feat(v6.1): 5-axis CAM + reverse engineering + FEA mesh generation
v6.1.1 — 5-Axis CAM: - cam_5axis.h/.cpp: swarf_machining, multi_axis_roughing/finishing - 4 tool axis strategies, AC/BC/AB machine configs - inverse_kinematics, collision detection (holder+shank) - 30 tests, compilation passes v6.1.2 — Reverse Engineering: - point_cloud.h/.cpp: PointCloud class, PLY/E57/PTX loading - voxel_downsample, statistical_outlier_removal, kNN normal estimation - reverse_engineering.h/.cpp: Poisson surface reconstruction - mesh_to_nurbs_surface (quad remesh + LSQ fitting) - fit_plane (SVD), hole_filling, curvature-aware sampling - 19 tests v6.1.3 — FEA Mesh Generation: - fea_mesh.h/.cpp: tetrahedral (Delaunay 3D), boundary layer (prism) - hexahedral (sweep/extrude), adaptive refinement - MeshQuality: skewness, aspect_ratio, Jacobian, orthogonality - export_abaqus/ansys/nastran formats - 15 tests, 7/8 quality metrics verified
This commit is contained in:
茂之钳
@@ -0,0 +1,409 @@
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#pragma once
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/**
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* @file fea_mesh.h
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* @brief 高质量FEA有限元网格生成模块
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*
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* 提供四面体、边界层棱柱、六面体网格生成、自适应细化、
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* 网格质量评估及CAE格式（Abaqus/Ansys/Nastran）导出。
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*
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* ## 功能概览
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* - tetrahedral_mesh: Delaunay 3D + 质量优化四面体网格
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* - boundary_layer_mesh: 沿壁面法向拉伸棱柱边界层
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* - hexahedral_mesh: sweep/extrude 六面体网格
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* - adaptive_refinement: 基于误差估计的局部细化
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* - fea_quality_report: skewness/aspect_ratio/jacobian/orthogonality 报告
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* - export_abaqus / export_ansys / export_nastran: CAE 格式导出
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*
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* @ingroup mesh
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*/
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#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
|
||||
#include "vde/mesh/delaunay_3d.h"
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#include "vde/brep/brep.h"
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#include <vector>
|
||||
#include <array>
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#include <string>
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#include <functional>
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||||
#include <cstdio>
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namespace vde::mesh {
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using core::Point3D;
|
||||
using core::Vector3D;
|
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||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// FEA 单元类型
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||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
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||||
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||||
/**
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||||
* @brief FEA 单元拓扑类型
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||||
* @ingroup mesh
|
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*/
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enum class FEAElementType {
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Tet4, ///< 4节点线性四面体 (C3D4)
|
||||
Tet10, ///< 10节点二次四面体 (C3D10)
|
||||
Hex8, ///< 8节点线性六面体 (C3D8)
|
||||
Hex20, ///< 20节点二次六面体 (C3D20)
|
||||
Wedge6, ///< 6节点线性三棱柱/楔形 (C3D6)
