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5/9/2018 Modelo Resumo - CIC XXIII - slidepdf.com
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IMPLEMENTAÇÃO DE UMA FERRAMENTA PARA VISUALIZAÇÃO DEMODELO NUMÉRICO PARA SIMULAÇÃO DE FASE LÍQUIDA NA
DEPOSIÇÃO DE DIÓXIDO DE ESTANHO VIA SOL-GEL-DIP-COATINGUSANDO LIC.
MATHEMATICAL MORPHOLOGY APLLICATION IN CARTOGRAPHICFEATURES SEMI-AUTOMATIC EXTRACTION FROM DIGITAL IMAGES.
Carlos Willian de Carvalho – Campus de Presidente Prudente – Faculdade de Ciências e Tecnologia – Ciência da
Computação – [email protected] – PIBIC/CNPq.
Palavras-chave: convolução de integral de linha; simulação numérica; visualização por texturas.
Keywords: line integral convolution; numerical simulation; texture visualization.
RESUMO
1. INTRODUÇÃO
As técnicas de simulação numérica são extensamente utilizadas para vários fins, como
minimizar custos na realização de experiências, por exemplo. Pode-se, especialmente, citar sua
aplicação para problemas encontrados em áreas relacionadas com mecânica de fluídos, como
metereologia e aviação.
No projeto de doutorado de Carvalho Sano (2009) foi apresentado um modelo matemático,
com equacionamento da fase líquida de SnO2 e simulado computacionalmente a técnica de dip-
coating na deposição de filmes finos. Carvalho Sano ainda desenvolveu um programacomputacional que calcula tal resultado em um determinado tempo t , denominado SGel .
No entanto, métodos numéricos, como o desenvolvido por Carvalho Sano (2009), produzem
resultados complexos para análise humana sem a intervenção de outro processo computacional.
Com o objetivo de facilitar a interpretação de dados pode-se utilizar a Visualização Científica – ou
seja, o conjunto de técnicas utilizadas na representação de dados numéricos através de imagens.
Para simplificar tal processo, em um projeto de iniciação cientifica e graduação foi
desenvolvida, por Dupas Campos (2009), a ferramenta ViSin. A ferramenta reproduz os dados
produzidos pelo SGel , visualmente, e proporciona salvar imagens de determinado tempo tn do
processo. Além disso, é possível muitas outras opções de manipulação, como salvar a reprodução
de um ciclo em um vídeo no formato .avi, por exemplo.
No entanto, dados como os produzidos pelo programa SGel , podem ser reproduzidos demuitas outras formas. São métodos como: renderização de volume, particle tracing , por texturas e
campos iluminados. Particularmente, o método baseado em textura mais popular é o LIC
(Convolução de Integral de Linha). Esse método foi apresentado por Brian Cabral e Casey Leedom
em 1993 e usa a integração de texturas de ruído branco e streamlines (curva cujas tangentes
coincidem com um campo vetorial, ou seja, com os vetores de velocidade dos pontos, capazes de
representar a direção de um fluído). Devido às qualidades apresentadas por tal técnica de
visualização científica, a aplicação desta na ferramenta ViSin permitiria uma melhor qualidade na
reprodução de uma simulação numérica, facilitando o entendimento.
2. OBJETIVOS
1. Proporcionar uma atualização/manutenção à ferramenta ViSin;
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2. Aprimorar a visualização gerada pela ferramenta, possibilitando um fácil entendimento ao
usuário final, através de novas opções de visualização;
3. Permitir o estudo e o aprofundamento de novas técnicas de Visualização Científica aos
envolvidos no projeto;
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados neste projeto foram:
• Duas IDE’s (ambiente integrado para desenvolvimento de software): Dev-C++ e C++
Builder 5 (este último desenvolvido pela Borland);
• A própria ferramenta ViSin;
• O programa SGel , responsável por gerar as saídas utilizadas como entrada no ViSin;
• Futurix Imager , software para visualização de imagens no formato .PPM;
LIC, do inglês Line Integral Convolution, é uma técnica poderosa para visualização de
campos vetoriais com texturas. Desenvolvido por Brian Cabral e Casey Leedom, a técnica funciona
da seguinte maneira: partindo de um campo vetorial 2D e de uma textura de entrada qualquer, o
método produz uma textura relacionando a direção descrita no campo vetorial com a textura de
entrada. Tal textura de entrada pode ser qualquer imagem, mas para uma melhor visualização,
admite-se uma textura composta de tons de preto e branco, conhecida como “ruído branco”.
