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.

[pt] O crescente aumento da disponibilidade de recursos computacionais para a simulação numérica permite que cientistas e engenheiros produzam enormes quantidades de dados. A melhor compreensão destes dados mediante o uso de técnicas de computação gráfica é conhecido como visualização cientifica. Este trabalho propõe a visualização científica de problemas de engenharia usando uma arquitetura distribuída via WEB. Os dados simulados são lidos diretamente de um banco de dados e são gerados arquivos com as informações necessárias para sua visualização. Geram-se arquivos com dados de pré- processamento (como nós, elementos, linhas, áreas e elementos diferenciados por índices) e pós-processamento (como deformação, deslocamento e tensões, resultados mais importantes na análise utilizando o método de elementos finitos). Considerando uma arquitetura distribuída, a simulação numérica pode ser feita em um computador (servidor) e a visualização pode ser feita em um outro computador (cliente), utilizando uma interface simples, porém robusta para a visualização, como é o caso da WEB. A utilização do formato VRML facilita a distribuição e compartilhamento nesta visualização, fazendo assim independente a plataforma do servidor, que contém o software de simulação numérica, da plataforma do cliente. Usando como caso de estudo o software de Análise de Elementos Finitos ANSYS, os resultados obtidos mostraram-se satisfatórios e melhor manipuláveis ao se comparar com resultados visualizados por aquele software. O estudo de caso pode ser estendido para outros softwares de simulação da área de mecânica dos sólidos. / [en] The growing increase in computational resources for numerical simulation allows researchers and engineers to generate huge amount of data. The understanding of those data through the use of computer graphics techniques is known as Scientific Visualization. This work proposes a Scientific Visualization of engineering problems through the use of a distributed architecture via Web. The simulated data are obtained directly from a data base and the appropriate information is generated to their visualization.Pre-processing data (such as nodes, elements, lines, areas etc) and posprocessing data (such as deformation, stress and strain, from a finite element analysis) are generated. A distributed architecture is considered which allows the numerical simulation to be done in a main computer (server) and the visualization to take place in another computer (client), by using a simple, but robust, interface, as is the Web. It is being used the VRML which provides a natural data distribution and sharing. Results obtained with the Ansys software, a case study for a finite element analysis, have proven to be satisfactory and allowing for easy manipulation when compared with the results visualized through the mentioned software. The proposed architecture can be extended to cope with other solid mechanics software.

[pt] Este trabalho investiga a técnica mais natural para a visualização de superfícies implícitas, o raycasting, sob um tratamento intervalar. São implementados algoritmos robustos para o raycasting de superfícies genéricas, utilizando métodos intervalares e métodos numéricos convencionais no cálculo das interseções, e é testada a utilização de aritmética afim (AA), um modelo numérico para o cálculo com intervalos proposto como alternativa à aritmética intervalar tradicional (IA). Projetada para evitar o problema de explosão de erro em longas seqüências de cálculos intervalares, AA leva em consideração as correlações entre os termos de uma expressão e define operações mais caras que IA, mas fornece resultados mais precisos, o que pode acelerar alguns algoritmos intervalares.

[pt] Este trabalho tem por objetivo estudar algoritmos para a obtenção de representações simplificadas para modelos de terreno. Dados de terreno são considerados de difícil tratamento devido à sua complexidade e dimensão. Uma das técnicas mais utilizadas para amenizar a complexidade dos dados de terreno são os métodos de simplificação de superfícies. Dentre os vários métodos de simplificação de superfícies, os que têm fornecido melhores resultados são os métodos de simplificação por inserção gulosa baseada no erro vertical local. Apesar de suas qualidades, percebemos algumas falhas na qualidade perceptual das soluções fornecidas por este método quando aplicado a dados de terreno com regiões nas quais as altitudes apresentam diferentes graus de variabilidade. Neste trabalho investigamos a existência de métodos melhores para abordagem deste problema. Propomos métodos de inserção gulosa que utilizem critérios de seleção em que o erro vertical local seja modificado de acordo com a variabilidade da superfície.