|
||||
Wedge15, ///< 15节点二次三棱柱 (C3D15)
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};
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/// 获取单元类型对应的每单元节点数
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inline int nodes_per_element(FEAElementType t) {
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switch (t) {
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case FEAElementType::Tet4: return 4;
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||||
case FEAElementType::Tet10: return 10;
|
||||
case FEAElementType::Hex8: return 8;
|
||||
case FEAElementType::Hex20: return 20;
|
||||
case FEAElementType::Wedge6: return 6;
|
||||
case FEAElementType::Wedge15:return 15;
|
||||
}
|
||||
return 0;
|
||||
}
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||||
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||||
/// 获取单元类型名称
|
||||
inline const char* element_type_name(FEAElementType t) {
|
||||
switch (t) {
|
||||
case FEAElementType::Tet4: return "Tet4";
|
||||
case FEAElementType::Tet10: return "Tet10";
|
||||
case FEAElementType::Hex8: return "Hex8";
|
||||
case FEAElementType::Hex20: return "Hex20";
|
||||
case FEAElementType::Wedge6: return "Wedge6";
|
||||
case FEAElementType::Wedge15:return "Wedge15";
|
||||
}
|
||||
return "Unknown";
|
||||
}
|
||||
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||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// FEAMesh 数据结构
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||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
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||||
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||||
/**
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||||
* @brief FEA有限元网格
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*
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||||
* 存储顶点、单元连通性、边界面及单元类型信息。
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* 支持Tet4/Tet10/Hex8/Wedge6等常见FEA单元。
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||||
*
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||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
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||||
struct FEAMesh {
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||||
std::vector<Point3D> vertices; ///< 顶点坐标数组
|
||||
std::vector<std::vector<int>> elements; ///< 各单元顶点索引（长度 = nodes_per_element）
|
||||
FEAElementType element_type = FEAElementType::Tet4; ///< 单元类型
|
||||
std::vector<int> material_ids; ///< 各单元材料ID（可选，默认0）
|
||||
std::vector<std::vector<int>> boundary_faces;///< 边界面（用于施加BC），顶点索引数组
|
||||
std::vector<int> boundary_face_tags; ///< 边界面标签（与boundary_faces一一对应）
|
||||
|
||||
/** @brief 单元总数 */
|
||||
[[nodiscard]] size_t num_elements() const { return elements.size(); }
|
||||
/** @brief 顶点总数 */
|
||||
[[nodiscard]] size_t num_vertices() const { return vertices.size(); }
|
||||
/** @brief 边界面总数 */
|
||||
[[nodiscard]] size_t num_boundary_faces() const { return boundary_faces.size(); }
|
||||
/** @brief 每单元节点数 */
|
||||
[[nodiscard]] int npe() const { return nodes_per_element(element_type); }
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// 网格生成参数
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 四面体网格生成参数
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||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
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||||
struct TetMeshParams {
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||||
double min_angle = 15.0; ///< 最小二面角（度），太小导致刚度矩阵病态
|
||||
double max_aspect_ratio = 5.0; ///< 最大长宽比（外接球半径/最短边）
|
||||
double max_size = 0.0; ///< 最大单元尺寸，0 = 自动（包围盒对角线的 5%）
|
||||
double min_size = 0.0; ///< 最小单元尺寸，0 = max_size/10
|
||||
int quality_iterations = 3; ///< 质量优化迭代次数（Laplacian光顺+边翻转）
|
||||
bool keep_surface = true; ///< 是否保持原表面顶点位置
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 边界层网格参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
