茂之钳
4b90438315
P2 — TolerantEdge (ACIS): - TolerantEdge: tube_radius, path_tolerance, is_within_tube, intersects - detect_tolerance_conflicts: VertexInSphere/EdgeInTube/FaceGap - resolve_tolerance_conflicts: auto merge vertices/edges/gaps P2 — .vde Native Format (ACIS): - Binary format: VdeHeader(32B), 6 SerializationSections - save_vde/load_vde: full B-Rep topology + geometry + tolerance + attributes - save_vde_json: debuggable JSON export P2 — Boolean Fallback Ladder (Parasolid): - 4-level cascade: SSI → tolerant → mesh → SDF - Level 4 never fails (SDF + MC mathematical guarantee) - BooleanFallbackResult with per-level diagnostics Total: +~2650 lines across 8 files
427 lines
14 KiB
C++
427 lines
14 KiB
C++
#pragma once
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/**
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* @file brep.h
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* @brief 边界表示（B-Rep）核心数据结构
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*
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* B-Rep（Boundary Representation）是 CAD 系统中最常用的实体表示方法，
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* 通过拓扑层次结构描述三维几何体的边界。
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*
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* ## 拓扑层次结构
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*
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* ```
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* Body (体) — 一个或多个封闭壳（含名称）
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* └─ Shell (壳) — 一组面的连续集合
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* └─ Face (面) — 曲面上由环界定的区域
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* └─ Loop (环) — 封闭的边界曲线（外环 + 内环/孔）
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* └─ Edge (边) — 曲面的边界段
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* └─ Vertex (顶点) — 边的端点
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* ```
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*
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* ## 实体引用关系
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*
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* 每个实体通过整数 ID 唯一标识。父实体通过 ID 向量引用子实体。
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* 曲面（NURBS Surface）独立存储，由面通过 surface_id 引用。
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* 曲线（NURBS Curve）作为边的几何定义存储。
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*
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* ## 使用模式
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*
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* @code{.cpp}
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* BrepModel model;
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* // 从顶点层开始构建
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* int v0 = model.add_vertex(Point3D(0, 0, 0));
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* int v1 = model.add_vertex(Point3D(1, 0, 0));
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* int e0 = model.add_edge(v0, v1);
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* int loop0 = model.add_loop({e0});
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* int s0 = model.add_surface(plane_surface);
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* int f0 = model.add_face(s0, {loop0});
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* int shell0 = model.add_shell({f0});
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* int body0 = model.add_body({shell0}, "MyPart");
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* @endcode
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*
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* 更常见的方式是使用 modeling.h 中的高层 API（make_box, extrude 等）。
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*
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* @ingroup brep
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*/
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#include "vde/core/point.h"
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#include "vde/core/aabb.h"
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#include "vde/curves/nurbs_curve.h"
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||
#include "vde/curves/nurbs_surface.h"
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#include "vde/brep/trimmed_surface.h"
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#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
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#include <vector>
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#include <memory>
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#include <string>
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#include <map>
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namespace vde::brep {
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using core::Point3D;
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using core::Vector3D;
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using core::AABB3D;
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// 前向声明（定义在 brep_heal.h）
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struct AutoHealReport;
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struct StepResult;
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/**
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* @brief 边曲线类型枚举
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*
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* 指定边所使用的曲线表示类别，
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* 影响 tessellation、布尔运算和文件交换时的处理方式。
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||
*/
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enum class CurveType { Line, Circle, Bezier, BSpline, Nurbs };
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// ═══════════════════════════════════════════════
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||
// 拓扑实体定义
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// ═══════════════════════════════════════════════
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/**
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* @brief 拓扑顶点
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*
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* 三维空间中的一个点，带有容差信息。
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* 容差用于判断顶点的"等同性"——在容差范围内的点被视为同一顶点。
