ViewDesignEngine
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P0 实现（11/11 完成，0 stub 残留）： - mesh: QEM 简化、Laplacian 平滑、质量评估、修复、3D 布尔 - spatial: Octree、KD-Tree、R-Tree 完整实现 - collision: GJK 距离+EPA 穿透深度、SAT、Tri-Tri 相交 - boolean: Vatti 2D 布尔扫描线算法 - core: 3D 凸包 QuickHull - spatial/BVH: 最近命中查询（AABB slab + Möller-Trumbore） 文档新增： - 05-核心竞争力与差异化功能（14 项独有功能） - SRS 扩展到 16 类 FR、100+ 条目 - 杀手功能：约束求解器/SDF隐式建模/可微分几何/惰性管线/Python绑定
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# 需求规格说明书（v1.0 完整版）
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## 目录
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1. [引言](#1-引言)
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2. [功能需求](#2-功能需求)
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- FR-01 基本几何类型
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- FR-02 几何变换
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- FR-03 曲线建模
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- FR-04 曲面建模
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- FR-05 网格处理
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- FR-06 布尔运算
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- FR-07 空间索引
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- FR-08 碰撞检测
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- FR-09 几何计算
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- FR-10 公差与精度
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- FR-11 B-Rep 实体建模
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- FR-12 离散化与重建
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- FR-13 数据交换
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- FR-14 高级算法
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3. [非功能需求](#3-非功能需求)
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4. [版本规划](#4-版本规划)
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## 1. 引言
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### 1.1 目的
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本文档定义 ViewDesignEngine 几何算法引擎的完整功能需求与非功能需求，覆盖 v0.1.0 到 v2.0.0 的全部规划。
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### 1.2 范围
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对标 CGAL + OCCT + Manifold + Clipper2 + libigl 五个引擎的核心功能交集，提供从基础几何运算到工业级 B-Rep 建模的全栈几何计算能力。
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### 1.3 对标基线
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> 前置阅读：[市场调研与竞品分析](01-市场调研与竞品分析.md) | [功能差距分析](04-功能差距分析.md)
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| 竞品 | 对标方向 | 差距项数 |
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| Clipper2 | 2D 布尔精度与速度 | 2 |
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| Manifold | 3D 网格布尔速度与鲁棒性 | 2 |
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| libigl | 网格处理完整度 | 5 |
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| OCCT | B-Rep 建模能力 | 7 |
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| CGAL | 算法广度 | 8 |
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### 1.4 术语
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| 术语 | 定义 |
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| CSG | 构造实体几何（Constructive Solid Geometry） |
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| NURBS | 非均匀有理 B 样条 |
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| BVH | 包围体层次结构 |
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| GJK/EPA | GJK 碰撞检测 + EPA 穿透深度 |
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| QEM | 二次误差度量（网格简化） |
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| B-Rep | 边界表示法 |
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| CDT | 约束 Delaunay 三角剖分 |
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| Vatti | Vatti 扫描线算法（2D 布尔黄金标准） |
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## 2. 功能需求
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> 标记说明：✅ 已实现 🔨 实现中 📋 已规划 🔜 远期目标
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### FR-01：基本几何类型
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-01.1 | Point2D / Point3D | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.2 | Vector2D / Vector3D（点积/叉积/归一化） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.3 | Line / Ray / Segment | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.4 | Plane（法向量 + 有符号距离） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.5 | Triangle（面积/法向量/重心坐标/点包含） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.6 | Polygon2D（面积/点包含/CCW 判断） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.7 | AABB（轴对齐包围盒） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-01.8 | OBB（定向包围盒） | CGAL Optimal Bounding Box | 🔜 P4 |
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### FR-02：几何变换
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-02.1 | 平移/旋转/缩放（3D） | CGAL Kernel | ✅ |
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| FR-02.2 | 4×4 齐次变换矩阵 | Eigen | ✅ |
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| FR-02.3 | 组合变换链 | CGAL | ✅ |
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| FR-02.4 | 反射/镜像变换 | CGAL | 📋 P1 |