Campo Vetorial Ruído Branco Imagem de Saída
Fig. 01: Representação do funcionamento da técnica LIC.
A metodologia abordada baseia-se no estudo inicial do algoritmo LIC e seu funcionamento.
Para isso, após a pesquisa do seu funcionamento teórico, foi inicialmente feita uma implementaçãode teste através da ferramenta Dev-C++, capaz de elaborar aplicações mais simples. Dessa forma,
foi possível estudar de uma maneira prática questões referentes ao funcionamento do processo,
como custo computacional, tempo de execução e qualidade das imagens de saída, por exemplo.
Após esse estudo inicial, foi feita a implementação do algoritmo na ferramenta ViSin. Tal
propósito foi efetuado com a ajuda da IDE C++ Builder, versão 5, onde tal ferramenta foi
desenvolvida inicialmente. Curiosamente, foi possível também a correção de alguns problemas de
execução da própria ferramenta, bem como a atualização de alguns procedimentos. Após os ajustes
que o programa teve de receber e a inserção do algoritmo, os primeiros resultados da
implementação puderam ser obtidos.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
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Uma implementação de teste foi realizada, inicialmente, com o objetivo de entender o
funcionamento do algoritmo LIC na prática. Para isso, foi desenvolvida uma aplicação no Dev-C+
+ (em linguagem C) que efetuava LIC em uma textura de ruído branco gerada por ela mesma e,
logo em seguida, fazia a gravação da imagem resultante. Os procedimentos efetuados pelo
algoritmo foram baseados no algoritmo LIC apresentado pelo pesquisador Zhamping Liu, e seguem
a seguinte ordem:
1. O aplicativo gerava um campo vetorial através de um modelo matemático definido no
próprio código-fonte;
2. Após isso, gerava-se a textura de ruído branco, os filtros kernel (utilizados para a obtenção
da imagem LIC), e fazia-se a normalização do campo vetorial;
3. Aplicava-se a técnica à textura de ruído branco, e a imagem resultante era salva no
formato .PPM.
Como citado no primeiro passo, o campo vetorial foi gerado no próprio código-fonte, de tal
modo que sua modificação fosse feita de uma maneira mais direta, acelerando a execução do
processo. Já a textura de ruído branco foi gerada através de valores aleatórios atribuídos à
intensidade de cada um de seus pixels, e os filtros eram obtidos com valores crescentes simples(vale citar aqui o fato de que a dimensão do filtro influencia diretamente na qualidade da imagem de
saída). A normalização do campo vetorial é um passo fundamental do funcionamento da técnica,
uma vez que permite a reparametrização dos vetores do campo.
Após todos esses procedimentos, era efetuada a convolução. Terminada a execução da
aplicação, as imagens de saída podiam ser analisadas no software Futurix Imager . Exemplos de
saídas iniciais obtidas podem ser vistos nas imagens abaixo.
Fig. 02: A textura de ruído branco, juntamente com as diferentes saídas obtidas aplicadas nesta.
Uma vez que tal algoritmo estava apto a testes, estudou-se características de seu
comportamento. Tais estudos mostraram que, quanto maior o valor da dimensão do filtro, maior aqualidade da dimensão da imagem – em contrapartida, maior o tempo gasto no processamento da
imagem LIC. A figura 03 exibe saídas diferentes para um mesmo campo vetorial
Fig. 03: Diferentes saídas para diferentes valores de filtro.
