicitly. We apply this technique to obtain also the visible silhouettes of isosurfaces.

A cada dia novos modelos de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) estão sendo lançados no mercado para serem utilizados em diversas aplicações, tais como mapeamento de ambientes e vigilância. Geralmente, estes robôs utilizam um sensor GPS como fonte de estimativa de localização. Contudo, para um bom funcionamento, este sensor depende de um número mínimo de satélites sincronizados com ele e que o sinal emitido pelos satélites seja recebido com boa qualidade, o que pode ser considerado um fator negativo. Uma forma de contornar este problema é empregar um sistema de localização baseado em visão computacional utilizando a câmera que já está embarcada no robô e imagens de satélite como mapa. Este sistema estima a localização do VANT através de comparações entre as imagens capturadas por ele e uma imagem de satélite, buscando encontrar a sua posição nesta imagem de satélite. Neste contexto, apresentamos uma variação do descritor BRIEF, o abBRIEF, para ser utilizado em um novo modelo de observação que também está sendo proposto. O modelo de observação é responsável por medir quão parecidas são as leituras do robô com diversas partes do mapa, para estimar a sua localização correta. Devido ao grande número de comparações necessárias, é importante que o descritor utilizado no processo seja rápido, não consuma muitos recursos computacionais e seja robusto para lidar com as várias diferenças entre as imagens. O modelo proposto foi utilizado no algoritmo de Monte Carlo (Monte Carlo Localization, MCL) para realizar a localização de VANTs e apresentou resultados satisfatórios que corroboram a eficácia do modelo e do descritor. / New models of Unnamed Aerial Vehicles (UAVs) are developed on a daily basis and applied to several tasks, such as mapping terrains and surveillance. GPS sensors are usually the main source of information to estimate the robot position, however, a downside of these sensors is that a minimum number of satellites must be available and emitting high quality signals. A vision-based system can be used to overcome this problem by using a robot embedded camera and satellite images as maps. Computational vision systems estimate the UAV localization through the comparison between the robot extracted image and several parts of the satellite image. These comparisons are performed in order to localize the part of the map which is most similar to the robot perspective. Taking into account all this information, we propose BRIEF descriptor variation, called abBRIEF, to be used on a novel observation model, also proposed in this master thesis. An observation model is responsible for evaluate how similar the robot measurements and the different map parts are. The used descriptor must run fast, consume low computational resources and be robust regarding image changes, all to compensate the large number of necessary comparisons. The proposed model is applied with Monte Carlo Localization (MCL) method to the auto localization of UAVs and presented solid results that corroborate the model and descriptor efficiency.

Muitas aplicações tratam dados estruturados na forma de grafos, como, por exemplo, redes sociais, redes de computação e comunicação, redes epidemiológicas, entre outras. Essas aplicações são baseadas em grafos multivariados representando itens e relacionamentos caracterizados por múltiplos atributos. A maioria das técnicas descritas na literatura para lidar com grafos multivariados concentram-se em problemas associados com visualização da topologia ou em problemas associados com a visualização de múltiplos atributos de itens separados da topologia do grafo. Durante a exploração de grafos multivariados, os usuários podem se beneficiar da combinação de diversas técnicas de visualização. A fim de apoiar os usuários durante essa exploração, esta tese propõe uma abordagem que permite ao usuário combinar diversas técnicas de visualização, mantendo o controle da história das visualizações encadeando-as de uma maneira integrada. Os usuários são capazes de comparar os resultados fornecidos por diferentes técnicas de visualização, o que proporciona o sinergismo necessário para a compreensão mais completa do conjunto de dados. São propostas também três técnicas para a exploração de grafos multivariados. A primeira técnica (ClusterVis) fornece a visualização das relações entre atributos de nodos pertencentes a agrupamentos. A segunda, denominada GlyphMatrix, explora o uso de glifos e matriz de adjacência, para visualizar a relação entre atributos associados às arestas. E, finalmente, a terceira (Iris) permite a visualização de atributos associados às arestas de nodos adjacentes. / Many computing applications imply dealing with network data, for example, social networks, communications and computing networks, epidemiological networks, among others. These applications are based on multivariate graphs representing items and relationships characterized by multiple attributes. Most of the visualization techniques described in the literature for dealing with multivariate graphs focus either on problems associated with the visualization of topology or on problems associated with the visualization of multiple attributes of items, separated from the graph topology. During the exploration of multivariate graphs, users might get benefit of combining these diverse visualization techniques. In order to support users during that exploration, this thesis proposes an approach that allows users to combine diverse visualization techniques while keeping track of the history of chained visualizations in an integrated way. Users are able to compare results provided by different visualization techniques, and thus the tools provide the synergism one needs to fully comprehend the data set. Three techniques were embedded in the approach. The first one emphasizes the visualization of relations between the attributes of nodes belonging to clusters, and thus is called ClusterVis. The second one is named GlyphMatrix, and explores the use of glyphs and adjacency matrices as an alternative representation of the relation between the attributes of edges. Finally, a third technique (Iris) provides features for the visualization of attributes of edges of adjacent nodes.