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||||
struct BLPParams {
|
||||
double first_cell_height = 0.001; ///< 第一层棱柱高度（壁面法向距离）
|
||||
double growth_rate = 1.2; ///< 相邻层高度增长率（>1.0）
|
||||
int num_layers = 5; ///< 棱柱层数
|
||||
double total_thickness = 0.0; ///< 边界层总厚度，0 = 自动（first * (growth^n - 1)/(growth - 1)）
|
||||
bool smooth_transition = true; ///< 是否平滑过渡到内部网格
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 六面体网格参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
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||||
struct HexMeshParams {
|
||||
int sweep_layers = 1; ///< sweep 方向层数
|
||||
double sweep_distance = 0.0; ///< sweep 总距离，0 = 自动（包围盒最小维度）
|
||||
bool use_quad_dominant = true; ///< 源面是否使用四边形主导网格
|
||||
double cell_size = 0.0; ///< 目标单元尺寸，0 = 自动
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// 网格质量评估
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief FEA网格质量报告
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||||
*
|
||||
* 包含 skewness（偏斜度）、aspect_ratio（长宽比）、
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||||
* jacobian（雅可比）、orthogonality（正交性）四项
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||||
* 核心FEA网格质量指标。
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||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
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||||
struct FEAQualityReport {
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||||
/// 偏斜度 (skewness): 实际单元与理想单元的偏差，[0,1]，0=最优
|
||||
double min_skewness = 0.0;
|
||||
double max_skewness = 0.0;
|
||||
double avg_skewness = 0.0;
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||||
|
||||
/// 长宽比 (aspect ratio): 最长边/最短边，(Fluent: 1=最佳)
|
||||
double min_aspect_ratio = 0.0;
|
||||
double max_aspect_ratio = 0.0;
|
||||
double avg_aspect_ratio = 0.0;
|
||||
|
||||
/// 归一化雅可比 (scaled jacobian): [0,1]，1=正单元，0=退化，<0=反转
|
||||
double min_jacobian = 0.0;
|
||||
double max_jacobian = 0.0;
|
||||
double avg_jacobian = 0.0;
|
||||
|
||||
/// 正交性 (orthogonality): 面法向与质心连线的夹角余弦，[0,1]，1=完美正交
|
||||
double min_orthogonality = 0.0;
|
||||
double max_orthogonality = 0.0;
|
||||
double avg_orthogonality = 0.0;
|
||||
|
||||
size_t total_elements = 0; ///< 单元总数
|
||||
size_t degenerate_elements = 0; ///< 退化单元数 (Jacobian < 0.01)
|
||||
size_t inverted_elements = 0; ///< 反转单元数 (Jacobian < 0)
|
||||
|
||||
/// 分级统计 (A=优秀 B=良好 C=合格 D=差 F=不合格，按Jacobian)
|
||||
size_t grade_A = 0, grade_B = 0, grade_C = 0, grade_D = 0, grade_F = 0;
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// 自适应细化
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 误差估计函数类型
|
||||
*
|
||||
* 对给定单元返回估计误差值（≥0），值越大表示该单元越需要细化。
|
||||
*
|
||||
* @param element_idx 单元索引
|
||||
* @param mesh 所属网格
|
||||
* @return 误差估计值（非负）
|
||||
*/
|
||||
using ErrorEstimator = std::function<double(int element_idx, const FEAMesh& mesh)>;
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 自适应细化参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct RefinementParams {
|
||||
double error_threshold = 0.5; ///< 相对误差阈值（高于此值的单元被细化）
|
||||
double refinement_fraction = 0.2; ///< 每次细化单元比例（0~1）
|
||||
int max_iterations = 3; ///< 最大细化迭代次数
|
||||
bool smooth_after_refine = true; ///< 细化后是否光顺
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// 网格生成 API
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 生成四面体FEA网格（Delaunay 3D + 质量优化）
|
||||
*
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||||
* 对 BrepModel 进行 tessellation 获取表面三角网格，
|
||||
* 采样内部点后进行 Delaunay 3D 四面体化，
|
||||
* 再进行 Laplacian 光顺 + 边翻转优化质量。
|
||||
*
|
||||
* @param body B-Rep实体模型
|
||||
* @param params 四面体化参数（最小角、长宽比约束等）
|
||||
* @return FEAMesh 四面体网格
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* auto box = vde::brep::make_box(1, 1, 1);
|
||||
* TetMeshParams p;
|
||||
* p.min_angle = 18.0;
|
||||
* p.max_aspect_ratio = 4.0;
|
||||
* auto mesh = tetrahedral_mesh(box, p);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
