Renderizador 3D via Software

Este projeto implementa um renderizador 3D completo via software (CPU) desenvolvido como trabalho de Computação Gráfica. Toda a rasterização é feita manualmente, sem uso de APIs gráficas 3D.

Características Principais

• Pipeline Gráfico Completo: Implementação de todas as etapas do pipeline 3D, desde transformações até rasterização
• Rasterização Manual: Algoritmo de Bresenham para linhas e scanline fill para polígonos
• Recorte: Cohen-Sutherland para linhas e Sutherland-Hodgman para polígonos
• Preenchimento de Polígonos: Implementação de scanline com ET (Edge Table) e AET (Active Edge Table)
• Z-Buffer: Remoção de superfícies ocultas por profundidade
• Três Modos de Shading: Flat, Gouraud e Phong
• Sistema de Iluminação: Modelo de iluminação Phong com componentes ambiente, difusa e especular
• Câmera Dual: Modo orbital (rotação em torno de um ponto) e modo FPS (navegação livre)
• Projeções: Perspectiva e ortográfica

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Funcionalidades Implementadas

1. Sistema de Câmera

• Modo Orbital: Rotação da câmera em torno de um ponto focal usando o mouse (tecla 9 para ativar)
• Modo FPS: Movimentação livre no espaço 3D com controles WASD/QE (tecla 9 para alternar)
• Projeção Perspectiva: Visão realista com profundidade (tecla 7)
• Projeção Ortográfica: Visão sem distorção de perspectiva (tecla 7 para alternar)
• Gizmo Visual: Eixos XYZ coloridos no ponto focal da câmera

2. Criação de Objetos

Primitivas Geométricas (Menu Forma - tecla F)

• Cubo: Sólido com 6 faces quadradas
• Esfera: Gerada por subdivisão (12 stacks × 24 slices)
• Cilindro: Com 16 subdivisões circulares
• Pirâmide: Base quadrada com 4 faces triangulares

Para criar: Entre no menu de formas (F), selecione a forma (teclas 1-4) e clique com o botão esquerdo do mouse.

Sistema de Extrusão (Menu Extrusão - tecla G)

Sistema interativo para criar sólidos 3D customizados:

1. Escolha do Plano de Desenho (tecla P):

   • Plano XY (padrão)
   • Plano XZ
   • Plano YZ

2. Modo Desenho (tecla O):

   • Clique com botão esquerdo para adicionar vértices do polígono
   • Sistema de ray-casting para projetar cliques do mouse no plano 3D
   • Preview em tempo real do próximo vértice
   • Linhas amarelas conectam os vértices desenhados
   • Pressione SPACE após desenhar no mínimo 3 vértices para iniciar extrusão

3. Modo Extrusão:

   • Movimente o mouse para ajustar a altura da extrusão
   • Preview do sólido em tempo real (cor cyan)
   • Geração automática de faces laterais, base e topo
   • Cálculo automático de normais para iluminação correta
   • Pressione SPACE para confirmar e criar o sólido

3. Modo de Transformação (tecla H)

Sistema completo para manipular objetos na cena:

• Seleção de Objetos (tecla TAB):

  • Navega entre os objetos criados
  • Objeto selecionado é destacado em amarelo/laranja
  • Câmera move automaticamente o ponto focal para o centro do objeto
  • Contador de objetos no HUD

• Translação (tecla T):

  • Move objeto seguindo o ponto focal da câmera
  • Gizmo ampliado para melhor visualização
  • Confirmação com SPACE

• Rotação (tecla R):

  • Arraste o mouse para rotacionar o objeto em torno de seu centro
  • Rotação em X e Y baseada no movimento do mouse
  • Feedback visual imediato
  • Confirmação com SPACE

• Escala (teclas Z/X):

  • Z: Diminui escala (0.9x)
  • X: Aumenta escala (1.1x)
  • Escala proporcional em todos os eixos

• Alteração de Material:

  • Cor (tecla C): 10 cores predefinidas (preto, branco, vermelho, verde, azul, laranja, amarelo, índigo, ciano, rosa)
  • Material (tecla M): 4 materiais com propriedades diferentes
    • Borracha: ka=0.05, kd=0.5, ks=0.7, shininess=10
    • Plástico: ka=0.0, kd=0.5, ks=0.7, shininess=32
    • Metal: ka=0.2, kd=0.7, ks=0.6, shininess=51
    • Pedra: ka=0.25, kd=0.95, ks=0.3, shininess=11

• Remoção (tecla DEL ou BACKSPACE):

  • Deleta o objeto selecionado da cena
  • Seleção automática do próximo objeto disponível

4. Sistema de Renderização

Shading (teclas 1/2/3)

• Flat Shading (tecla 1): Uma cor por face, calculada no centro da face
• Gouraud Shading (tecla 2): Interpolação de intensidade entre vértices
• Phong Shading (tecla 3): Interpolação de normais para iluminação por pixel (mais realista)

Iluminação

• Modelo de Phong com três componentes:
  • Ambiente (ka): Iluminação uniforme base
  • Difusa (kd): Baseada no ângulo entre normal e luz
  • Especular (ks): Reflexos brilhantes baseados no ângulo de visão
• Luz pontual configurável (posição padrão: 5, 5, 5)

5. Interface e HUD

• Menu Principal (sempre visível):

  • Tipo de projeção atual
  • Modo de shading ativo
  • Modo de câmera (Orbit/FPS)
  • Contador de FPS em tempo real
  • Atalhos de teclado contextuais