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### FR-03：曲线建模
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-03.1 | Bezier 曲线（任意阶） | CGAL | ✅ |
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| FR-03.2 | B-Spline 曲线 | CGAL | ✅ |
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| FR-03.3 | NURBS 曲线（Cox-de Boor 求值） | CGAL NURBS | ✅ |
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| FR-03.4 | 曲线一阶/二阶导数 | CGAL | 🔨 部分实现 |
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| FR-03.5 | 曲线分割与拼接 | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-03.6 | 曲线升阶 | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-03.7 | 曲线弧长参数化 | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-03.8 | 曲线-曲线求交 | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-03.9 | 曲线投影（点到曲线最近点） | CGAL | 📋 P2 |
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### FR-04：曲面建模
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-04.1 | Bezier 曲面 | CGAL | ✅ |
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| FR-04.2 | B-Spline 曲面 | CGAL | ✅ |
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| FR-04.3 | NURBS 曲面（张量积） | CGAL / OCCT | 🔨 部分实现 |
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| FR-04.4 | 曲面求值与求导 | CGAL | 🔨 |
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| FR-04.5 | 曲面法向量计算 | CGAL | ✅ |
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| FR-04.6 | 曲面离散化（三角网格化） | CGAL | ✅ |
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| FR-04.7 | 曲面修剪（Trimmed Surface） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-04.8 | 曲面-曲面求交 | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-04.9 | 直纹面（Ruled Surface） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-04.10 | 旋转面（Surface of Revolution） | OCCT | 📋 P2 |
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### FR-05：网格处理
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-05.1 | 半边数据结构（Half-Edge） | CGAL Polyhedron | ✅ |
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| FR-05.2 | Delaunay 三角剖分 2D（Bowyer-Watson） | CGAL 2D Triangulation | ✅ |
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| FR-05.3 | 约束 Delaunay 三角剖分 2D（CDT） | CGAL / Triangle | 📋 P1 |
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| FR-05.4 | 3D Delaunay 四面体剖分 | CGAL 3D Triangulation | 📋 P1 |
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| FR-05.5 | **网格简化（QEM）** | CGAL / libigl | 🔨 P0 |
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| FR-05.6 | **网格平滑（Laplacian / Taubin）** | libigl | 🔨 P0 |
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| FR-05.7 | **网格质量评估** | CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-05.8 | **网格修复（水密化/孔洞填充/去除非流形）** | Manifold / CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-05.9 | 网格细分（Loop / Catmull-Clark） | libigl | 📋 P2 |
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| FR-05.10 | 网格重网格化（Isotropic Remeshing） | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-05.11 | 网格参数化（Tutte / LSCM） | libigl | 📋 P2 |
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| FR-05.12 | 测地线距离 | libigl / CGAL | 📋 P1 |
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| FR-05.13 | 离散曲率（高斯曲率/平均曲率） | libigl | 📋 P1 |
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| FR-05.14 | 网格法向量（面/顶点/角） | CGAL | ✅ |
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### FR-06：布尔运算
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-06.1 | **2D 多边形布尔（Vatti 算法）** | Clipper2 | 🔨 P0 |
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| FR-06.2 | 2D 多边形偏移（膨胀/腐蚀） | Clipper2 | 📋 P1 |
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| FR-06.3 | **3D 网格布尔（并/交/差）** | Manifold / CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-06.4 | B-Rep 实体布尔 | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-06.5 | Nef 多面体精确布尔 | CGAL | 🔜 P4 |
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### FR-07：空间索引
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-07.1 | BVH（SAH 构建 + 射线/范围/KNN 查询） | CGAL AABB Tree | 🔨 基础版 |
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| FR-07.2 | **BVH 最近命中查询** | CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-07.3 | Octree（点云/网格） | CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-07.4 | KD-Tree（KNN/范围查询） | CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-07.5 | R-Tree（空间对象索引） | GEOS / CGAL | 🔨 P1 |
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| FR-07.6 | 空间索引抽象接口 | — | ✅ |
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### FR-08：碰撞检测
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-08.1 | GJK 相交判断 | — | ✅ |
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| FR-08.2 | **GJK 最小距离计算** | — | 🔨 P0 |
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| FR-08.3 | **EPA 穿透深度（碰撞点+法向量+深度）** | — | 🔨 P0 |
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| FR-08.4 | SAT 多面体碰撞 | — | 🔨 P1 |
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| FR-08.5 | 射线-三角形相交（Möller-Trumbore） | — | ✅ |
