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ViewDesignEngine 9eaa06db25 docs: 补充功能差距分析 — 41项差距 5级优先级 对标5引擎 
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2026-07-23 05:31:13 +00:00

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需求规格说明书（v1.0 完整版）

目录

  1. 引言
  2. 功能需求
    • FR-01 基本几何类型
    • FR-02 几何变换
    • FR-03 曲线建模
    • FR-04 曲面建模
    • FR-05 网格处理
    • FR-06 布尔运算
    • FR-07 空间索引
    • FR-08 碰撞检测
    • FR-09 几何计算
    • FR-10 公差与精度
    • FR-11 B-Rep 实体建模
    • FR-12 离散化与重建
    • FR-13 数据交换
    • FR-14 高级算法
  3. 非功能需求
  4. 版本规划

1. 引言

1.1 目的

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。

1.2 范围

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。

1.3 对标基线

前置阅读：市场调研与竞品分析 | 功能差距分析

竞品 对标方向 差距项数
Clipper2 2D 布尔精度与速度 2
Manifold 3D 网格布尔速度与鲁棒性 2
libigl 网格处理完整度 5
OCCT B-Rep 建模能力 7
CGAL 算法广度 8

1.4 术语

术语 定义
CSG 构造实体几何（Constructive Solid Geometry）
NURBS 非均匀有理 B 样条
BVH 包围体层次结构
GJK/EPA GJK 碰撞检测 + EPA 穿透深度
QEM 二次误差度量（网格简化）
B-Rep 边界表示法
CDT 约束 Delaunay 三角剖分
Vatti Vatti 扫描线算法（2D 布尔黄金标准）

2. 功能需求

标记说明：✅ 已实现 🔨 实现中 📋 已规划 🔜 远期目标

FR-01：基本几何类型

编号 需求 对标 状态
FR-01.1 Point2D / Point3D CGAL Kernel ✅
FR-01.2 Vector2D / Vector3D（点积/叉积/归一化） CGAL Kernel ✅
FR-01.3 Line / Ray / Segment CGAL Kernel ✅
FR-01.4 Plane（法向量 + 有符号距离） CGAL Kernel ✅
FR-01.5 Triangle（面积/法向量/重心坐标/点包含） CGAL Kernel ✅
FR-01.6 Polygon2D（面积/点包含/CCW 判断） CGAL Kernel ✅
FR-01.7 AABB（轴对齐包围盒） CGAL Kernel ✅
FR-01.8 OBB（定向包围盒） CGAL Optimal Bounding Box 🔜 P4

FR-02：几何变换

编号 需求 对标 状态
FR-02.1 平移/旋转/缩放（3D） CGAL Kernel ✅
FR-02.2 4×4 齐次变换矩阵 Eigen ✅
FR-02.3 组合变换链 CGAL ✅
FR-02.4 反射/镜像变换 CGAL 📋 P1

FR-03：曲线建模

编号 需求 对标 状态
FR-03.1 Bezier 曲线（任意阶） CGAL ✅
FR-03.2 B-Spline 曲线 CGAL ✅
FR-03.3 NURBS 曲线（Cox-de Boor 求值） CGAL NURBS ✅
FR-03.4 曲线一阶/二阶导数 CGAL 🔨 部分实现
FR-03.5 曲线分割与拼接 CGAL 📋 P2
FR-03.6 曲线升阶 CGAL 📋 P2
FR-03.7 曲线弧长参数化 CGAL 📋 P2
FR-03.8 曲线-曲线求交 CGAL 📋 P2
FR-03.9 曲线投影（点到曲线最近点） CGAL 📋 P2

FR-04：曲面建模

编号 需求 对标 状态
FR-04.1 Bezier 曲面 CGAL ✅
FR-04.2 B-Spline 曲面 CGAL ✅
FR-04.3 NURBS 曲面（张量积） CGAL / OCCT 🔨 部分实现
FR-04.4 曲面求值与求导 CGAL 🔨
FR-04.5 曲面法向量计算 CGAL ✅
FR-04.6 曲面离散化（三角网格化） CGAL ✅
FR-04.7 曲面修剪（Trimmed Surface） OCCT 📋 P2
FR-04.8 曲面-曲面求交 OCCT 📋 P2
FR-04.9 直纹面（Ruled Surface） OCCT 📋 P2
FR-04.10 旋转面（Surface of Revolution） OCCT 📋 P2