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||
*/
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struct TopoVertex {
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||
int id; ///< 唯一定点 ID
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||
Point3D point; ///< 三维坐标
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||
double tolerance = 1e-6; ///< 几何容差
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};
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/**
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* @brief 拓扑边
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||
*
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||
* 连接两个顶点的有向曲线段。
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||
* - `reversed = false`: 方向从 v_start 到 v_end
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* - `reversed = true`: 方向从 v_end 到 v_start
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||
* - `curve` 可以是 nullptr（隐含直线边）
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||
*/
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struct TopoEdge {
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||
int id; ///< 唯一边 ID
|
||
int v_start, v_end; ///< 起点和终点顶点 ID
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||
std::shared_ptr<curves::NurbsCurve> curve; ///< 边的几何曲线（可为空，表示直线）
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||
bool reversed = false; ///< 是否相对于曲线参数方向反转
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||
};
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||
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||
/**
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||
* @brief 拓扑环（Loop）
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||
*
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||
* 一组首尾相连的边构成的封闭边界。
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||
* - 外环 (is_outer = true): 面的外部边界，逆时针为正
|
||
* - 内环 (is_outer = false): 面上的孔，顺时针为正
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||
*/
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||
struct TopoLoop {
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||
int id; ///< 唯一环 ID
|
||
std::vector<int> edges; ///< 边 ID 序列（按环的遍历顺序）
|
||
bool is_outer = true; ///< true = 外环, false = 内环（孔）
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||
};
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||
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||
/**
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||
* @brief 拓扑面
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||
*
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||
* 曲面上由一个或多个环界定的区域。
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||
* 面的正方向与曲面的法向量一致。
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||
* reversed = true 表示法向量取反。
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||
*/
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||
struct TopoFace {
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||
int id; ///< 唯一面 ID
|
||
int surface_id; ///< 关联的曲面 ID
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||
int trimmed_surface_id = -1; ///< 关联的裁剪曲面 ID（-1 表示不使用）
|
||
std::vector<int> loops; ///< 环 ID 列表（第一个为外环，后续为内环）
|
||
bool reversed = false; ///< 面法向量是否反转
|
||
};
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||
|
||
/**
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||
* @brief 拓扑壳
|
||
*
|
||
* 一组面的连续集合，构成空间的封闭或开放边界。
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||
* closed = true 表示壳封闭一个体积（水密）。
|
||
*/
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||
struct TopoShell {
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||
int id; ///< 唯一壳 ID
|
||
std::vector<int> faces; ///< 面 ID 列表
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||
bool closed = true; ///< 是否为封闭壳
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||
};
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||
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||
/**
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||
* @brief 拓扑体
|
||
*
|
||
* 一个或多个壳的集合，构成完整的几何实体。
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||
* name 用于在 STEP/IGES 文件中标识零件。
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||
*/
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||
struct TopoBody {
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||
int id; ///< 唯一体 ID
|
||
std::vector<int> shells; ///< 壳 ID 列表
|
||
std::string name; ///< 体名称（对应 STEP 中的 PRODUCT）
|
||
};
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||
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// ═══════════════════════════════════════════════
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||
// B-Rep 模型类
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// ═══════════════════════════════════════════════
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/**
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* @brief B-Rep 模型
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*
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* 完整的三维边界表示模型，包含几何和拓扑数据。
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*
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* ## 主要职责
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*
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* - **构建**: 通过 add_* 方法从底层构建拓扑结构
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* - **查询**: 获取顶点、面、边及它们的拓扑关系
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* - **导出**: 转换为三角网格（用于渲染）或导出到文件格式
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||
* - **验证**: 检查水密性和拓扑一致性
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||
*
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* ## 容差约定
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*
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* | 容差 | 典型值 | 用途 |
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* |-------------|---------|--------------------------|
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* | 顶点容差 | 1e-6 | 判断两点是否视为同一点 |
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* | 边曲线容差 | 1e-5 | 曲线拟合精度 |
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* | tessellation | 0.01 | 曲面转网格的弦高误差 |
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*
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* @see brep_validate.h 验证
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* @see modeling.h 高层建模 API
