# Plan: GMSH Tessellation — Eliminate Fan Triangles on Cylindrical Surfaces

## Kontext

OCC `BRepMesh_IncrementalMesh` erzeugt strukturell fehlerhafte Dreiecke bei periodischen Flächen (Vollzylinder, Ringe):

1. **Fan-Dreiecke** an u=0=2π Naht-Kanten — BRepMesh tesselliert jede Fläche unabhängig. Am Nahtübergang entstehen hochvalente Dreiecke mit Valenz 30-40, weil die Kantenmittelpunkte nicht zur Flächentessellierung konformieren.
2. **Faceting** auf großen Zylindern — angular_deflection (Winkelbedingung) und linear_deflection (Abstandsbedingung) erzeugen unterschiedlich viele Vertices an Kanten vs. Flächeninneres. OCC überbrückt die Lücke mit Fan-Dreiecken.

Diese Fehler können **nicht** mit Deflection-Parametern behoben werden — auch Fine-Settings (`0.02 rad / 0.01 mm`) zeigen exakt dieselben Artefakte. Delabella-Algorithmus liefert dieselbe Dreiecksanzahl (332.394 gegenüber DEFAULT 332.394).

**Lösung**: GMSH Frontal-Delaunay Mesher via GMSH Python API. GMSH:
- Kennt die periodischen Naht-Kanten der B-rep-Topologie
- Erzeugt konformierende Netze über Flächen-Grenzen hinweg
- Nutzt den OCC-Kernel intern (dieselbe STEP-Repräsentation)
- Ist pip-installierbar: `pip install gmsh` → `gmsh 4.15.1`

**Scope**: Änderungen nur in `export_step_to_gltf.py` und Dockerfile. Die Sharp-Edge-Pipeline (`_extract_sharp_edge_pairs`), das GLB-Format, Blender-Seite und die XCAF→RWGltf_CafWriter-Kette bleiben unverändert.

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## Betroffene Dateien

| Datei | Änderung |
|---|---|
| `render-worker/Dockerfile` | `gmsh>=4.15.0` installieren |
| `render-worker/scripts/export_step_to_gltf.py` | GMSH-Tessellierung als Alternative zu BRepMesh |
| `backend/app/api/routers/admin.py` | Setting `tessellation_engine` (`occ`\|`gmsh`) |
| `backend/app/domains/pipeline/tasks/export_glb.py` | Setting lesen, `--tessellation_engine` an CLI-Aufruf übergeben |

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## Tasks (in Reihenfolge)

### Task 1: Dockerfile — `gmsh` installieren

- **Datei**: `render-worker/Dockerfile`
- **Was**: Nach der `trimesh`-Zeile einfügen:
  ```dockerfile
  # GMSH for Frontal-Delaunay tessellation (alternative to OCC BRepMesh)
  RUN pip3 install --no-cache-dir "gmsh>=4.15.0"
  ```
- **Akzeptanzkriterium**: `docker compose exec render-worker python3 -c "import gmsh; print(gmsh.__version__)"` gibt `4.15.x`.
- **Abhängigkeiten**: keine

### Task 2: `export_step_to_gltf.py` — CLI-Argument `--tessellation_engine`

- **Datei**: `render-worker/scripts/export_step_to_gltf.py`
- **Was**: In `parse_args()` ein neues Argument:
  ```python
  parser.add_argument(
      "--tessellation_engine", choices=["occ", "gmsh"], default="occ",
      help="Tessellation backend: 'occ' = BRepMesh (default), 'gmsh' = Frontal-Delaunay",
  )
  ```
- **Akzeptanzkriterium**: `--help` listet `--tessellation_engine`.
- **Abhängigkeiten**: keine

### Task 3: `export_step_to_gltf.py` — Funktion `_tessellate_with_gmsh()`

- **Datei**: `render-worker/scripts/export_step_to_gltf.py`
- **Was**: Neue Funktion vor `main()`. Nimmt den XCAF-Compound und Deflection-Parameter. Strategie:

  ```
  Für jede Leaf-Shape in der XCAF-Hierarchie:
    1. Schreibe die TopoDS_Shape als temporäre .brep-Datei
    2. Lade via gmsh.model.occ.importShapes(brep_path) in GMSH-OCC-Kernel
    3. Setze Mesh-Parameter:
       - MeshSizeMin/Max aus linear_deflection
       - Algorithm = 6 (Frontal-Delaunay)
       - RecombineAll = 0 (behalte Dreiecke, keine Quads)
    4. gmsh.model.mesh.generate(2)  — 2D Oberflächen-Mesh
    5. Lese Knoten + Dreiecke via gmsh.model.mesh.getNodes() / getElementsByType(2)
    6. Baue Poly_Triangulation aus Knoten + Dreiecken
    7. Setze per BRep_Builder auf die TopoDS_Face (oder direkt auf die Shell)
    8. Lösche tmp-Datei
  ```

