面向 AI 原生 3D 建模应用的 SDF、网格与 CAD 内核调研：模型、引用、事务与多内核

主文档与完整目录。本分篇保留原调查日期的依据与实测记录；其中的当前状态、建议和授权仅属于历史快照，不是执行队列。

6. 建议自研：Aira Modeling Intermediate Representation（AMIR）

6.1 设计原则

AMIR 应是唯一规范模型，表层代码、GUI、AI prompt、插件 API 都只是它的视图或编辑入口。

必须具备：

纯数据、无任意代码执行。 模型不能带网络、文件、系统调用，也不能无限循环。
强类型的几何域。 Sketch2D、Profile2D、ExactSolid、MeshSolid、Field3D、Assembly、DisplayMesh 不可混用。
单位进入类型。 Length、Angle、Area、Volume、Ratio 分离；单位转换显式且可审计。
稳定 ID 独立于文本顺序。 node map 以 ID 为键，重排或格式化不改变身份。
依赖 DAG 和受限高阶构造。 循环用 bounded pattern/map/reduce 表示，可静态估算成本。
每个节点声明权威表示、精度与容差。
所有随机性有 seed；所有环境选择有版本。
输入、产物、诊断和三角形都可回溯到源节点。

6.2 最小 canonical AST 示例

{
  "schema": "aira.model/v0.1",
  "documentId": "doc.bracket",
  "units": { "length": "mm", "angle": "deg" },
  "tolerance": "0.001 mm",
  "parameters": {
    "width": { "type": "Length", "value": "80 mm", "range": ["20 mm", "200 mm"] },
    "depth": { "type": "Length", "value": "40 mm", "range": ["10 mm", "120 mm"] },
    "thickness": { "type": "Length", "value": "4 mm", "range": ["1 mm", "12 mm"] }
  },
  "nodes": {
    "sketch.base": {
      "op": "sketch.rectangle",
      "target": "Sketch2D",
      "plane": "XY",
      "center": ["0 mm", "0 mm"],
      "size": [{ "param": "width" }, { "param": "depth" }],
      "outputs": { "profile": "outer_profile" }
    },
    "solid.plate": {
      "op": "brep.extrude",
      "target": "ExactSolid",
      "inputs": { "profile": "sketch.base#outer_profile" },
      "distance": { "param": "thickness" },
      "outputs": {
        "body": "plate",
        "faces": { "start": "bottom", "end": "top", "sides": "walls" }
      }
    }
  },
  "assertions": [
    { "op": "isValidSolid", "input": "solid.plate#plate" },
    { "op": "minThickness", "input": "solid.plate#plate", "gte": "3.9 mm" }
  ]
}

这份 JSON 不是建议用户每天手写的最终语法，而是所有工具共享、可版本迁移、可自动验证的 canonical form。

6.3 人类可读的表层语言

建议做一个很薄的、纯函数式、pipeline 风格 .aira 语言：

model mounting_bracket units mm tolerance 0.001mm

param width: Length = 80mm in 20mm..200mm
param depth: Length = 40mm in 10mm..120mm
param thickness: Length = 4mm in 1mm..12mm

sketch @base on XY {
  rectangle @outer center [0mm, 0mm] size [width, depth]
}

solid @plate: ExactSolid =
  extrude profile @base.outer distance thickness

assert valid(@plate)
assert minThickness(@plate) >= 3.9mm

关键不是具体关键字，而是：

表层语法与 AST 一一可逆；
formatter 产生唯一规范格式；
任何 GUI 操作都能生成小而稳定的 AST patch，再同步回文本；
高级用户可使用自动生成的 TypeScript builder SDK，但 SDK 只生成 AMIR，不能直接操作内核。

实现上建议解析为 lossless CST，再投影到以永久 node ID 为身份的语义 AST；注释、空白和其他文本 trivia 挂到 node ID，printer 只重写受 patch 影响的源码范围。这样既保留 Git 友好文本，也避免 AI 每次改一个参数却重写整份文件。

6.4 为什么不直接选 TypeScript 或 Python 当模型语言

它们对 LLM 熟悉，但作为唯一 source of truth 有明显代价：

任意控制流和副作用让增量重算、沙箱与成本估计困难；
AST diff 往往退化为脆弱的文本重写；
单位、几何类型与表示精度只能靠约定；
同一结果可有太多写法，降低训练和评测的一致性；
很难保证 GUI 修改后仍生成优雅、可读、可维护的源码；
错误栈混合宿主语言、绑定层和几何内核，AI 很难恢复。