FEAMesh tetrahedral_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||||
const TetMeshParams& params = {});
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 生成边界层棱柱网格
|
||||
*
|
||||
* 沿B-Rep模型壁面法向拉伸多层棱柱单元，
|
||||
* 用于CFD边界层捕捉（y+控制）。
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||||
* 先对表面进行三角化，然后每层沿法向偏移。
|
||||
*
|
||||
* @param body B-Rep实体模型
|
||||
* @param params 边界层参数（首层高度、增长率、层数）
|
||||
* @return FEAMesh 棱柱网格 (Wedge6)
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* BLPParams p;
|
||||
* p.first_cell_height = 0.0001;
|
||||
* p.growth_rate = 1.15;
|
||||
* p.num_layers = 10;
|
||||
* auto bl = boundary_layer_mesh(wing, p);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
FEAMesh boundary_layer_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||||
const BLPParams& params = {});
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 生成六面体网格（sweep/extrude策略）
|
||||
*
|
||||
* 将B-Rep模型的一个面（源面）四边形化，
|
||||
* 然后沿法向 sweep 生成六面体层。
|
||||
* 适用于拉伸体/棱柱体等 sweepable 几何。
|
||||
*
|
||||
* @param body B-Rep实体模型
|
||||
* @param params 六面体化参数
|
||||
* @return FEAMesh 六面体网格 (Hex8)
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* auto cylinder = vde::brep::make_cylinder(1, 3);
|
||||
* HexMeshParams p;
|
||||
* p.sweep_layers = 5;
|
||||
* auto mesh = hexahedral_mesh(cylinder, p);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
FEAMesh hexahedral_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||||
const HexMeshParams& params = {});
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 自适应网格细化
|
||||
*
|
||||
* 基于误差估计函数对高误差区域进行局部细分。
|
||||
* 支持边中点分裂细化（适用于Tet4→4×Tet4子单元）。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh 输入FEA网格
|
||||
* @param estimator 误差估计函数
|
||||
* @param params 细化参数
|
||||
* @return FEAMesh 细化后的网格
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* auto estimator = [](int ei, const FEAMesh& m) -> double {
|
||||
* // 基于应力梯度的误差估计
|
||||
* return stress_gradient_norm(ei, m);
|
||||
* };
|
||||
* auto refined = adaptive_refinement(mesh, estimator);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
FEAMesh adaptive_refinement(const FEAMesh& mesh,
|
||||
const ErrorEstimator& estimator,
|
||||
const RefinementParams& params = {});
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// 质量评估 API
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 评估FEA网格质量
|
||||
*
|
||||
* 计算四项核心质量指标：
|
||||
* - skewness: 偏斜度（实际vs理想单元的偏差）
|
||||
* - aspect_ratio: 长宽比
|
||||
* - jacobian: 归一化雅可比行列式
|
||||
* - orthogonality: 正交性（面法向与质心连线夹角）
|
||||
*
|
||||
* 自动根据 element_type 选择对应算法（Tet/Hex/Wedge）。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh FEA网格
|
||||
* @return FEAQualityReport 质量报告
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
FEAQualityReport fea_quality_report(const FEAMesh& mesh);
|
||||
|
||||
// ── 单项质量指标 ──
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 计算单元的偏斜度
|
||||
* @param verts 单元顶点数组
|
||||
* @param type 单元类型
|
||||
* @return skewness [0,1]，0=理想单元
|
||||
*/
|
||||
double element_skewness(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 计算单元的长宽比
|
||||
* @param verts 单元顶点数组
|
||||
* @param type 单元类型
|
||||
* @return aspect_ratio ≥ 1，1=理想
|
||||
*/
|
||||
double element_aspect_ratio(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 计算单元的归一化雅可比
|
||||
* @param verts 单元顶点数组
|
||||
* @param type 单元类型
|
||||
* @return scaled_jacobian [0,1]，1=正四面体/正方体，0=退化
|
||||
*/
|
||||
double element_scaled_jacobian(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 计算单元的正交性
|
||||
* @param verts 单元顶点数组
|
||||
* @param type 单元类型
|
||||
* @return orthogonality [0,1]，1=完全正交（面法向与对面质心连线平行）
|
||||
*/
|
||||
double element_orthogonality(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||||
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
// CAE 格式导出
|
||||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 导出 Abaqus 输入文件 (.inp)
|
||||
*
|
||||
* 生成包含 *NODE 和 *ELEMENT 卡的 Abaqus 输入文件。
|
||||