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| FR-08.6 | 射线-网格相交（利用 BVH） | — | 📋 P1 |
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| FR-08.7 | 三角形-三角形相交 | — | 🔨 P1 |
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| FR-08.8 | AABB-AABB / OBB-OBB 相交 | — | 📋 P1 |
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| FR-08.9 | 连续碰撞检测（CCD） | — | 📋 P2 |
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### FR-09：几何计算
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-09.1 | 距离计算（点-点/线/面/三角形/线段） | CGAL | ✅ |
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| FR-09.2 | 最近点查询 | CGAL | ✅ |
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| FR-09.3 | 2D 凸包（Graham Scan） | CGAL | ✅ |
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| FR-09.4 | **3D 凸包（QuickHull）** | CGAL | 🔨 P0 |
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| FR-09.5 | 2D Voronoi 图 | CGAL | 📋 P1 |
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| FR-09.6 | 3D Voronoi 图 | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-09.7 | 面积计算（多边形/曲面） | CGAL | ✅ |
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| FR-09.8 | 体积计算（多面体） | CGAL | 📋 P1 |
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| FR-09.9 | 主成分分析（PCA） | CGAL | 📋 P2 |
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### FR-10：公差与精度
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-10.1 | 可配置全局/局部公差 | CGAL | ✅ |
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| FR-10.2 | 精确谓词（orient_2d/3d, in_circle） | CGAL Exact | ✅ 基础版 |
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| FR-10.3 | Shewchuk 自适应精度完整实现 | CGAL | 🔨 简化版 |
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| FR-10.4 | 几何吸附（snapping） | — | 📋 P1 |
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### FR-11：B-Rep 实体建模
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-11.1 | B-Rep 数据结构（体/壳/面/环/边/顶点） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.2 | 拉伸体（Extrude） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.3 | 旋转体（Revolve） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.4 | 扫掠体（Sweep） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.5 | 放样体（Loft） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.6 | 倒角（Fillet / Chamfer） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.7 | 抽壳（Shell / Hollow） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.8 | 曲面偏移（Offset） | OCCT | 📋 P2 |
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| FR-11.9 | 基本体生成（盒/球/柱/锥/环） | OCCT | 📋 P2 |
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### FR-12：离散化与重建
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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|------|------|------|------|
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| FR-12.1 | Marching Cubes（等值面提取） | libigl | 📋 P1 |
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| FR-12.2 | 体素化（网格→体素 / 体素→网格） | libigl | 📋 P1 |
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| FR-12.3 | Alpha Shapes（点云→网格） | CGAL | 📋 P2 |
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| FR-12.4 | 曲面重建（Poisson 重建） | CGAL | 📋 P2 |
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### FR-13：数据交换
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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| FR-13.1 | OBJ 读写 | CGAL / libigl | ✅ |
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| FR-13.2 | STL 读写（文本+二进制） | CGAL | ✅ |
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| FR-13.3 | PLY 读写 | libigl | 📋 P3 |
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| FR-13.4 | OFF 读写 | CGAL | 📋 P3 |
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| FR-13.5 | STEP 导入/导出 | OCCT | 🔜 P3 |
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| FR-13.6 | IGES 导入/导出 | OCCT | 🔜 P3 |
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| FR-13.7 | glTF 导出 | OCCT | 📋 P3 |
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### FR-14：高级算法
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| 编号 | 需求 | 对标 | 状态 |
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|------|------|------|------|
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| FR-14.1 | Nef 多面体（精确布尔） | CGAL | 🔜 P4 |
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| FR-14.2 | 点云配准（ICP） | CGAL / PCL | 🔜 P4 |
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| FR-14.3 | 最优包围盒（OBB 最小体积） | CGAL | 🔜 P4 |
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## 3. 非功能需求
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### NFR-01：性能
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| 指标 | 输入规模 | 目标 | 对标 |
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|------|---------|------|------|
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| 2D 布尔（Vatti） | 10⁴ 顶点 | ≤ 0.1s | Clipper2 |
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| 3D 网格布尔 | 10⁵ 三角面 | ≤ 1s | Manifold |
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| 网格简化 | 10⁵→10⁴ 面 | ≤ 2s | CGAL |
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| BVH 射线查询 | 10⁶ 面 | ≤ 0.1ms/次 | CGAL |
