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ViewDesignEngine/include/vde/curves/class_a_surfacing.h
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366 lines
14 KiB
C++
Raw Normal View History

#pragma once
/**
* @file class_a_surfacing.h
* @brief CGM Class-A 级曲面工具 — G3 过渡、曲率匹配、高光线、反射线、等照度、诊断、保形修改
*
* 对标 Dassault CGM 的 Class-A 曲面功能,提供汽车/航空工业级的曲面质量控制:
* - G3 连续性过渡(位置+切平面+曲率+曲率变化率连续)
* - 曲率匹配优化(最小二乘调整控制点使曲率场连续)
* - 高光线/反射线/等照度分析(工业标准曲面光顺检测)
* - 综合曲面诊断报告(多项指标评分)
* - 保形修改(保持特征边界的曲面变形)
*
* @ingroup curves
*/
#include "vde/curves/nurbs_curve.h"
#include "vde/curves/nurbs_surface.h"
#include "vde/core/point.h"
#include <vector>
#include <array>
#include <utility>
#include <string>
#include <functional>
namespace vde::curves {
using core::Point3D;
using core::Vector3D;
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// G3 Blend — G3 连续性过渡曲面
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 边参数:定义过渡曲面的公共边方向与范围
struct EdgeParams {
int edge_a = 0; ///< surf_a 的边界索引 (0=umin, 1=umax, 2=vmin, 3=vmax)
int edge_b = 0; ///< surf_b 的边界索引
double blend_width = 0.1; ///< 过渡带宽度(参数域比例)
bool align_orientation = true; ///< 是否自动对齐曲面朝向
};
/// G3 连续性过渡结果
struct G3BlendResult {
NurbsSurface blend_surface; ///< 过渡曲面
double max_position_error = 0.0; ///< 最大位置误差
double max_tangent_error = 0.0; ///< 最大切平面角度误差(弧度)
double max_curvature_error = 0.0; ///< 最大曲率偏差
double max_curvature_derivative_error = 0.0; ///< 最大曲率变化率偏差
bool g0_ok = false;
bool g1_ok = false;
bool g2_ok = false;
bool g3_ok = false;
};
/**
* @brief G3 连续性过渡曲面
*
* 在两面公共边界处构造过渡曲面,使过渡面与两边曲面均达到 G3 连续。
* 算法:
* 1. 检测公共边界,提取边界曲线与跨边界导数(1阶、2阶、3阶)
* 2. 构造 4 排过渡控制点,分别对应位置、切平面、曲率、曲率变化率约束
* 3. 求解最小二乘系统保证 G3 连续
*
* @param surf_a 曲面 A
* @param surf_b 曲面 B
* @param params 边参数(边界索引、过渡宽度等)
* @return G3 过渡结果(含过渡曲面与连续性验证数据)
*
* @note 对标 CGM G3 Filling 功能
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] G3BlendResult g3_blend(
const NurbsSurface& surf_a,
const NurbsSurface& surf_b,
const EdgeParams& params);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Curvature Matching — 曲率匹配优化
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 曲率匹配选项
struct CurvatureMatchOptions {
double tolerance = 1e-8; ///< 收敛容差
int max_iterations = 50; ///< 最大迭代次数
int samples_per_edge = 20; ///< 边界采样点数
double regularization = 0.01; ///< Tikhonov 正则化系数
bool preserve_boundary = true; ///< 是否保持非匹配边界不变
};
/// 曲率匹配结果
struct CurvatureMatchResult {
NurbsSurface matched_surface_b; ///< 匹配后的曲面 B
double initial_rms_curvature_diff = 0.0; ///< 初始曲率 RMS 差
double final_rms_curvature_diff = 0.0; ///< 最终曲率 RMS 差
int iterations = 0; ///< 实际迭代次数
bool converged = false; ///< 是否收敛
std::vector<Point3D> displacement; ///< 控制点位移向量
};
/**
* @brief 曲率匹配优化
*
* 调整 surf_b 的控制点使两曲面沿公共边界的曲率场匹配,达到 G2+ 连续。
* 使用 Levenberg-Marquardt 非线性最小二乘优化,约束边界控制点位移最小。
*
* @param surf_a 基准曲面 A(不变)
* @param surf_b 待匹配曲面 B(将被修改)
* @param options 优化选项
* @return 匹配结果(含优化后的曲面 B)
*
* @note 对标 CGM Match Surface 功能