FR-05：网格处理

编号 需求 对标 状态
FR-05.1 半边数据结构（Half-Edge） CGAL Polyhedron ✅
FR-05.2 Delaunay 三角剖分 2D（Bowyer-Watson） CGAL 2D Triangulation ✅
FR-05.3 约束 Delaunay 三角剖分 2D（CDT） CGAL / Triangle 📋 P1
FR-05.4 3D Delaunay 四面体剖分 CGAL 3D Triangulation 📋 P1
FR-05.5 网格简化（QEM） CGAL / libigl 🔨 P0
FR-05.6 网格平滑（Laplacian / Taubin） libigl 🔨 P0
FR-05.7 网格质量评估 CGAL 🔨 P0
FR-05.8 网格修复（水密化/孔洞填充/去除非流形） Manifold / CGAL 🔨 P0
FR-05.9 网格细分（Loop / Catmull-Clark） libigl 📋 P2
FR-05.10 网格重网格化（Isotropic Remeshing） CGAL 📋 P2
FR-05.11 网格参数化（Tutte / LSCM） libigl 📋 P2
FR-05.12 测地线距离 libigl / CGAL 📋 P1
FR-05.13 离散曲率（高斯曲率/平均曲率） libigl 📋 P1
FR-05.14 网格法向量（面/顶点/角） CGAL ✅

FR-06：布尔运算

编号 需求 对标 状态
FR-06.1 2D 多边形布尔（Vatti 算法） Clipper2 🔨 P0
FR-06.2 2D 多边形偏移（膨胀/腐蚀） Clipper2 📋 P1
FR-06.3 3D 网格布尔（并/交/差） Manifold / CGAL 🔨 P0
FR-06.4 B-Rep 实体布尔 OCCT 📋 P2
FR-06.5 Nef 多面体精确布尔 CGAL 🔜 P4

FR-07：空间索引

编号 需求 对标 状态
FR-07.1 BVH（SAH 构建 + 射线/范围/KNN 查询） CGAL AABB Tree 🔨 基础版
FR-07.2 BVH 最近命中查询 CGAL 🔨 P0
FR-07.3 Octree（点云/网格） CGAL 🔨 P0
FR-07.4 KD-Tree（KNN/范围查询） CGAL 🔨 P0
FR-07.5 R-Tree（空间对象索引） GEOS / CGAL 🔨 P1
FR-07.6 空间索引抽象接口 — ✅

FR-08：碰撞检测

编号 需求 对标 状态
FR-08.1 GJK 相交判断 — ✅
FR-08.2 GJK 最小距离计算 — 🔨 P0
FR-08.3 EPA 穿透深度（碰撞点+法向量+深度） — 🔨 P0
FR-08.4 SAT 多面体碰撞 — 🔨 P1
FR-08.5 射线-三角形相交（Möller-Trumbore） — ✅
FR-08.6 射线-网格相交（利用 BVH） — 📋 P1
FR-08.7 三角形-三角形相交 — 🔨 P1
FR-08.8 AABB-AABB / OBB-OBB 相交 — 📋 P1
FR-08.9 连续碰撞检测（CCD） — 📋 P2

FR-09：几何计算

编号 需求 对标 状态
FR-09.1 距离计算（点-点/线/面/三角形/线段） CGAL ✅
FR-09.2 最近点查询 CGAL ✅
FR-09.3 2D 凸包（Graham Scan） CGAL ✅
FR-09.4 3D 凸包（QuickHull） CGAL 🔨 P0
FR-09.5 2D Voronoi 图 CGAL 📋 P1
FR-09.6 3D Voronoi 图 CGAL 📋 P2
FR-09.7 面积计算（多边形/曲面） CGAL ✅
FR-09.8 体积计算（多面体） CGAL 📋 P1
FR-09.9 主成分分析（PCA） CGAL 📋 P2

FR-10：公差与精度

编号 需求 对标 状态
FR-10.1 可配置全局/局部公差 CGAL ✅
FR-10.2 精确谓词（orient_2d/3d, in_circle） CGAL Exact ✅ 基础版
FR-10.3 Shewchuk 自适应精度完整实现 CGAL 🔨 简化版
FR-10.4 几何吸附（snapping） — 📋 P1