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| Delaunay 2D | 10⁶ 点 | ≤ 10s | CGAL |
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| 3D Delaunay | 10⁵ 点 | ≤ 5s | CGAL |
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| GJK 碰撞 | 凸体 | ≤ 30 次迭代 | — |
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### NFR-02：可靠性
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- 核心算法单元测试覆盖率 ≥ 90%
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- 2D/3D 布尔运算通过标准测试集
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- 所有公开 API 有边界条件测试
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### NFR-03：可移植性
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- Linux GCC 9+ / Clang 12+
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- Windows MSVC 2019+
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- macOS Clang 12+
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### NFR-04：可扩展性
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- 模块化架构，仅 Eigen 一个必需依赖
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- 空间索引后端可替换
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- C API 支持跨语言绑定
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### NFR-05：许可证
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- Apache 2.0，商业友好
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## 4. 版本规划
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| 版本 | 包含功能 | 优先级覆盖 |
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|------|---------|-----------|
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| **v0.1.0** | 基础几何 + 曲线曲面 + 基础网格 + 基础 BVH + GJK | ✅ 已完成 |
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| **v0.3.0** | P0 全部 11 项（Vatti/网格布尔/QEM/3D凸包/Octree等） | P0 |
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| **v0.5.0** | P1 全部 12 项（Voronoi/3DDelaunay/MarchingCubes/曲率等） | P1 |
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| **v1.0.0** | P2 全部 10 项（B-Rep/倒角/抽壳/扫掠/放样/参数化等） | P2 |
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| **v1.5.0** | P3 全部 5 项（STEP/IGES/PLY/glTF 等） | P3 |
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| **v2.0.0** | P4 全部 3 项（Nef/ICP/OBB） | P4 |
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```
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现在 追上Clipper2 追上Manifold 追上OCCT 追上CGAL高级
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+Manifold +libigl 建模层 功能
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```
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### FR-15：差异化功能（VDE 独有/首创）
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> 竞品分析详见：[核心竞争力与差异化功能](05-核心竞争力与差异化功能.md)
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| 编号 | 需求 | 竞品状态 | 状态 |
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|------|------|---------|------|
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| FR-15.1 | **2D 草图约束求解器**（几何约束图 + 牛顿迭代） | ❌ 仅商业 CAD 有（DCM/PTC），开源为零 | 🔜 P4 |
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| FR-15.2 | **SDF 隐式建模**（基本体/布尔/变形/光滑混合→网格） | ❌ 无 | 🔜 P3 |
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| FR-15.3 | **可微分几何**（距离/碰撞/布尔对参数的梯度） | ❌ 无 | 🔜 P4 |
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| FR-15.4 | **惰性求值几何管线**（计算图+缓存+并行） | ❌ 无此架构 | 🔜 P2 |
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| FR-15.5 | **Python 原生绑定**（pybind11，pip install 即用） | 🔸 CGAL 有笨重 SWIG 绑定 | 🔜 P1 |
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| FR-15.6 | **二进制序列化格式**（版本化、比 OBJ 快 10x） | ❌ 全部依赖文本格式 | 🔜 P1 |
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| FR-15.7 | **内置性能分析/基准框架** | ❌ 无 | 🔜 P1 |
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| FR-15.8 | **WebAssembly 编译目标** | 🔸 Manifold 支持 | 🔜 P2 |
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| FR-15.9 | **自动 LOD 链生成** | 🔸 libigl 有简化无自动链 | 🔜 P2 |
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| FR-15.10 | **增量计算框架**（脏标记/缓存/最小重算） | 🔸 OCCT OCAF 有但笨重 | 🔜 P2 |
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| FR-15.11 | **GPU 加速 BVH 遍历**（CUDA/Vulkan 后端） | ❌ 无开源引擎支持 | 🔜 P3 |
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| FR-15.12 | **实时碰撞检测模式**（持续监测+回调） | ❌ 全部为查询式 | 🔜 P3 |
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| FR-15.13 | **几何操作宏录制/回放** | ❌ 无 | 🔜 P3 |
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### FR-16：Python API（等效 C++ 功能）
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> Python 绑定不是简单的 wrapper——需要为 Python 用户设计 Pythonic API。
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| 编号 | 需求 | 状态 |
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| FR-16.1 | `vde.Point`, `vde.Vector`, `vde.Mesh` 等 Python 类 | 🔜 P1 |
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| FR-16.2 | numpy 数组互操作（零拷贝） | 🔜 P1 |
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| FR-16.3 | Jupyter Notebook 内联可视化 | 🔜 P1 |
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| FR-16.4 | 与 trimesh / open3d 互转 | 🔜 P2 |
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