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] CurvatureMatchResult curvature_matching(
const NurbsSurface& surf_a,
const NurbsSurface& surf_b,
const CurvatureMatchOptions& options = {});
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Highlight Lines — 高光线分析
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 高光线参数
struct HighlightParams {
std::vector<Vector3D> light_directions; ///< 多个光源方向(均自动归一化)
int res_u = 50; ///< u 方向分辨率
int res_v = 50; ///< v 方向分辨率
int num_bands = 8; ///< 光带数量
double band_width = 0.05; ///< 带宽(参数域比例)
};
/// 高光线分析结果
struct HighlightResult {
int res_u, res_v; ///< 网格分辨率
/// 高光线掩码网格 [dir_idx][u][v] ∈ {0,1}
std::vector<std::vector<std::vector<int>>> band_mask;
/// 各方向高光线连续性评分 [0,1]
std::vector<double> continuity_scores;
/// 综合评分
double overall_score = 0.0;
/// 不连续点列表 (u, v, dir_idx)
std::vector<std::tuple<double, double, int>> discontinuities;
};
/**
* @brief 高光线分析
*
* 模拟平行光源在曲面上的反射高光线,检测光线方向的几何不连续。
* 高光线 ≤ C1 的断裂 = 曲面在此处仅有 C1 连续。
* 高光线 C2 断裂 = 曲率不连续。
*
* @param surface NURBS 曲面
* @param light_dirs 光源方向列表
* @param res_u u 方向分辨率
* @param res_v v 方向分辨率
* @param num_bands 光带数量
* @return 高光线分析结果
*
* @note 对标 CGM Highlight Lines Analysis
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] HighlightResult highlight_lines(
const NurbsSurface& surface,
const std::vector<Vector3D>& light_dirs,
int res_u, int res_v, int num_bands = 8);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Reflection Lines — 反射线分析
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 反射线分析结果
struct ReflectionResult {
int res_u, res_v; ///< 网格分辨率
/// 反射线方向场 grid[u][v] = 反射光线方向
std::vector<std::vector<Vector3D>> reflection_field;
/// 反射线扭曲度 grid[u][v] ∈ [0,∞)
std::vector<std::vector<double>> distortion;
double max_distortion = 0.0;
double mean_distortion = 0.0;
bool is_fair = false; ///< 是否判定为光顺
};
/**
* @brief 反射线分析
*
* 计算虚拟环境(点光源或平行光)在曲面上的镜面反射线模式。
* 通过计算反射方向场的扭曲度评估曲面光顺性。
*
* 算法:
* law_of_reflection: r = 2(n·l)n - l (入射光方向 l,法线 n)
* 扭曲度 = reflection_field 的方向导数幅值
*
* @param surface NURBS 曲面
* @param eye 观察点位置
* @param light 光源位置(若为平行光则传入方向向量远端)
* @param res_u u 方向分辨率
* @param res_v v 方向分辨率
* @return 反射线分析结果
*
* @note 对标 CGM Reflection Lines / Isophotes Analysis
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] ReflectionResult reflection_lines(
const NurbsSurface& surface,
const Point3D& eye,
const Point3D& light,
int res_u, int res_v);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Iso-Photes — 等照度分析
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 等照度线分析结果
struct IsoPhoteResult {
int res_u, res_v; ///< 网格分辨率
/// 照度值网格 ∈ [-1, 1](光源方向·法线的点积)
std::vector<std::vector<double>> illumination;
/// 等照度线密度分布(直方图)
std::vector<double> iso_histogram;
/// 等照度线连续性 — 梯度突变点
std::vector<std::pair<double,double>> gradient_discontinuities;
double grad_max = 0.0;
double grad_mean = 0.0;
};
/**
* @brief 等照度分析
*
* 计算光源照射下曲面上的等照度线(恒定 cosθ 线)。
* 等照度线在 G1 连续处平滑,在仅有 C0 处出现转折。
* 等照度线的质量直接反映曲面光顺度:
* - 间距均匀 → 曲率均匀
* - 无抖动 → 高阶连续性好
*
* @param surface NURBS 曲面