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* @see brep_boolean.h 布尔运算
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*/
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class BrepModel {
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public:
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BrepModel() = default;
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/**
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* @brief 添加顶点
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* @param p 顶点坐标
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* @return 新顶点的 ID
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*/
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int add_vertex(const Point3D& p);
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/** @brief 添加顶点（自动去重） * 若已有顶点在 tolerance 内，返回已有顶点索引。 */ int add_vertex_unique(const Point3D& p, double tolerance = 1e-9);
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||
/**
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||
* @brief 添加直线边
|
||
* @param v0 起点顶点 ID
|
||
* @param v1 终点顶点 ID
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||
* @return 新边的 ID
|
||
*/
|
||
int add_edge(int v0, int v1);
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 添加曲线边
|
||
* @param v0 起点顶点 ID
|
||
* @param v1 终点顶点 ID
|
||
* @param curve 边的几何曲线
|
||
* @return 新边的 ID
|
||
*/
|
||
int add_edge(int v0, int v1, const curves::NurbsCurve& curve);
|
||
/** @brief 添加边（自动去重） * 查找已有边连接相同的两个端点。 */ int add_edge_unique(int v0, int v1, double tolerance = 1e-9);
|
||
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||
/**
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||
* @brief 添加环
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||
* @param edges 环中边的 ID 序列（顺序连接）
|
||
* @param outer true = 外环, false = 内环
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||
* @return 新环的 ID
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||
*/
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||
int add_loop(const std::vector<int>& edges, bool outer = true);
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||
|
||
/**
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||
* @brief 添加面
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||
* @param surface_id 关联曲面 ID
|
||
* @param loops 环 ID 列表
|
||
* @return 新面的 ID
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||
*/
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||
int add_face(int surface_id, const std::vector<int>& loops);
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||
|
||
/**
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||
* @brief 设置面的裁剪曲面关联
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||
* @param face_idx 面索引
|
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* @param trimmed_surface_id 裁剪曲面 ID（-1 表示取消关联）
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||
*/
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||
void set_face_trimmed_surface(int face_idx, int trimmed_surface_id);
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||
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/**
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||
* @brief 添加壳
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||
* @param faces 面 ID 列表
|
||
* @param closed 是否为封闭壳
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||
* @return 新壳的 ID
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||
*/
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||
int add_shell(const std::vector<int>& faces, bool closed = true);
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||
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||
/**
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||
* @brief 添加体
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||
* @param shells 壳 ID 列表
|
||
* @param name 体名称
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||
* @return 新体的 ID
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||
*/
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||
int add_body(const std::vector<int>& shells, const std::string& name = "");
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 添加 NURBS 曲面
|
||
* @param surf NURBS 曲面定义
|
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* @return 新曲面的 ID
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||
*/
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int add_surface(const curves::NurbsSurface& surf);
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||
/**
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||
* @brief 添加裁剪曲面
|
||
* @param ts 裁剪曲面定义
|
||
* @return 新裁剪曲面的 ID
|
||
*/
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int add_trimmed_surface(const TrimmedSurface& ts);
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||
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// ── 计数查询 ──
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/** @brief 顶点数量 */
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||
[[nodiscard]] size_t num_vertices() const { return vertices_.size(); }
|
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||
/** @brief 边数量 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_edges() const { return edges_.size(); }
|
||
|
||
/** @brief 面数量 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_faces() const { return faces_.size(); }
|
||
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||
/** @brief 体数量 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_bodies() const { return bodies_.size(); }
|
||
|
||
/** @brief 曲面数量 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_surfaces() const { return surfaces_.size(); }
|
||
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||
/** @brief 裁剪曲面数量 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_trimmed_surfaces() const { return trimmed_surfaces_.size(); }
|
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||
// ── 元素访问（按数组索引 — 更快，适合顺序遍历） ──
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||
/** @brief 按数组索引访问顶点 */
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||
[[nodiscard]] const TopoVertex& vertex(int id) const { return vertices_[id]; }
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/** @brief 更新顶点位置（按数组索引） */
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void set_vertex_point(int idx, const Point3D& p) { vertices_[idx].point = p; }
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||
/** @brief 按唯一 ID 访问顶点（适用于边数据中的 ID 引用） */