* 支持 Tet4 (C3D4), Tet10 (C3D10), Hex8 (C3D8), Wedge6 (C3D6)。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh FEA网格
|
||||
* @param filepath 输出文件路径
|
||||
* @return 成功返回 true
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
bool export_abaqus(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 导出 Ansys CDB 文件 (.cdb)
|
||||
*
|
||||
* 生成包含 NBLOCK 和 EBLOCK 的 Ansys CDB 格式文件。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh FEA网格
|
||||
* @param filepath 输出文件路径
|
||||
* @return 成功返回 true
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
bool export_ansys(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 导出 Nastran 批量数据文件 (.bdf/.dat)
|
||||
*
|
||||
* 生成包含 GRID 和 CTETRA/CHEXA/CPENTA 卡的 Nastran 输入文件。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh FEA网格
|
||||
* @param filepath 输出文件路径
|
||||
* @return 成功返回 true
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
bool export_nastran(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
|
||||
|
||||
} // namespace vde::mesh
|
||||
@@ -0,0 +1,127 @@
|
||||
#pragma once
|
||||
#include "vde/core/point.h"
|
||||
#include "vde/core/aabb.h"
|
||||
#include <vector>
|
||||
#include <string>
|
||||
#include <cstdint>
|
||||
#include <array>
|
||||
|
||||
namespace vde::mesh {
|
||||
using core::Point3D;
|
||||
using core::Vector3D;
|
||||
using core::AABB3D;
|
||||
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
// PointCloud 点云类
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云数据结构
|
||||
*
|
||||
* 存储顶点位置、法线、颜色（可选）及包围盒信息。
|
||||
* 支持 PLY/E57/PTX 加载，体素降采样、统计离群点剔除、kNN 法线估计。
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
class PointCloud {
|
||||
public:
|
||||
std::vector<Point3D> vertices; ///< 顶点位置
|
||||
std::vector<Vector3D> normals; ///< 顶点法线（归一化，空数组表示未计算）
|
||||
std::vector<std::array<uint8_t, 3>> colors; ///< RGB 颜色（0-255，空数组表示无颜色）
|
||||
|
||||
PointCloud() = default;
|
||||
|
||||
/// 从顶点列表构造（无颜色/法线）
|
||||
explicit PointCloud(std::vector<Point3D> pts) : vertices(std::move(pts)) {}
|
||||
|
||||
/// 顶点数
|
||||
[[nodiscard]] size_t size() const { return vertices.size(); }
|
||||
/// 是否有法线
|
||||
[[nodiscard]] bool has_normals() const { return !normals.empty(); }
|
||||
/// 是否有颜色
|
||||
[[nodiscard]] bool has_colors() const { return !colors.empty(); }
|
||||
|
||||
/// 包围盒
|
||||
[[nodiscard]] AABB3D bounds() const;
|
||||
|
||||
// ── I/O ──────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/// 加载 PLY 点云文件（ASCII 或 binary little-endian）
|
||||
static PointCloud load_ply(const std::string& path);
|
||||
|
||||
/// 加载 E57 点云文件（简化解析：仅提取 CartesianBounds + points3D）
|
||||
static PointCloud load_e57(const std::string& path);
|
||||
|
||||
/// 加载 PTX 格式点云（Leica 扫描仪原始格式）
|
||||
static PointCloud load_ptx(const std::string& path);
|
||||
|
||||
/// 保存为 PLY 文件
|
||||
bool save_ply(const std::string& path) const;
|
||||
|
||||
// ── 滤波 / 降采样 ────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 体素降采样
|
||||
* @param voxel_size 体素边长
|
||||
* @return 降采样后的点云（每个体素用质心代替）
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] PointCloud voxel_downsample(double voxel_size) const;
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 统计离群点剔除（SOR）
|
||||
* @param k 邻域点数（默认 6）
|
||||
* @param std_ratio 标准差倍率阈值（默认 1.0），超过 mean+k*std_ratio 的点标记为离群
|
||||
* @return 剔除离群点后的点云
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] PointCloud statistical_outlier_removal(int k = 6, double std_ratio = 1.0) const;
|
||||
|
||||
// ── 法线估计 ──────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief kNN 法线估计
|
||||
*
|
||||
* 对每个点，找到 k 个最近邻点，用 PCA 估计法线（最小特征值对应方向）。
|
||||
* 法线方向通过视角向量（点→原点方向）统一朝向。
|
||||
*
|
||||
* @param k 最近邻点数（≥ 3）
|
||||
* @return 估计了法线的新点云
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] PointCloud normal_estimation(int k = 10) const;
|
||||
|
||||
// ── 曲率感知采样 ──────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 曲率感知降采样
|
||||
*
|
||||
* 计算每点局部曲率近似，按曲率加权采样：高曲率区域保留更多点。
|
||||
*
|
||||
* @param target_count 目标点数
|
||||
* @return 采样后的索引数组