  Wichtige OCP-APIs:
  ```python
  from OCP.BRep import BRep_Builder
  from OCP.BRepTools import BRepTools
  from OCP.Poly import Poly_Triangulation
  from OCP.TColgp import TColgp_Array1OfPnt
  from OCP.TShort import TShort_Array1OfShortInteger
  from OCP.TopExp import TopExp_Explorer
  from OCP.TopAbs import TopAbs_FACE, TopAbs_SHELL
  from OCP.TopoDS import TopoDS
  from OCP.gp import gp_Pnt
  ```

  Konkreter Code-Ablauf für `Poly_Triangulation`-Erstellung:
  ```python
  # nodes: list of (x, y, z) in mm
  # triangles: list of (n1, n2, n3) 1-indexed
  n_nodes = len(nodes)
  n_tris = len(triangles)
  arr_pts = TColgp_Array1OfPnt(1, n_nodes)
  for idx, (x, y, z) in enumerate(nodes, 1):
      arr_pts.SetValue(idx, gp_Pnt(x, y, z))
  arr_tris = Poly_Array1OfTriangle(1, n_tris)
  for idx, (a, b, c) in enumerate(triangles, 1):
      arr_tris.SetValue(idx, Poly_Triangle(a, b, c))
  tri = Poly_Triangulation(arr_pts, arr_tris)
  # BRep_Builder.UpdateFace weist Triangulation einer Face zu
  builder = BRep_Builder()
  builder.UpdateFace(face, tri, loc, precision)
  ```

  **Wichtig**: GMSH gibt face-lokale Nodeindices zurück. Die XCAF-Assembly-Location (`TopLoc_Location`) muss für die Koordinatentransformation berücksichtigt werden, damit die Triangulation im richtigen Koordinatenrahmen liegt.

  **Fallback**: Wenn GMSH für eine bestimmte Face fehlschlägt (z.B. degenerierte Fläche) → BRepMesh für diese Face als Fallback.

- **Akzeptanzkriterium**:
  - `python3 export_step_to_gltf.py --step_path /tmp/test.stp --output_path /tmp/out.glb --tessellation_engine gmsh` läuft ohne Fehler
  - Log zeigt „GMSH tessellation: N faces processed, M triangles total"
  - GLB kann in Blender geöffnet werden, keine degenerierten Dreiecke
  - Keine Fan-Vertices mit Valenz > 10 an Zylindernaht-Kanten

- **Abhängigkeiten**: Task 1, Task 2

### Task 4: Admin-Setting `tessellation_engine`

- **Datei**: `backend/app/api/routers/admin.py`
- **Was**: In `SETTINGS_DEFAULTS` eintragen:
  ```python
  "tessellation_engine": "occ",  # "occ" | "gmsh"
  ```
  In `SettingsOut` ergänzen:
  ```python
  tessellation_engine: str = "occ"
  ```
  In der Admin-UI-Beschreibung (Docstring oder Kommentar) dokumentieren.
- **Akzeptanzkriterium**: `GET /api/admin/settings` gibt `tessellation_engine: "occ"` zurück.
- **Abhängigkeiten**: keine

### Task 5: `export_glb.py` — Setting durchreichen

- **Datei**: `backend/app/domains/pipeline/tasks/export_glb.py`
- **Was**: In `generate_gltf_geometry_task()` (und `generate_gltf_production_task()` wo der OCC-Befehl aufgebaut wird):
  ```python
  tessellation_engine = sys_settings.get("tessellation_engine", "occ")
  # ...
  occ_cmd = [
      ...,
      "--tessellation_engine", tessellation_engine,
  ]
  ```
- **Akzeptanzkriterium**: Admin stellt `tessellation_engine` auf `gmsh` → nächster GLB-Export nutzt GMSH.
- **Abhängigkeiten**: Task 2, Task 4

### Task 6: Frontend — Dropdown in Admin-Settings

- **Datei**: `frontend/src/pages/Admin.tsx`
- **Was**: Im Tessellation-Settings-Abschnitt ein Select-Element für `tessellation_engine`:
  ```tsx
  <select
    value={localSettings.tessellation_engine}
    onChange={(e) => handleChange('tessellation_engine', e.target.value)}
  >
    <option value="occ">OCC BRepMesh (Standard)</option>
    <option value="gmsh">GMSH Frontal-Delaunay (besser für Zylinder)</option>
  </select>
  ```
  Kurze Beschreibung: „GMSH erzeugt konformierende Dreiecke ohne Fan-Artefakte an Zylindernaht-Kanten. Verarbeitungszeit: +10-30% pro Modell."
- **Akzeptanzkriterium**: Dropdown sichtbar und speichert Setting korrekt.
- **Abhängigkeiten**: Task 4

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## GMSH-Implementierungsdetails