[pt] Ray-Casting é uma técnica muito usada em visualizção volumétrica para a criação de imagens médicas, a partir de dados obtidos por ressonância magnética (MRI) e tomografias computadorizadas (CT). No entanto, ray- casting tem um alto custo computacional que resulta em um processo de visualização lento, o que compromete a interatividade necessária para uma boa compreensão do conjunto de dados tri-dimensionais.Este trabalho propõe estratégias para a otimização do algoritmo de ray-casting e para melhorar sua eficiência. Além disso, esta tese investiga o uso em um ambiente de computação distribuída, através de um protocolo de comunicação entre estações de trabalho heterogêneas e não dedicadas, conectadas em uma rede local.As idéias propostas foram implementadas em duas versões do algoritmo, uma sequencial e uma paralela. Os resultados obtidos com essas implementações em conjuntos de dados reais mostram que é possível obter tempo interativo com as máquinas disponíveis atualmente e em condições normais de uso da rede local por outros usuários. / [en] Ray-Casting is a useful volume visualization technique applied to medical images such as computer tomography (CT) and magnetic resonance image (MRI). It has, however, a high computational cost that results in a slow rendering process, which compromises the interactivity that is necessary for a good comprehension of the three-dimensional data set. This work proposes optimization strategies to the ray- casting algorithm to improve its effciency. To enhance, even further, the thesis investigates the use of a distributed computer environment through a communication protocol between heterogeneous and non- dedicate LAN-connected workstations. The ideas proposed here were implemented in two versions of the algorithm, one se- quential and one parallel. Test results, obtained with these implementations and real data sets, show that it is possible to obtain interactive time with the current available machines.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo sobre exames virtuais, que são técnicas de visualização do interior do corpo humano para fins de avaliação clínica utilizando técnicas de visualização volumétrica. Os exames virtuais pretendem ser uma alternativa para os exames convencionais de endoscopia digestiva, colonoscopia e broncoscopia. Apresentamos um estudo comparativo entre os exames virtuais e seus análogos convencionais analisando vantagens e desvantagens para cada uma das técnicas em concreto.Além disso propomos um algoritmo para acelerar a visualização volumétrica com ray casting e comparamos os resultados com outras técnicas de otimização.

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.

[pt] Foi desenvolvido neste trabalho um conjunto de procedimentos computacionais com o objetivo de estudar o comportamento da dinâmica de veículos terrestres. Utilizando recursos de armazenamento em banco de dados, programas de simulação de modelos dinâmicos e geração de animações gráficas são possível analisar o comportamento dos veículos, representados por modelos matemáticos consagrados ou que estejam sendo desenvolvidos. A característica mais importante da estrutura computacional implementada neste trabalho é o conceito de modularidade, ou seja, diversos modelos dinâmicos podem ser empregados e simulados, a partir da alteração ou adaptação de alguns módulos, sem que seja necessário modificar a estrutura computacional desenvolvida. O ambiente de banco de dados pode armazenar os parâmetros de veículos e pneus, além da descrição da pista e da trajetória a ser percorrida. O objetivo é que todas as inofrmações pertinentes ao estudo da dinâmica de veículos estejam contidas neste banco de dados, e que futuramente ele s torne um ponto de referencia para consultas diversas nesta área. Já o ambiente de animação gráfica permite representar a trajetória real percorrida pelo veículo, que depende de suas características dinâmicas, e os seus movimentos típicos, como as rotações em torno do eixo lateral e longitudinal, além de possibilitar a visualização do contexto no qual o veículo está inserido e o acompanhamento do percurso através de câmeras localizadas em posições escolhidas pelo usuário. / [en] It has been developed a set of computacional procedures with the objective of studying the synamic behavior of ground vehicles. By using database resources, dynamic simulation models and graphic animation generation it is possible to abnalyze vehicles behavior, represented by well known mathematical models or new ones. The most important charateristic about the developed computacional enviromment it is modulatity, which means that many different dynamics models can be employed and simulated with the daptation of some modules, without beng necessary to modify the main structure. The database environment can store the vehicles and tires parameters, and the track and tragetory description. The main obejective is to store on the database all the concerned information necessary to the study of vehicles dynamic. The graphical animation environment displays the simulated vehicle trajectory, which depends on vehicle dynamic characteristics and is typical movements, as the rotation around the lateral (pitch) and longitudinal axis. The graphical animation environment is also important to allow the visualization od the context where the vehicles are inserted, not mentioning the path tracking through video cameras pre configured by the user.