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Após esses estudos, fez-se as primeiras adaptações do algoritmo para sua aplicação na
ferramenta ViSin, ilustrada em seu formato original na figura 04. Aqui, vale ressaltar um ponto
importante: tal ferramenta gera a visualização dos vetores para cada instante da simulação
numérica, chamado “ciclo”. Como uma mesma simulação pode ser composta por n ciclos distintos,
o algoritmo deve efetuar a convolução para cada um os instantes, de cada um dos ciclos.
Enquanto o algoritmo era implementado, algumas observações foram feitas, como o fato de
que algumas operações necessárias ao funcionamento do LIC (como a definição dos vetores docampo vetorial, ou a normalização deste, por exemplo) são operações que, dependendo do caso, são
efetuadas por padrão na ferramenta.
Fig. 04: Aspecto original da ferramenta ViSin
Uma vez feitos tais ajustes necessários à implementação do método, foi possível obter as
primeiras saídas geradas em tempo real pelo programa. Agora, o campo vetorial é lido de arquivos
de entrada utilizados pela própria ferramenta ViSin, (que por sua vez são os arquivos de saída do
software SGel ) , gerando uma imagem de saída para cada instante de um ciclo. Uma dessas
imagens pode ser observada na figura 05.
Fig. 05: Aspecto da ferramenta ViSin com a implementação da técnica.
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No entanto, alguns problemas de implementação precisam ser resolvidos: não raro, podem
ocorrer alguns erros de execução dependendo de como a ferramenta é utilizada - logo, ainda ocorre
um trabalho contínuo no código-fonte do ViSin, procurando resolver tais erros de execução. Além
disso, o processo de convolução para um único instante é em média de 2,0 segundos (com o valor
do filtro baixo, que gera uma imagem de 900 x 660 pixels - dimensão padrão das imagens dos
campos vetoriais do ViSin), ou seja, procura-se meios de otimizar o processo. Um deles é conhecido
como FastLIC, e uma breve descrição desta é apresentada na conclusão deste trabalho.
5. CONCLUSÕES
O método de Convolução de Integral de Linha é uma técnica de visualização científica
poderosa, capaz de ampliar o poder de visualização de ferramentas cujo objetivo são auxiliar nas
visualizações de simulações numéricas, como a ferramenta ViSin. No entanto, embora as pesquisas
e implementações feitas até o presente momento tenham alcançado o resultado esperado e, portanto,
atingido os objetivos das propostas oferecidas anteriormente, os produtos finais dos testes
realizados ainda podem e devem ser melhorados. Há questões como a redução do custo
computacional, e a otimização de processos que podem custar tempo à simulação.
Outro ponto que deve ser citado é que há, ainda, extensões do modelo LIC original, capazesde se adaptar melhor às necessidades que o ViSin procura suprir – em especial, pode-se citar o
FastLIC, extensão do método original que visa efetuar a convolução de uma maneira mais rápida,
evitando redundâncias. Além disso, esta pesquisa se mostra relevante devido ao fato de áreas que
englobam o estudo de simulações numéricas (como áreas da matemática, física e química, por
exemplo) poderem se beneficiar das funcionalidades providas por tal ferramenta.
6.BIBLIOGRAFIAS
DUPAS, E. R. C. A Ferramenta ViSiN. Presidente Prudente, Universidade Estadual Paulista, 2009.
64p.
CABRAL B.; LEEDOM, L. C. Imaging vector fields using Line Integral Convolution. Berlin,
1996. 8p.
STALLING D.; HEGE H. C. LIC: acceleration, animation and zoom. Berlin, 1997. 34p.
STALLING D.; HEGE H. C. Fast and resolution independent line integral convolution. Berlin,
1995. 34p.
SANO D. M. C. Simulação numérica da fase liquida na deposição de dióxido de estanho viasol-gel. Universidade Estadual Paulista, 2009. 34p.
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