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] std::vector<size_t> curvature_aware_sampling(size_t target_count) const;
|
||||
|
||||
// ── 平滑滤波 ──────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 双边滤波平滑
|
||||
*
|
||||
* 对点云位置进行法向加权的双边滤波去噪，保持尖锐特征。
|
||||
*
|
||||
* @param sigma_c 空间高斯 σ（0 = 自动按平均点距计算）
|
||||
* @param sigma_n 法向高斯 σ（弧度）
|
||||
* @param iterations 迭代次数
|
||||
* @return 平滑后的新点云
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] PointCloud smoothing_filter(double sigma_c = 0.0,
|
||||
double sigma_n = 0.3,
|
||||
int iterations = 3) const;
|
||||
|
||||
private:
|
||||
/** 构建 k-d 树索引，返回每个顶点的 k 最近邻索引 */
|
||||
[[nodiscard]] std::vector<std::vector<size_t>> k_nearest_neighbors(size_t k) const;
|
||||
|
||||
/** 协方差矩阵 PCA：计算三个特征值，返回最小特征值对应的特征向量 */
|
||||
[[nodiscard]] static Vector3D pca_normal(const std::vector<Point3D>& local_pts);
|
||||
};
|
||||
|
||||
} // namespace vde::mesh
|
||||
@@ -0,0 +1,235 @@
|
||||
#pragma once
|
||||
#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
|
||||
#include "vde/mesh/point_cloud.h"
|
||||
#include "vde/curves/nurbs_surface.h"
|
||||
#include <vector>
|
||||
#include <functional>
|
||||
|
||||
namespace vde::mesh {
|
||||
using core::Point3D;
|
||||
using core::Vector3D;
|
||||
using core::AABB3D;
|
||||
using curves::NurbsSurface;
|
||||
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
// 参数结构体
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief Poisson 曲面重建参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct PoissonReconParams {
|
||||
int max_depth = 8; ///< 八叉树最大深度（越高越精细）
|
||||
int min_depth = 3; ///< 八叉树最小深度
|
||||
double point_weight = 4.0; ///< 插值点权重（越高越贴近输入点）
|
||||
int solver_divide = 8; ///< 求解器分块大小
|
||||
int iso_divide = 8; ///< 等值面提取分块大小
|
||||
double samples_per_node = 1.5; ///< 每节点采样数
|
||||
bool scale_fit = true; ///< 是否缩放到单位立方体
|
||||
double confidence = 0.0; ///< 点置信度（0=均匀权重）
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 四边形重网格化参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct QuadRemeshParams {
|
||||
int target_quads = 400; ///< 目标四边形数量
|
||||
double edge_length = 0.0; ///< 目标边长（0=自动）
|
||||
double regularity = 0.5; ///< 规则性权重 [0,1]
|
||||
double sharpness = 0.5; ///< 特征保持权重 [0,1]
|
||||
int iterations = 10; ///< 迭代次数
|
||||
bool adaptive_size = false; ///< 自适应边长（曲率区域更密）
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief NURBS 拟合参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct NURBSFitParams {
|
||||
int degree_u = 3; ///< u 向阶次
|
||||
int degree_v = 3; ///< v 向阶次
|
||||
int num_cp_u = 8; ///< u 向控制点数（≥ degree_u+1）
|
||||
int num_cp_v = 8; ///< v 向控制点数（≥ degree_v+1）
|
||||
double smoothness = 0.001; ///< 平滑项权重（Tikhonov 正则化）
|
||||
int max_iterations = 50; ///< 最小二乘迭代上限
|
||||
double tolerance = 1e-6; ///< 收敛容差
|
||||
bool use_weights = true; ///< 是否使用有理权重拟合（NURBS vs B-spline）
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云→网格综合参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct PointCloudToMeshParams {
|
||||
int knn = 10; ///< 法线估计 kNN
|
||||
double voxel_size = 0.0; ///< 预降采样体素尺寸（0=跳过）
|
||||
bool remove_outliers = true; ///< 是否先剔除统计离群点
|
||||
PoissonReconParams poisson; ///< Poisson 重建参数
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 网格→NURBS 综合参数
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
struct MeshToNURBSParams {
|
||||
QuadRemeshParams quad; ///< 四边形重网格化参数
|
||||
NURBSFitParams nurbs; ///< NURBS 拟合参数
|
||||
bool smooth_before_remesh = false; ///< 重网格化前是否平滑
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
// 拟合结果
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/// 平面拟合结果
|
||||
struct PlaneFitResult {
|
||||
Point3D origin; ///< 平面上一点（点云质心）
|
||||
Vector3D normal; ///< 平面法向量（单位向量）
|
||||
double rms_error; ///< RMS 拟合误差
|
||||
bool valid; ///< 拟合是否有效
|
||||
};
|
||||
|
||||
/// 曲面片拟合结果
|
||||
struct PatchFitResult {
|
||||
NurbsSurface surface; ///< 拟合的 NURBS 曲面
|
||||
double rms_error; ///< RMS 拟合误差
|
||||
double max_error; ///< 最大偏差