• Menus Contextuais:

  • Navegação por teclas de atalho
  • Indicadores visuais do item selecionado
  • Instruções específicas para cada modo
  • Tecla ESC sempre volta ao menu anterior

• Gizmo de Orientação:

  • Eixos X (vermelho), Y (verde), Z (azul)
  • Escala adaptativa no modo Transform
  • Visível apenas no modo Orbital

• Reset de Gizmo (tecla B):

  • Reposiciona o ponto focal da câmera para origem (0,0,0)

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Implementação Técnica

Algoritmos Implementados

Rasterização

• Bresenham: Traçado de linhas pixel a pixel com precisão
• Scanline Fill com ET/AET: Preenchimento de polígonos usando Edge Table e Active Edge Table

Recorte (Clipping)

• Cohen-Sutherland: Recorte de linhas contra janela 2D
• Sutherland-Hodgman: Recorte de polígonos contra planos 3D

Visibilidade

• Z-Buffer: Buffer de profundidade para determinar pixels visíveis

Iluminação

• Modelo de Phong: Componentes ambiente, difusa e especular
• Flat Shading: Intensidade calculada uma vez por face (no centro)
• Gouraud Shading: Intensidade calculada nos vértices e interpolada
• Phong Shading: Normais interpoladas e intensidade calculada por pixel

Dependências

• GLFW: Criação de janela e input (mouse/teclado)
• GLM: Biblioteca matemática para vetores e matrizes
• GLAD: Carregador de funções OpenGL
• OpenGL: Usado apenas para exibir o framebuffer como textura (a renderização 3D é toda em software)

Pipeline de Renderização

1. Transformação: Vértices dos objetos (model space → world space)
2. View Transform: Posicionamento da câmera (world space → camera space)
3. Clipping 3D: Sutherland-Hodgman contra planos da câmera
4. Projeção: Perspectiva ou ortográfica (camera space → clip space)
5. Viewport: Transformação para coordenadas de tela
6. Clipping 2D: Cohen-Sutherland para linhas
7. Rasterização: Bresenham (linhas) e Scanline Fill (polígonos)
8. Z-Buffer: Teste de profundidade por pixel
9. Shading: Cálculo de cor final baseado no modo ativo

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Como Rodar o Programa

Opção 1: Executáveis Pré-compilados

Na pasta dist/ você encontrará executáveis pré-compilados para:

• Linux: dist/app
• Windows: dist/app.exe

Basta executar o arquivo correspondente ao seu sistema operacional.

Opção 2: Compilar do Código Fonte

Requisitos

• CMake 3.10 ou superior
• Compilador C++ com suporte a C++11
• Sistema operacional Linux, Windows ou macOS
• Bibliotecas (baixadas automaticamente pelo CMake):
  • GLFW (para criação de janelas)
  • GLM (matemática vetorial)
  • GLAD (carregamento de funções OpenGL)
  • OpenGL (apenas para exibir o framebuffer como textura)

Compilação e Execução

# Configurar o projeto
cmake -S . -B build

# Compilar
cmake --build build -j

# Executar
./build/app

Participação dos Membros

Matheus Ponciano – 14598358

• Implementação do sistema de câmera (Orbit / FPS), incluindo:
  • movimentação com WASD/QE,
  • controle por mouse (rotação, zoom),
  • alternância entre modos e projeções.
• Desenvolvimento do sistema de menus e HUD:
  • menus de Câmera, Formas, Materiais, Extrusão e Transformação,
  • exibição de projeção, modo de shading, FPS e dicas de teclado contextuais.
• Implementação da seleção e manipulação de objetos:
  • navegação entre objetos (TAB),
  • modo de Transform (translate/rotate/scale),
  • highlight visual do objeto selecionado.
• Integração de input de teclado e mouse com o pipeline de interação.
• Ajustes de usabilidade geral:
  • mapeamento de teclas,
  • fluxo entre menus,
  • reset de câmera / gizmo.

Pedro Porto – 14603436

• Implementação do renderizador via software:
  • z-buffer,
  • rasterização de polígonos com scanline + ET/AET,
  • traçado de linhas com Bresenham.
• Desenvolvimento do pipeline de shading:
  • Flat, Gouraud e Phong,
  • cálculo de iluminação Phong (ka, kd, ks, shininess),
  • integração com o sistema de materiais.
• Implementação dos algoritmos de clipping:
  • Cohen-Sutherland (linhas),
  • Sutherland-Hodgman (polígonos 3D/2D).
• Criação e discretização das formas primitivas 3D:
  • cubo, esfera, cilindro, pirâmide (e demais variações do trabalho).
• Implementação do sistema de extrusão 3D:
  • ray casting mouse → plano 3D,
  • construção do sólido (base, topo, laterais),
  • cálculo de normais por vértice/face.
• Organização da arquitetura do projeto:
  • estrutura de módulos (camera, shapes, renderer, menu, extrusion),
  • integração com CMake e bibliotecas externas (GLFW, GLM, GLAD, OpenGL para display).

Ambos

• Definição da arquitetura geral do sistema e divisão de responsabilidades.
• Depuração e testes de:
  • artefatos de rasterização,
  • erros de profundidade e clipping,
  • consistência visual entre modos de shading.
• Ajustes de desempenho e correções de bugs ao longo do desenvolvimento.
• Elaboração da documentação e preparação do material de entrega do trabalho.