Faits:
A. Par ordonnance du 12 août 2004, le Juge d'instruction du Nord vaudois a condamné A.X._ pour pornographie, cependant qu'un non-lieu a été prononcé sur l'accusation d'actes d'ordre sexuel à l'encontre de son fils B.X._, né le 9 mai 1997.
Ensuite de la réouverture de cette enquête, par jugement du 18 juin 2009, le Tribunal correctionnel de La Broye et du Nord vaudois a condamné A.X._, pour actes d'ordre sexuel avec des enfants et contrainte sexuelle, à trente mois de privation de liberté, sous déduction de treize jours de détention préventive. A.X._ a, par ailleurs, été libéré de l'accusation de pornographie, en raison de l'identité avec les faits précédemment jugés. Le sursis partiel a été accordé à concurrence de vingt et un mois de privation de liberté, avec un délai d'épreuve de deux ans. En substance, il lui a été reproché, dans les mois ou l'année précédant les vacances d'été 2004, de s'être couché à côté de son fils C.X._, né le 29 juin 1992, d'avoir, à trois reprises, délibérément glissé sa main dans le slip de celui-ci pendant qu'il dormait puis de lui avoir touché le sexe de façon à le masturber et susciter une érection, provoquant ainsi le réveil de l'enfant. Pendant les vacances d'été 2004, à une date antérieure au 12 août, dans les mêmes circonstances, il a encore sodomisé son fils à une reprise. Celui-ci s'est alors plaint de douleurs et l'accusé a interrompu son acte. Au cours de la même période, à plusieurs reprises, l'intéressé s'est couché à côté de son fils B.X._, et lui a touché le sexe à même la peau dans le but de satisfaire une pulsion sexuelle, soit en tentant de susciter une érection chez l'enfant ou sa propre excitation.
B. Le 14 septembre 2009, la Cour de cassation pénale vaudoise a rejeté le recours de A.X._.
C. Ce dernier recourt en matière pénale contre cette décision. Il conclut principalement à son annulation, la cause étant renvoyée pour nouvelle instruction et nouveau jugement par un tribunal vaudois. A titre subsidiaire, il demande la réforme de la décision querellée en ce sens qu'il soit libéré du chef d'accusation de contrainte sexuelle, la peine infligée étant réduite dans la mesure que justice dira et le sursis complet accordé. A.X._ requiert par ailleurs le bénéfice de l'assistance judiciaire.
Il n'a pas été ordonné d'échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Le recourant invoque, dans un premier moyen, la violation de la maxime accusatoire, respectivement des art. 29 al. 2 et 32 Cst., ainsi que 6 § 3 let. a CEDH. Il soutient que l'ordonnance de renvoi était imprécise quant à la connotation sexuelle des actes commis sur son fils B.X._ et qu'elle était muette sur la contrainte exercée à l'égard des deux enfants.
1.1 La portée et l'étendue du principe de l'accusation sont déterminées en premier lieu par le droit cantonal, dont le Tribunal fédéral n'examine l'application que sous l'angle restreint de l'arbitraire et à condition qu'un grief soit soulevé et suffisamment motivé (art. 106 al. 2 LTF). Le justiciable peut cependant aussi faire valoir les garanties minimales découlant de la Constitution et de la CEDH, dont le Tribunal fédéral vérifie librement le respect (ATF 126 I 19 consid. 2a p. 22).
Le recourant n'argumente pas sur le plan du droit cantonal. Il convient d'examiner la cause au regard des normes constitutionnelles et conventionnelles.
1.2 Le principe de l'accusation est une composante du droit d'être entendu consacré par l'art. 29 al. 2 Cst. et peut aussi être déduit des art. 32 al. 2 Cst. et 6 § 3 CEDH, qui n'ont à cet égard pas de portée distincte. Il implique que le prévenu sache exactement les faits qui lui sont imputés et quelles sont les peines et mesures auxquelles il est exposé, afin qu'il puisse s'expliquer et préparer efficacement sa défense. Il n'empêche pas l'autorité de jugement de s'écarter de l'état de fait ou de la qualification juridique retenus dans la décision de renvoi ou l'acte d'accusation, à condition toutefois que les droits de la défense soient respectés. Le principe est violé lorsque le juge se fonde sur un autre état de fait que celui qui figure dans l'acte d'accusation, sans que le prévenu ait eu la possibilité de s'exprimer au sujet de l'acte d'accusation complété ou modifié d'une manière suffisante et en temps utile. Si l'accusé est condamné pour une autre infraction que celle visée dans la décision de renvoi ou l'acte d'accusation, il faut examiner s'il pouvait, eu égard à l'ensemble des circonstances d'espèce, s'attendre à cette nouvelle qualification juridique, auquel cas il n'y a pas violation de ses droits de défense (ATF 126 I 19 consid. 2a, 2c et 2d/bb p. 21 ss).