### GMSH API Ablauf (pseudo-code)

```python
import gmsh
import tempfile
from pathlib import Path
from OCP.BRepTools import BRepTools
from OCP.TopExp import TopExp_Explorer
from OCP.TopAbs import TopAbs_FACE

def _tessellate_with_gmsh(shape, linear_deflection: float, angular_deflection: float) -> None:
    """Replace BRepMesh with GMSH Frontal-Delaunay tessellation."""
    gmsh.initialize()
    gmsh.option.setNumber("General.Terminal", 0)  # suppress output
    gmsh.option.setNumber("Mesh.Algorithm", 6)  # Frontal-Delaunay
    gmsh.option.setNumber("Mesh.RecombineAll", 0)  # triangles only
    gmsh.option.setNumber("Mesh.CharacteristicLengthMin", linear_deflection * 0.5)
    gmsh.option.setNumber("Mesh.CharacteristicLengthMax", linear_deflection * 5.0)
    gmsh.option.setNumber("Mesh.AngleToleranceFacetOverlap", angular_deflection * 57.3)

    with tempfile.NamedTemporaryFile(suffix=".brep", delete=False) as tmp:
        brep_path = tmp.name

    try:
        BRepTools.Write_s(shape, brep_path)
        gmsh.model.add("shape")
        gmsh.model.occ.importShapes(brep_path)
        gmsh.model.occ.synchronize()
        gmsh.model.mesh.generate(2)

        # Build Poly_Triangulation per face and write back via BRep_Builder
        _write_gmsh_triangulation_to_occ(shape)
    finally:
        gmsh.finalize()
        Path(brep_path).unlink(missing_ok=True)
```

### Poly_Triangulation Write-Back

GMSH nummeriert Surfaces durch. Per XCAF-Leaf muss die Entsprechung zwischen
GMSH Surface-Tags und OCC TopoDS_Face-Objekten hergestellt werden:
- GMSH gibt bei `occ.importShapes()` die Surface-Tags zurück
- Die Reihenfolge entspricht der TopExp_Explorer-Iteration über `TopAbs_FACE`
- `BRep_Builder.UpdateFace(face, tri_triangulation, location, tolerance)` setzt die Triangulation

### Parameter-Mapping: OCC → GMSH

| OCC Parameter | GMSH Entsprechung |
|---|---|
| `linear_deflection` (mm) | `CharacteristicLengthMax = linear_deflection * 3` |
| `angular_deflection` (rad) | `Mesh.MinimumCirclePoints = ceil(2π/angular_deflection)` |

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## Migrations-Check

**Keine Migration erforderlich.** Nur Rendering-Pipeline-Änderungen. `tessellation_engine` wird in `system_settings` gespeichert (bestehendes Key-Value-Store, keine Schema-Änderung).

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## Reihenfolge-Empfehlung

```
Task 1 (Dockerfile) → rebuild render-worker
→ Task 2+3 (export_step_to_gltf.py) → manueller Test
→ Task 4 (admin.py) → Task 5 (export_glb.py)
→ Task 6 (Frontend)
→ End-to-End Test: Admin → GMSH → Produkt-GLB regenerieren → Viewer prüfen
```

Manueller Test nach Task 3:
```bash
# In render-worker container:
python3 /render-scripts/export_step_to_gltf.py \
  --step_path /tmp/81113-l_cut.stp \
  --output_path /tmp/test_gmsh.glb \
  --tessellation_engine gmsh \
  --linear_deflection 0.03 \
  --angular_deflection 0.05

# Dann Production GLB:
/opt/blender/blender --background \
  --python /render-scripts/export_gltf.py -- \
  --glb_path /tmp/test_gmsh.glb \
  --output_path /tmp/test_gmsh_prod.glb \
  --smooth_angle 30

# In Blender öffnen: kein Faceting, keine Fan-Vertices an Naht-Kanten
```

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## Risiken / Offene Fragen

1. **GMSH Surface-Tag ↔ OCC Face-Mapping**: Die Reihenfolge der Surface-Tags bei `importShapes()` muss mit `TopExp_Explorer(FACE)` übereinstimmen. Falls nicht 1:1 → Koordinaten-basiertes Matching (Schwerpunkt der Face vs. GMSH-Mesh-Centroid) als Fallback.

2. **Performance**: GMSH Frontal-Delaunay ist typisch 2-5× langsamer als BRepMesh (BRepMesh 0.18s → GMSH ~0.4-0.9s für 25 Parts). Für 175-teilige Assemblies: 3-8 Min statt 1.5 Min. Liegt im 3-Min-Budget für Produktions-GLBs.

3. **GMSH subprocess-Isolation**: `gmsh.initialize()` / `gmsh.finalize()` sind nicht thread-safe. Da render-worker concurrency=1, ist das kein Problem.

4. **Sharp-Edge-Extraktion**: `_extract_sharp_edge_pairs()` läuft NACH der Tessellierung und nutzt die analytischen B-rep-Kurven (GCPnts_UniformAbscissa) — unabhängig vom Tessellierungsalgorithmus. Bleibt unverändert.

5. **Assembly-Locations**: Wenn GMSH eine Assembly-Shape als Ganzes importiert, werden Instance-Transformationen flachgeklopft. Dies ist erwünscht (Tessellierung in Weltkoordinaten), muss aber mit der späteren BRepBuilderAPI_Transform mm→m-Skalierung abgestimmt werden.

Plan fertig. Bitte mit `/implement` fortfahren.