因此最优组合不是“不要 TypeScript”，而是：

TypeScript：应用、插件 SDK、自动化 builder；
Rust：语言/IR/事务与本地服务；
C++/WASM：OCCT 与 Manifold；
AMIR/.aira：AI、人类与 GUI 共同理解的建模语义。

7. 建议自研：稳定几何引用

7.1 禁止的做法

face[7]、edge[12]；
“取面积最大的面”后默认选第一个；
只保存一次运行中的 OCCT pointer/hash；
从 Three.js triangle index 反推长期 CAD 身份；
重算歧义时静默换到另一条边。

7.2 SemanticRef

一个引用应同时包含：

来源： 哪个 feature、哪个命名输出产生；
角色： startCap、endCap、sideFrom(sketch.lineA)、filletSurface 等；
谱系： 经过哪些 Modified / Generated 历史；
几何约束： 类型、方向、解析曲面种类、半径/面积区间、邻接关系；
基数契约： expect exactly one / N / non-empty；
失败策略： 报告 missing、ambiguous 或 changed-kind，不自动猜。

示例：

{
  "nodeId": "feature.fillet_outer",
  "selector": {
    "scope": "solid.plate#plate",
    "entity": "Edge",
    "lineage": { "createdBy": "solid.plate", "fromRole": "walls" },
    "where": {
      "convex": true,
      "parallelTo": "Z",
      "adjacentSurfaceTypes": ["Plane", "Plane"]
    },
    "expect": { "count": 4 }
  }
}

执行顺序应是：

优先使用 feature output 与 OCCT/Manifold 历史映射；
再用结构/邻接关系；
最后才用几何 predicate；
结果不满足 expect 就终止事务并返回候选，而不是选择第一个。

7.3 ArtifactGraph 与 Source Map

每次内核执行都生成 ArtifactGraph，记录 feature 产物之间的 generated / modified / split / merged / deleted 谱系；在此基础上维护四向映射：

源代码范围 ⇄ AMIR node/port ⇄ kernel artifact/subshape ⇄ render primitive/triangle

由此才能实现：

点场景中的面，定位到定义它的代码；
AI 查询某个 feature 实际产生了哪些面；
诊断高亮到 3D 视口；
mesh boolean 后仍追踪材质与大致来源；
screenshot segmentation 使用稳定 artifact ID，而不是颜色猜测。

8. 建议自研：AI 事务协议

AI 不应拿到“运行任意源码”或一千个 OCCT 方法。推荐一个小型、自描述、可查询的领域工具面：

工具	作用
catalog.search	按能力、输入输出类型、精度、成本、失败模式检索操作
model.read	获取参数、特征图、选区、版本与摘要
model.query	几何/拓扑/测量/来源查询
model.proposePatch	对指定 baseRevision 生成领域补丁，静态检查但不提交
model.preview	在 quality budget 内执行候选图并返回 diff、诊断、图片/分割
model.validate	运行 exact/mesh/field/制造约束验证
model.commit	原子提交已验证补丁
model.revert	按 revision 回退
model.export	显式选择 STEP、3MF、GLB 等，并报告有损项

一个 patch 需要：

{
  "baseRevision": "sha256:...",
  "intent": "把四条外侧竖边做 3 mm 圆角",
  "operations": [
    {
      "op": "insertNode",
      "nodeId": "feature.outer_fillet",
      "after": "solid.plate",
      "value": {
        "op": "brep.fillet",
        "input": "solid.plate#plate",
        "edges": { "ref": "selection.outer_vertical_edges" },
        "radius": "3 mm"
      }
    }
  ],
  "preconditions": [
    { "op": "revisionEquals", "value": "sha256:..." },
    { "op": "selectionCount", "ref": "selection.outer_vertical_edges", "equals": 4 }
  ]
}

事务语义：

preview 与 commit 使用相同输入、内核版本、容差和 seed；
commit 前必须重验 preconditions；
失败不产生半修改状态；
每次提交保存 prompt/intent、patch、前后 revision、诊断和产物摘要；
相同 idempotency key 不得重复应用。

9. Geometry Observatory：让 AI 真正“看懂”模型

只给截图不够，只给 B-Rep dump 也不够。每次执行建议返回：

参数与表达式求值；
节点状态：clean / dirty / running / failed / approximated；
产物类型与权威表示；
bounding box、体积、面积、重心、惯量；
body/face/edge/vertex 数与拓扑摘要；
surface/curve 类型分布；
manifold、自相交、空壳、负体积、退化元素；
约束自由度、冲突集合、冗余约束；
selected refs 的解析过程与候选；
有损转换记录和误差界；
正交六视图、透视图、深度、法线、feature-ID segmentation；
执行耗时、峰值内存、三角形数与缓存命中。