* @param res 分辨率(res × res 采样点)
* @return 等照度分析结果
*
* @note 对标 CGM Iso-Photes Analysis
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] IsoPhoteResult iso_photes(
const NurbsSurface& surface,
int res);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Surface Diagnosis — 综合曲面诊断报告
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 诊断等级
enum class DiagnosisGrade {
A_CLASS = 0, ///< A 级曲面 — 通过所有检测
B_CLASS = 1, ///< B 级曲面 — 可接受,有轻微缺陷
C_CLASS = 2, ///< C 级曲面 — 需要修复
FAIL = 3 ///< 不合格
};
/// 子项诊断结果
struct DiagnosisItem {
std::string name; ///< 诊断项名称
double value = 0.0; ///< 测量值
double threshold = 0.0; ///< 阈值
bool pass = false; ///< 是否通过
std::string description; ///< 描述
};
/// 综合曲面诊断报告
struct SurfaceDiagnosisReport {
DiagnosisGrade grade = DiagnosisGrade::FAIL;
/// 高斯曲率诊断
DiagnosisItem gaussian_range; ///< 高斯曲率范围
DiagnosisItem gaussian_continuity; ///< 高斯曲率连续性
/// 平均曲率诊断
DiagnosisItem mean_range; ///< 平均曲率范围
/// 高光线诊断
DiagnosisItem highlight_score; ///< 高光线评分
/// 反射线诊断
DiagnosisItem reflection_distortion; ///< 反射扭曲度
/// 等照度诊断
DiagnosisItem isophote_gradient; ///< 等照度梯度
/// 法线连续性
DiagnosisItem normal_jump; ///< 最大法线跳跃(角度°)
/// 主曲率方向场
DiagnosisItem principal_direction_flow; ///< 主方向场平滑度
/// 可展性
DiagnosisItem developability; ///< 可展面检测
double overall_score = 0.0; ///< 综合评分 [0, 100]
std::string recommendation; ///< 修复建议
};
/**
* @brief 综合曲面诊断报告
*
* 对单张 NURBS 曲面进行多项工业级质量检测,生成诊断报告:
* 1. 高斯/平均曲率范围及连续性
* 2. 高光线分析(4方向)
* 3. 反射线扭曲度
* 4. 等照度梯度
* 5. 法线连续性(内部采样)
* 6. 主曲率方向场流畅度
* 7. 可展面检测
*
* @param surface NURBS 曲面
* @return 综合诊断报告
*
* @note 对标 CGM Surface Diagnosis / CATIA Generative Shape Design
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] SurfaceDiagnosisReport surface_diagnosis(
const NurbsSurface& surface);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
// Shape Modification — 保形修改
// ═══════════════════════════════════════════════════════════
/// 约束点
struct ShapeConstraint {
Point3D target_point; ///< 目标位置
double u = 0.0; ///< 曲面参数 u
double v = 0.0; ///< 曲面参数 v
double weight = 1.0; ///< 约束权重
bool fix_position = true; ///< true=位置约束, false=仅法向约束
Vector3D target_normal; ///< 目标法向(仅 fix_position=false 时使用)
};
/// 保形修改结果
struct ShapeModificationResult {
NurbsSurface modified_surface; ///< 修改后的曲面
std::vector<Point3D> control_displacements; ///< 控制点位移
double max_displacement = 0.0; ///< 最大控制点位移
double energy_preserved_ratio = 0.0; ///< 应变能保持率 (0~1)
double boundary_deviation = 0.0; ///< 边界偏差
int iterations = 0; ///< 迭代次数
};
/**
* @brief 保形修改
*
* 在约束条件下修改曲面控制点,同时最小化曲面变形能量,
* 保持曲面的整体形状特征(边界、特征线等)。
*
* 算法:基于薄板样条能量最小化的约束优化
* E = Σ (||S(u_i,v_i) - target_i||² · w_i) + λ · bending_energy(S)
*
* @param surface NURBS 曲面
* @param constraints 约束点列表
* @return 修改结果
*
* @note 对标 CGM Shape Modification / Control Point Morphing
* @ingroup curves
*/
[[nodiscard]] ShapeModificationResult shape_modification(
const NurbsSurface& surface,
const std::vector<ShapeConstraint>& constraints);
} // namespace vde::curves