FR-11：B-Rep 实体建模

编号 需求 对标 状态
FR-11.1 B-Rep 数据结构（体/壳/面/环/边/顶点） OCCT 📋 P2
FR-11.2 拉伸体（Extrude） OCCT 📋 P2
FR-11.3 旋转体（Revolve） OCCT 📋 P2
FR-11.4 扫掠体（Sweep） OCCT 📋 P2
FR-11.5 放样体（Loft） OCCT 📋 P2
FR-11.6 倒角（Fillet / Chamfer） OCCT 📋 P2
FR-11.7 抽壳（Shell / Hollow） OCCT 📋 P2
FR-11.8 曲面偏移（Offset） OCCT 📋 P2
FR-11.9 基本体生成（盒/球/柱/锥/环） OCCT 📋 P2

FR-12：离散化与重建

编号 需求 对标 状态
FR-12.1 Marching Cubes（等值面提取） libigl 📋 P1
FR-12.2 体素化（网格→体素 / 体素→网格） libigl 📋 P1
FR-12.3 Alpha Shapes（点云→网格） CGAL 📋 P2
FR-12.4 曲面重建（Poisson 重建） CGAL 📋 P2

FR-13：数据交换

编号 需求 对标 状态
FR-13.1 OBJ 读写 CGAL / libigl ✅
FR-13.2 STL 读写（文本+二进制） CGAL ✅
FR-13.3 PLY 读写 libigl 📋 P3
FR-13.4 OFF 读写 CGAL 📋 P3
FR-13.5 STEP 导入/导出 OCCT 🔜 P3
FR-13.6 IGES 导入/导出 OCCT 🔜 P3
FR-13.7 glTF 导出 OCCT 📋 P3

FR-14：高级算法

编号 需求 对标 状态
FR-14.1 Nef 多面体（精确布尔） CGAL 🔜 P4
FR-14.2 点云配准（ICP） CGAL / PCL 🔜 P4
FR-14.3 最优包围盒（OBB 最小体积） CGAL 🔜 P4

3. 非功能需求

NFR-01：性能

指标 输入规模 目标 对标
2D 布尔（Vatti） 10⁴ 顶点 ≤ 0.1s Clipper2
3D 网格布尔 10⁵ 三角面 ≤ 1s Manifold
网格简化 10⁵→10⁴ 面 ≤ 2s CGAL
BVH 射线查询 10⁶ 面 ≤ 0.1ms/次 CGAL
Delaunay 2D 10⁶ 点 ≤ 10s CGAL
3D Delaunay 10⁵ 点 ≤ 5s CGAL
GJK 碰撞 凸体 ≤ 30 次迭代 —

NFR-02：可靠性

  • 核心算法单元测试覆盖率 ≥ 90%
  • 2D/3D 布尔运算通过标准测试集
  • 所有公开 API 有边界条件测试

NFR-03：可移植性

  • Linux GCC 9+ / Clang 12+
  • Windows MSVC 2019+
  • macOS Clang 12+

NFR-04：可扩展性

  • 模块化架构，仅 Eigen 一个必需依赖
  • 空间索引后端可替换
  • C API 支持跨语言绑定

NFR-05：许可证

  • Apache 2.0，商业友好

4. 版本规划

版本 包含功能 优先级覆盖
v0.1.0 基础几何 + 曲线曲面 + 基础网格 + 基础 BVH + GJK ✅ 已完成
v0.3.0 P0 全部 11 项（Vatti/网格布尔/QEM/3D凸包/Octree等） P0
v0.5.0 P1 全部 12 项（Voronoi/3DDelaunay/MarchingCubes/曲率等） P1
v1.0.0 P2 全部 10 项（B-Rep/倒角/抽壳/扫掠/放样/参数化等） P2
v1.5.0 P3 全部 5 项（STEP/IGES/PLY/glTF 等） P3
v2.0.0 P4 全部 3 项（Nef/ICP/OBB） P4

![版本路线](v0.1.0 → v0.3.0 → v0.5.0 → v1.0.0 → v2.0.0)

现在        追上Clipper2    追上Manifold    追上OCCT       追上CGAL高级
              +Manifold      +libigl         建模层          功能
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