这些结果应收敛成可持久化的 Geometry Certificate：记录 exact / approximate / voxelized 等表示等级、kernel 名称与精确版本、input hash、单位/tolerance、采样分辨率、watertight/manifold/self-intersection 状态、来源保留程度、警告与可执行修复建议。它不是“绝对正确证明”，而是让 AI、回归系统和导出流程知道这次结果究竟保证了什么。

错误必须是稳定 code + 结构化 payload：

{
  "id": "diag:01K3EXAMPLE00000000000000",
  "code": "FILLET_RADIUS_TOO_LARGE",
  "severity": "error",
  "phase": "kernel",
  "at": { "nodeId": "feature.outer_fillet", "port": "radius" },
  "messageKey": "geometry.fillet.radiusTooLarge",
  "details": {
    "entities": ["edge.outer.0", "edge.outer.1"],
    "requested": { "value": "12", "unit": "mm" },
    "safeUpperBoundEstimate": { "value": "4.82", "unit": "mm" }
  },
  "fixes": [
    {
      "kind": "patchTemplate",
      "action": "reduceRadius",
      "suggested": { "const": { "type": "Length", "value": "4.5", "unit": "mm" } }
    },
    {
      "kind": "patchTemplate",
      "action": "excludeEntity",
      "entity": "edge.outer.1"
    }
  ]
}

这比异常字符串更能帮助 AI 自我修复，也更容易做自动评测。

10. 多内核调度与转换规则

10.1 操作路由

操作	默认后端	权威输出
约束草图、精确 extrude/revolve/loft/sweep	OCCT	ExactSolid
fillet/chamfer/shell/draft、STEP import/export	OCCT	ExactSolid
manifold mesh import、mesh boolean、split、打印修整	Manifold	MeshSolid
smooth union、lattice、warp、gyroid	Field compiler	Field3D
Field 烘焙	Manifold LevelSet（首版）	MeshSolid，带误差
视口三角化	OCCT tessellator 或 Manifold MeshGL	DisplayMesh
材质、相机、辅助线、选择高亮	Three.js	SceneView

10.2 转换必须显式

允许：

ExactSolid -> DisplayMesh：tessellate，派生、可重建；
ExactSolid -> MeshSolid：显式 bake，记录 chordal/angular deflection；
Field3D -> MeshSolid：显式 bake，记录 bounds/edgeLength/tolerance；
MeshSolid -> Field3D：显式 voxelize/distance，记录分辨率与 sign 方法。

默认禁止：

MeshSolid -> ExactSolid 的“自动精确化”；
Field3D -> ExactSolid 的泛化转换；
把导入 STL 当成可无损编辑的 CAD；
由 Three.js BufferGeometry 反写设计历史。

同一 feature graph 可以包含多种权威实体，但每个 part/body 的当前权威表示必须唯一。

11. 2D 草图与约束

约束对“AI 原生 CAD”不是可选项。ICLR 2022 的 Vitruvion 把参数化草图明确描述为“约束程序”，指出设计意图不仅在几何 primitive 中，也在元素之间的参数关系中。论文

可选路线：

FreeCAD PlaneGCS 是成熟的 LGPL-2.1-or-later 2D 几何约束求解器。
planegcs WASM wrapper 提供 TypeScript annotations，并支持 DogLeg、Levenberg-Marquardt、BFGS、SQP 等路径；README 也坦承某些 non-driving 约束和组合仍有使用陷阱。
SolveSpace 的 libslvs 能力成熟，但 GPLv3 会显著影响闭源集成方式。
商业路线可评估 Siemens D-Cubed 2D DCM，但不适合作为开源 MVP 的默认依赖。

建议：

AMIR 先定义自己的 SketchEntity / Constraint / DOF / ConflictSet，不绑定任何 solver 数据结构。
首版对 planegcs WASM 做独立验证，特别测试拖拽、过约束、冗余、初值敏感和大尺度差异。
把 solver 的 raw residual、自由度与冲突候选转成稳定诊断。
如果闭源分发、体积或行为稳定性不满足需求，再评估自研窄而可解释的 solver；不要一开始重写全部 CAD 约束算法。