O uso de dados volumétricos é bastante comum em diversas áreas da ciência, como Medicina, Física e Meteorologia. São exemplos típicos os dados provenientes de dispositivos de tomografia computadorizada ou ressonância magnética e os obtidos através de estimação de fenômenos físicos pelo uso de sensores diversos ou de simulação numérica. Tais dados apresentam-se, freqüentemente, sob a forma de uma grade tridimensional regular, onde cada elemento possui um valor escalar ou multidimensional (uma tupla de valores). Outras topologias também podem ser usadas para exprimir a disposição espacial dos valores. A visualização de dados volumétricos, importante na compreensão destes, é um processo não-trivial e, em decorrência, diversas técnicas foram propostas para abordar o problema. Visualização direta de volumes é uma abordagem em crescente popularização que representa visualmente os dados, conservando sua estrutura tridimensional, sem extrair geometrias intermediárias. Esse processo exige o mapeamento dos atributos dos elementos de volume para propriedades ópticas, permitindo a geração de imagens através da aplicação de um algoritmo de visualização, que pode implementar um modelo de iluminação. Tal mapeamento é definido por uma função, conhecida como função de transferência, que determina valores de atributos ópticos para cada valor encontrado no volume. Essa função desenvolve, portanto, um importante papel na visualização, pois define a visibilidade das estruturas presentes no volume — normalmente valendo-se do atributo opacidade — e também o aspecto destas na imagem final. Contudo, a definição de uma boa função de transferência, capaz de produzir imagens informativas, é um processo complexo que deve ser simplificado com o apoio de ferramentas adequadas. A simples especificação manual de uma função de transferência é um processo iterativo de tentativa e erro, em decorrência da dificuldade de compreensão do relacionamento entre a função utilizada e a imagem gerada, especialmente quando se trata de dados multidimensionais, que implicam funções de transferência com maior número de dimensões. Diante da necessidade de agilizar e simplificar a especificação de funções de transferência, abordagens semi-automáticas e automáticas para geração de funções foram propostas, exigindo do usuário esforço de interação reduzido ou nulo. Entretanto, as propostas existentes deixam a desejar na simplicidade, interatividade ou flexibilidade. O presente trabalho propõe técnicas de especificação de funções de transferência, para volumes escalares e multidimensionais, baseadas na automatização parcial do processo e simplificação do espaço de interação usado na definição das funções.Como principais contribuições, são apresentados uma eficaz combinação de técnicas complementares para especificação de funções de transferência para volumes escalares; e um método de especificação de funções de transferência para volumes multidimensionais que reúne o potencial de classificação dos mapas auto-organizáveis com a capacidade de decisão não-binária acerca davisibilidade e aspecto de voxels pertinente às funções de transferência tradicionais. / Volume data are very often used in several areas of science, such as medicine, physics and meteorology. Typical examples are data provided by computed tomography, magnetic resonance imaging or estimation of physical phenomena through numerical simulation or sensors. Such data are often provided as regular three-dimensional grids where each element has a scalar or higher-dimensional value, though other topologies may also be employed to express the position of the values in the three-dimensional space. Visualizing volume data is very important in understanding the conveyed information, but it is also a hard task. Thus, many approaches to this problem have been developed. Direct volume rendering is a set of visualization techniques that have become very popular because they can visually represent volume data, keeping their three-dimensional structure, without extracting intermediate geometries. Such processes require a mapping from voxels’ attributes to optical attributes, which allows generating images from the data through the application of a visualization algorithm that implements an illumination model, which is often very simple. This mapping, known as transfer function, associates each volume element with values of optical properties. Therefore, transfer functions play an important role in defining the visibility and the aspect of structures inside a volume, typically using opacity and color, respectively, as optical attributes. However, the design of a good transfer function, capable of generating informative images, is a complex task which must be simplified as much as possible through the support of suitable tools. A simple manual design process is a trial-and-error effort, due to the difficulty of understanding the relationship between the transfer function and the generated image, specially when dealing with multi-dimensional volume data, which require transfer functions with a wide domain. The need to accelerate and simplify the transfer function design led to the development of several automatic and semi-automatic approaches to the problem, which can reduce or eliminate the user’s interaction effort. However, the existent proposals lack in simplicity, interactivity or flexibility. This work outlines transfer function design methods for visualization of scalar volume data and multi-dimensional volume data. We propose techniques based on partial automation of the design process and simplification of the interaction space used in TF specification. Our main contributions are an effective combination of complementary techniques for specifying transfer functions for scalar volumes; and a multi-dimensional transfer function design method that brings together the classification capabilities of self-organizing maps and the transfer functions’ ability of non-binary decision on voxels’ visibility and aspect.

O projeto de funções de transferência é um interessante problema que recebe muita atenção da comunidade de visualização. Diversas pesquisas tem sido conduzidas para criar melhores ferramentas e técnicas que trabalham com dados volumétricos. Existem duas grandes classes de dados: volumes estruturados e volumes não-estruturados. A maioria dos trabalhos anteriores apenas se refere a dados estruturados. Este trabalho possui dois grupos de contribuições. O primeiro diz respeito ao problema clássico de especificação de funções de transferência. Primeiramente é desenvolvido o conceito de Ensembles, que são funções de transferência desenvolvidas a partir da combinação de funções anteriores e mais simples. Também é apresentada uma abordagem de key-framing para manipular dados que variam no tempo. O segundo grupo de contribuições é um estudo aprofundado sobre o comportamento de dados não-estruturados. Problemas críticos foram descobertos e tratados para permitir uma integração quase perfeita de ferramentas usadas para dados estruturados em dados não-estruturados. Os resultados mostram a melhoria de qualidade de histogramas, e também o sistema de desenvolvimento de funções de transferência. Trabalhos futuros são sugeridos para utilizar a versão melhorada do histograma de gradiente-magnitude, assim como a exploração de novos modelos de bordas. / Transfer function design is an important problem that receives much attention from the visualization community. Several researches have inspired the creation of better tools and techniques to deal with volumetric datasets. There are two major classes of datasets, namely structured and unstructured grids. Most of the previous work has only addressed structured data. This work presents two groups of contributions of different nature. The first contribution is related to the general problem of transfer function design. It introduces the concept of ensembles, which are complex transfer functions created from standard types. It also presents a key-frame based approach to handle time-varying sequences. The second group of contributions is related with a study on several characteristics of unstructured data. Problems have been discovered and addressed to allow a seamless integration of classical structured grids tools to unstructured data. This work includes results that show improvements on a statistical analysis of the data, as well as the developed transfer function design system. Further work is suggested to take advantage of the enhanced version of the gradient-magnitude histogram, and explore different boundary model.