1.2.1 En l'espèce, l'ordonnance de renvoi avait la teneur suivante:
« Entre l'été 2002, à Yvonnand et l'été 2004, à Yverdon-les-Bains, l'accusé s'est couché dans le lit occupé par son fils C.X._, né le 29 juin 1992, et à trois reprises a introduit son pénis dans l'anus de l'enfant.
Durant la même période, aux mêmes endroits, à trois reprises également, l'accusé s'est couché à côté de C.X._, qui dormait, lui a mis une main sur le sexe et l'a masturbé.
(aud. 4, 6, P. 37, p. 15)
A des dates indéterminées, mais durant la même période que ci-dessus, à plusieurs reprises, l'accusé s'est couché à côté de son fils B.X._, né le 9 mai 1997, et lui a touché le sexe à même la peau. Il a d'autre part contraint à plusieurs reprises l'enfant à visionner des films pornographiques.
(aud. 9, P. 4, P. 37 p. 15 et 16) »
Il y était aussi précisé que le recourant était renvoyé comme accusé d'actes d'ordre sexuel avec des enfants (art. 187 ch. 1 CP), de contrainte sexuelle (art. 189 al. 1 CP) et de pornographie (art. 197 ch. 1 CP), les définitions légales de ces crimes et délits figurant en toutes lettres dans l'ordonnance.
1.2.2 La référence à une pénétration anale et à la masturbation dans les deux premiers cas manifeste le caractère sexuel des comportements reprochés au recourant à l'encontre de son fils C.X._. La précision que le recourant s'est, dans le troisième cas, couché pour toucher à même la peau le sexe de son fils B.X._ suffit à exclure d'emblée toute visée thérapeutique, de soin ou d'hygiène et même tout caractère ambivalent aux actes visés par l'ordonnance de renvoi. La répétition des gestes exclut tout caractère fortuit. Le recourant ne peut, dès lors rien déduire en sa faveur de la jurisprudence relative aux actes douteux qu'il cite (ATF 125 IV 58), le recours aux critères de distinction jurisprudentiels entre de tels actes et ceux à caractère sexuel n'étant manifestement pas nécessaire dans ce cas. Le caractère sexuel des comportements ressortait, au demeurant, aussi du rapprochement entre les divers actes reprochés au recourant et des qualifications légales proposées par le magistrat instructeur. A ce stade de la procédure et dans la perspective des droits de défense, de plus amples précisions n'étaient donc pas indispensables pour permettre à l'inculpé de cerner très précisément l'objet de l'accusation. Enfin, le jugement de première instance qualifie d'évidente la connotation sexuelle des actes subis par l'enfant B.X._ en raison de la durée des attouchements - un frôlement accidentel étant exclu - et de l'absence de tout indice d'une fin thérapeutique, de soin ou d'hygiène (jugement, p. 26). La durée des gestes constitue une simple précision des faits décrits dans l'acte d'accusation et l'on ne saurait reprocher aux premiers juges de s'être écarté indûment de ce dernier.
1.2.3 Accusé de contrainte sexuelle, le recourant ne pouvait ignorer qu'il lui était fait grief d'avoir imposé à ses deux fils des actes sexuels non consentis.
Selon les premiers juges, la contrainte sexuelle était réalisée parce que les enfants du recourant étaient hors d'état de résister, soit pour des motifs d'ordre psychique, physique et pratique. Ils se trouvaient avec leur père dans une relation telle qu'il leur était impossible de s'opposer à lui. Leur père leur inspirait de la crainte. Celle-ci était légitime compte tenu des scènes de violence auxquelles ils avaient pu assister entre leurs parents et des actes de violence verbale et physique dont ils avaient eux-mêmes été victimes. Le jugement tient aussi pour notoire qu'il est difficile pour un enfant de s'opposer à la figure paternelle et encore plus particulièrement pour l'enfant B.X._, lequel n'avait qu'entre six et sept ans au moment des faits. L'accusé avait agi par surprise, profitant de leur sommeil. Il avait une taille et une corpulence assez imposante. Le rapport de force physique entre ses enfants et lui était clairement à son avantage. Il était donc vain pour les victimes d'essayer d'opposer une résistance physique. Enfin, ces dernières ne pouvaient compter sur aucune aide extérieure immédiate, leur mère étant notoirement dans l'incapacité de les protéger (jugement, consid. 5.18, p. 27).
Ce jugement repose ainsi uniquement sur des circonstances intrinsèques à la relation unissant le recourant à ses enfants et non, comme le soutient le condamné, sur des considérations relevant de l'expérience générale de la vie. Le lien de filiation mentionné dans l'acte d'accusation décrivait suffisamment le cadre dans lequel s'est exercé la contrainte.
1.2.4 Au demeurant, les dispositions de rang constitutionnel précitées n'imposent pas de règles de forme quant à la présentation de l'acte d'accusation et n'excluent donc pas que ce dernier renvoie à des pièces du dossier pour certains éléments de fait. Un tel renvoi n'a alors plus valeur de simple offre de preuve, mais tend à intégrer formellement à l'acte d'accusation le contenu de ces pièces. Une telle manière de procéder n'est toutefois admissible que pour autant qu'elle ne vide pas de toute substance le principe accusatoire (cf. arrêts 6P.164/2006 et 6S.348/2006 du 29 novembre 2006, consid. 4.2.2).