|
||||
bool valid; ///< 拟合是否有效
|
||||
};
|
||||
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
// 核心函数声明
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云 → 三角网格（Poisson 曲面重建）
|
||||
*
|
||||
* 完整流水线：法线估计 → Poisson 隐式曲面重建 → 等值面提取。
|
||||
*
|
||||
* @param cloud 输入点云（可无法线，内部自动估计）
|
||||
* @param params 控制参数
|
||||
* @return 重建的三角网格
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* PointCloudToMeshParams p;
|
||||
* p.knn = 10; p.voxel_size = 0.02;
|
||||
* auto mesh = point_cloud_to_mesh(cloud, p);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
HalfedgeMesh point_cloud_to_mesh(const PointCloud& cloud,
|
||||
const PointCloudToMeshParams& params = {});
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 网格 → NURBS 曲面
|
||||
*
|
||||
* 流水线：四边形重网格化 → 参数化 → 控制点最小二乘拟合。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh 输入三角网格
|
||||
* @param params 控制参数
|
||||
* @return 拟合的 NURBS 曲面
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* MeshToNURBSParams p;
|
||||
* p.quad.target_quads = 200;
|
||||
* p.nurbs.num_cp_u = 6; p.nurbs.num_cp_v = 6;
|
||||
* auto surf = mesh_to_nurbs_surface(mesh, p);
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
NurbsSurface mesh_to_nurbs_surface(const HalfedgeMesh& mesh,
|
||||
const MeshToNURBSParams& params = {});
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云平面拟合（SVD 最小二乘）
|
||||
*
|
||||
* @param points 输入点列表
|
||||
* @return 平面拟合结果（origin, normal, rms_error）
|
||||
*
|
||||
* @code{.cpp}
|
||||
* auto plane = fit_plane(points);
|
||||
* // plane.normal 是单位法向量，plane.origin 是质心
|
||||
* @endcode
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
PlaneFitResult fit_plane(const std::vector<Point3D>& points);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云曲面片 NURBS 拟合
|
||||
*
|
||||
* 将点云拟合为指定阶次的 NURBS 曲面片：先将点投影到拟合平面上，
|
||||
* 在参数域中均匀采样构造控制网格，再用最小二乘优化控制点位置。
|
||||
*
|
||||
* @param points 输入点列表
|
||||
* @param degree_u u 向阶次
|
||||
* @param degree_v v 向阶次
|
||||
* @param num_cp_u u 向控制点数
|
||||
* @param num_cp_v v 向控制点数
|
||||
* @return 拟合结果（NURBS 曲面 + 误差）
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
PatchFitResult fit_patch(const std::vector<Point3D>& points,
|
||||
int degree_u = 3, int degree_v = 3,
|
||||
int num_cp_u = 8, int num_cp_v = 8);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云曲率感知采样
|
||||
*
|
||||
* 计算局部曲率近似，高曲率区域保留更多点，低曲率区域用较少点表示。
|
||||
*
|
||||
* @param points 输入点列表
|
||||
* @param target_count 目标保留点数
|
||||
* @return 采样后的点索引数组
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
std::vector<size_t> curvature_aware_sampling(const std::vector<Point3D>& points,
|
||||
size_t target_count);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 网格孔洞填充
|
||||
*
|
||||
* 检测边界环，对每个孔洞用 fan 三角化（或最小面积三角化）填充。
|
||||
*
|
||||
* @param mesh 输入网格
|
||||
* @param max_hole_edges 最大孔洞边界边数（超过此数的孔洞不填充，0=无限制）
|
||||
* @return 填充后的网格
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
HalfedgeMesh hole_filling(const HalfedgeMesh& mesh, int max_hole_edges = 0);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云平滑滤波
|
||||
*
|
||||
* 对点云位置进行各向同性拉普拉斯 + 双边滤波去噪。
|
||||
*
|
||||
* @param points 输入点列表
|
||||
* @param sigma 高斯核 σ（控制平滑强度）
|
||||
* @param iterations 迭代次数
|
||||
* @return 平滑后的点列表
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
std::vector<Point3D> smoothing_filter(const std::vector<Point3D>& points,
|
||||
double sigma = 0.5, int iterations = 3);
|
||||
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
// 法线估计（独立函数）
|
||||
// ───────────────────────────────────────────────────────────
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 点云法线估计（kNN + PCA）
|
||||
*
|
||||
* @param points 输入点列表
|
||||
* @param k 最近邻点数
|
||||
* @return 估计的法线向量列表
|
||||
*
|
||||
* @ingroup mesh
|
||||
*/
|
||||
std::vector<Vector3D> estimate_normals(const std::vector<Point3D>& points, int k = 10);
|
||||
|
||||
} // namespace vde::mesh
|
||||
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