Este trabalho apresenta CivisAnalysis, uma aplicação web de código aberto para visualização das votações ocorridas na Câmara dos Deputados do Brasil. Com dados abrangendo seis legislaturas e seis eleições presidenciais, CivisAnalysis provê uma visão inovadora da história política do Congresso Brasileiro combinando técnicas clássicas de visualização de votações e técnicas de apresentação de dados temporais. As votações de cada deputado podem ser interpretadas como dados multidimensionais e são representadas em um espectro n-dimensional mapeado para uma representação bidimensional. Os votos de cada deputado determinam suas posições numa representação conhecida como espectro político. O trabalho mostra como a exploração de conjuntos de Deputados permite a descoberta de padrões de votos no espectro de votações, assim como explorar conjuntos de votações permite a descoberta de padrões de comportamento no espectro de Deputados. Para uma análise política de longo termo, foi criada uma linha do tempo apresentando as distâncias relativas dos partidos no espectro político durante seis legislaturas e eleições presidenciais. Na linha de tempo é possível perceber os alinhamentos políticos e mudanças comportamentais de partidos conforme o progresso de legislaturas, alianças eleitorais e coalizões de governo. A interface de CivisAnalysis oferece filtros textuais e visuais e inclui visualizações auxiliares para destacar cenários políticos de acordo com Deputados, partidos, unidades federativas, alianças eleitorais e suas posições no espectro político. / In this work, we present CivisAnalysis, an open-source web-based system for the visualization of roll calls in the Brazil’s Chamber of Deputies. Using roll calls of six legislatures as well as six presidential elections, CivisAnalysis provides a unique view of the political history of our country. It combines classical roll calls visualization techniques with techniques for the visualization of temporal data. Votes of each representative are interpreted as a set of multidimensional data, which are represented in a n-dimensional space mapped to a bi-dimensional representation. The Votes of each representative determine their position in the political spectrum of deputies, and the votes of all deputies determine the political spectrum of roll calls. The work also shows how exploring subsets of deputies allows the discovery of voting patterns in the roll call spectrum, as well as exploring the roll calls spectrum allows the discovery of behavioral voting patterns in the political spectrum of deputies. For supporting a long-term political analysis, CivisAnalysis provides a time line visualization integrated with election data (election results and political alliances). The tool implements textual and visual filtering and includes auxiliary visualizations that provide an overview of the political scenario regarding deputies, parties, coalitions and their behavior along time.

A Virtualização de Funções de Rede (Network Functions Virtualization - NFV) está mudando o paradigma das redes de telecomunicações. Esta nova tecnologia permite diversas oportunidades de inovações e possibilita o desenvolvimento de novos modelos de negócio. Em relação às redes NFV, os provedores de serviços têm a oportunidade de criar modelos de negócio que permitam aos clientes contratarem Funções de Rede Virtualizadas (Virtual Network Functions - VNFs) que proveem diferentes serviços de rede (e.g., Firewall, NAT e transcoders). Porém, nestes modelos, a quantidade de informações a serem gerenciadas cresce rapidamente. Baseado nisso, os operadores de rede devem ser capazes de entender e manipular uma grande quantidade de informação para gerenciar, de forma efetiva, as redes NFV. Para enfrentar esse problema, introduzimos uma plataforma de visualização denominada VISION, a qual tem como principal objetivo ajudar os operadores de rede na identificação da causa raiz de problemas em NFV. Para isso, propusemos: (i) uma abordagem para coleta e organização de dados do ambiente NFV gerenciado; (ii) cinco diferentes visualizações que auxiliam nas tarefas de gerenciamento de NFV como, por exemplo, no processo de identificação de problemas em VNFs e no planejamento de negócios e (iii) um modelo baseado em templates que suporta o desenvolvimento e o reuso de visualizações. Para fins de avaliação desta dissertação, foi desenvolvido um protótipo da plataforma VISION e de todas as visualizações propostas. Após, conduzimos um conjunto de casos de estudo para prover evidências sobre a viabilidade e utilidade de nossas visualizações. Os diferentes casos analisados, abordam por exemplo, a identificação de problemas na alocação de VNFs que estão impactando no desempenho do serviço oferecido e também na investigação de prioridades de investimento para suprir as demandas dos clientes da rede. Por fim, apresentamos uma avaliação de usabilidade realizada juntamente a especialistas em redes de computadores para avaliar os recursos e benefícios da plataforma VISION. Os resultados obtidos demonstram que nossas visualizações possibilitam ao operador de rede um rápido e fácil acesso às informações importantes para o gerenciamento de redes NFV, assim facilitando a obtenção de insights para a identificação de problemas complexos no contexto de redes NFV. Além disso, os resultados demonstram uma avaliação positiva por especialistas sobre os aspectos gerais de usabilidade do protótipo desenvolvido. / Network Functions Virtualization (NFV) is driving a paradigm shift in telecommunications networks and computer networks, by fostering new business models and creating innovation opportunities. In NFV-enabled networks, service providers have the opportunity to build a business model where tenants can purchase Virtual Network Functions (VNFs) that provide distinct network services and functions (e.g., Firewall, NAT, and transcoders). However, the amount of managed data grows in a fast pace. The network operator must understand and manipulate many data to effectively manage the network. To tackle this problem, we introduce VISION, a platform based on visualizations techniques to help network operators to determine the cause of not obvious problems. For this, we provide: (i) an approach to collect and organize data from the NFV environments; (ii) five distinct visualizations that can aid in NFV management tasks, such as in the process of identifying VNFs problems and planning of NFV-enabled businesses; and (iii) a template model that supports new visualization applications. To evaluate our work, we implemented a prototype of VISION platform and each of the proposed visualizations. We then conducted distinct case studies to provide evidence of the feasibility of our visualizations. These case studies cover different scenarios, such as the identification of misplacement of VNFs that are generating bottlenecks in a forwarding graph and the investigation of investment priorities to supply tenants demands. Finally, we present a usability evaluation with network operators to indicate the benefits of the VISION platform. The results obtained show that our visualizations allow the operator to access relevant information and have insights to identify not obvious problems in the context of NFV-enabled networks. In addition, we received positive feedback about general usability aspects related to our prototype.