L'acte d'accusation renvoyait, in casu, à diverses pièces, soit en particulier les procès-verbaux d'audition nos 4, 6 et 9 ainsi que l'expertise de crédibilité des deux enfants (rapport du Service psychiatrique Nord des Hospices cantonaux, du 13 janvier 2006). L'audition n° 4 est constituée d'une synthèse de l'enregistrement des déclarations de l'enfant C.X._ effectué le 7 octobre 2004. Il en ressort notamment qu' « une fois, il l'a laissé faire de peur de se faire taper ». Le procès-verbal d'audition n° 6 retranscrit les propos tenus par le dénommé Y._, Directeur d'un foyer pour enfants, le 8 octobre 2004. Il y est dit, en particulier, que le recourant avait « mis énormément de pression sur ses enfants », et que l'enfant savait qu'il est « quelqu'un de très violent lorsqu'il boit ». Enfin, en pages 15 et 16 du rapport mentionné en référence (P. 37), les experts font état de la peur ressentie par l'enfant C.X._ au moment où les actes lui ont été imposés et du fait que ce sentiment l'a empêché de réagir. L'enfant B.X._ a aussi fait état de la crainte que lui inspirait son père. Ces documents, cités dans l'ordonnance de renvoi, renseignaient précisément le recourant sur les éléments de contrainte qui, en définitive, ont été retenus par le tribunal. La précision des références et le nombre assez restreint de documents cités excluent une entrave à l'exercice des droits de la défense.
2. Le recourant invoque ensuite la violation du principe ne bis in idem (art. 1er CP).
2.1 L'ordonnance du 12 août 2004 a mis le recourant au bénéfice d'un non-lieu pour l'accusation d'actes d'ordre sexuel à l'encontre de son fils B.X._. Ce prononcé indique que le prévenu avait contesté avoir procédé à des attouchements sur cet enfant, que les frères de celui-ci n'avaient rien constaté ni entendu qui puisse infirmer ses déclarations à ce sujet et que, dans le doute, il convenait de mettre fin à l'action pénale sur ce point. Cette motivation fondée sur l'insuffisance des charges relève du fait. Une telle décision ne bénéficie que d'une autorité de chose jugée provisoire (Piquerez, Traité de procédure pénale suisse, 2e éd. 2006, n. 1538 p. 911). Le principe ne bis in idem n'est donc pas violé lorsque l'enquête est reprise ensuite de la découverte de faits ou moyens de preuve nouveaux. C'est ce que rappelle, en procédure pénale vaudoise, l'art. 309 al. 1 let. a CPP/VD, aux termes duquel une enquête close par un arrêt ou une ordonnance de non-lieu peut être réouverte lorsque des indices nouveaux viennent à être découverts.
2.2 Dans cette première enquête, l'accusation d'actes d'ordre sexuel avec des enfants reposait uniquement sur les déclarations de l'enfant B.X._ (audition du 10 mai 2004) faisant état d'attouchements sur son sexe. Ces dires n'avaient été confirmés par aucun des autres enfants du recourant (jugement, consid. 3, p. 11).
L'instruction a été réouverte sur la base des informations fournies par le Directeur du Foyer dans lequel se trouvait l'enfant C.X._. Ce dernier avait révélé avoir été abusé sexuellement par son père. Il faisait état d'actes de sodomie et de masturbation et avait alors confirmé que les déclarations antérieures de son frère B.X._ à la police étaient véridiques.
Ces accusations émanant d'une victime portaient ainsi sur des faits que n'avait pas révélés l'enquête précédente et confirmaient, en outre, les déclarations de l'enfant B.X._, qui n'avaient pas été jugées suffisantes. Le récit de l'enfant C.X._ constituait ainsi un élément de preuve nouveau justifiant la réouverture de l'enquête.
Que les enfants soient, par la suite, revenus sur leurs accusations, comme le relève le recourant, est sans pertinence en ce qui concerne les circonstances de la réouverture de l'enquête et l'application du principe ne bis in idem. Il n'y a, pour le surplus, pas lieu de réexaminer l'appréciation portée sur ces déclarations et rétractations par les autorités cantonales, faute de grief spécifique dans le recours en matière pénale (art. 106 al. 2 LTF).
3. Les conclusions du recours étaient d'emblée dénuées de chances de succès. L'assistance judiciaire doit être refusée (art. 64 al. 1 LTF). Le recourant supporte les frais de la procédure, qui seront fixés en tenant compte de sa situation financière (art. 65 al. 2 et 66 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. L'assistance judiciaire est refusée.
3. Les frais judiciaires, arrêtés à 1600 fr., sont mis à la charge du recourant.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de cassation pénale.
Lausanne, le 20 mai 2010
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Favre Vallat