|
||
[[nodiscard]] const TopoVertex& vertex_by_id(int id) const;
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||
/** @brief 按数组索引访问边 */
|
||
[[nodiscard]] const TopoEdge& edge(int id) const { return edges_[id]; }
|
||
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||
/** @brief 按数组索引访问面 */
|
||
[[nodiscard]] const TopoFace& face(int id) const { return faces_[id]; }
|
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||
/** @brief 按数组索引访问曲面 */
|
||
[[nodiscard]] const curves::NurbsSurface& surface(int id) const { return surfaces_[id]; }
|
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|
||
/** @brief 按数组索引访问裁剪曲面 */
|
||
[[nodiscard]] const TrimmedSurface& trimmed_surface(int id) const { return trimmed_surfaces_[id]; }
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|
||
/** @brief 按唯一 ID 访问环 */
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||
[[nodiscard]] const TopoLoop& loop_by_id(int id) const;
|
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|
||
/** @brief 获取所有环的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoLoop>& all_loops() const { return loops_; }
|
||
|
||
/** @brief 获取所有壳的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoShell>& all_shells() const { return shells_; }
|
||
|
||
/** @brief 获取所有体的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoBody>& all_bodies() const { return bodies_; }
|
||
|
||
/** @brief 获取所有顶点的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoVertex>& all_vertices() const { return vertices_; }
|
||
|
||
/** @brief 获取所有边的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoEdge>& all_edges() const { return edges_; }
|
||
|
||
/** @brief 获取所有面的只读引用 */
|
||
[[nodiscard]] const std::vector<TopoFace>& all_faces() const { return faces_; }
|
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||
// ── 几何/拓扑查询 ──
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/**
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||
* @brief 计算模型的轴对齐包围盒
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*
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||
* 遍历所有顶点，取最小/最大坐标。
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||
*
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||
* @return 包围盒（AABB）
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||
*/
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||
[[nodiscard]] core::AABB3D bounds() const;
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||
|
||
/**
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||
* @brief 检查模型有效性（快速版本）
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*
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||
* 进行基本检查：是否有顶点/边/面，ID 引用是否有效。
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* 完整验证请使用 brep_validate.h 中的 validate()。
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||
*
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||
* @return true 如果模型通过基本检查
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||
*
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||
* @see validate() 完整验证（水密性、方向一致性等）
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||
*/
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||
[[nodiscard]] bool is_valid() const;
|
||
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||
/**
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||
* @brief 将 B-Rep 模型 tessellate 为三角网格
|
||
*
|
||
* 所有曲面和曲线以给定的弦高误差 tessellate 为三角形。
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||
*
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||
* @param deflection 弦高误差（控制 tessellation 精度，默认 0.01）
|
||
* @return HalfedgeMesh 三角网格
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||
*
|
||
* @note deflection 越小网格越精细，但三角形数量显著增加。
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] mesh::HalfedgeMesh to_mesh(double deflection = 0.01) const;
|
||
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||
// ── 邻接关系查询 ──
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||
/**
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||
* @brief 获取面的所有边
|
||
*
|
||
* 展开面的所有环，收集其中包含的边 ID。
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||
*
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||
* @param face_id 面 ID
|
||
* @return 边 ID 列表（去重）
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||
*/
|
||
[[nodiscard]] std::vector<int> face_edges(int face_id) const;
|
||
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||
/**
|
||
* @brief 获取边的所有相邻面
|
||
*
|
||
* 反向查找：哪些面包含此边。
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||
* 在流形网格中每条边应有恰好 2 个相邻面。
|
||
*
|
||
* @param edge_id 边 ID
|
||
* @return 相邻面 ID 列表
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] std::vector<int> edge_faces(int edge_id) const;
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 获取顶点的所有相邻边
|
||
*
|
||
* @param vertex_id 顶点 ID
|
||
* @return 相邻边 ID 列表
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] std::vector<int> vertex_edges(int vertex_id) const;
|
||
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||
// ── 友元：拓扑修复 / 欧拉操作需要直接访问内部数据 ──
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||
friend int heal_merge_vertices(BrepModel&, double);
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||
friend int heal_merge_edges(BrepModel&, double);
|
||
friend int heal_close_gaps(BrepModel&, double);
|
||
friend int heal_gaps(BrepModel&, double);
|
||
friend int heal_slivers(BrepModel&);
|
||
friend int heal_orientation(BrepModel&);
|
||
friend bool heal_topology(BrepModel&, double);
|
||
friend int heal_step_import(BrepModel&);
|
||
friend AutoHealReport auto_heal_pipeline(BrepModel&, double);
|
||
friend StepResult step_stitch(BrepModel&, double);
|
||
friend StepResult step_simplify(BrepModel&, double);
|
||
friend StepResult step_regularize(BrepModel&, double);
|
||
friend StepResult step_orient(BrepModel&);
|
||
friend StepResult step_check(const BrepModel&);
|
||
friend class EulerOp;
|
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private:
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std::vector<TopoVertex> vertices_;
|
||
std::vector<TopoEdge> edges_;
|
||
std::vector<TopoLoop> loops_;
|
||
std::vector<TopoFace> faces_;
|
||
std::vector<TopoShell> shells_;
|
||
std::vector<TopoBody> bodies_;
|
||
std::vector<curves::NurbsSurface> surfaces_;
|
||
std::vector<TrimmedSurface> trimmed_surfaces_;
|
||
int next_id_ = 0;
|
||
};
|
||
|
||
} // namespace vde::brep
|