Faits:
A. Le 12 août 2009, le Tribunal correctionnel de l'arrondissement de Lausanne a condamné X._, pour actes d'ordre sexuel avec des enfants, contrainte sexuelle et viol, à cinq ans de privation de liberté sous déduction de la détention avant jugement. En bref, il s'était livré régulièrement entre le début de l'année 2006 et le 26 juillet 2008 à des attouchements sur la fille de son épouse, Y._, née le 17 octobre 1991, et lui avait imposé à deux reprises l'acte sexuel, le 26 juillet 2008. Une indemnité de 20'000 fr. a été allouée à la victime au titre du tort moral.
B. La Cour de cassation pénale vaudoise a rejeté le recours du condamné, le 17 septembre 2009.
C. Ce dernier forme un recours en matière pénale contre cet arrêt. Il en demande principalement l'annulation et subsidiairement la réforme en ce sens qu'il soit acquitté des accusations de contrainte sexuelle et viol puis condamné à une peine n'excédant pas trois ans de privation de liberté avec sursis partiel, l'indemnité pour tort moral étant réduite à 5000 fr. Plus subsidiairement, le recourant demande que sa peine n'excède pas trois ans de privation de liberté avec sursis partiel. Il requiert aussi l'assistance judiciaire.
Il n'a pas été ordonné d'échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Le recourant invoque la violation de son droit d'être entendu et de la présomption d'innocence. Il critique l'impossibilité de faire entendre par les premiers juges le témoin B._ ainsi que des experts psychiatres et le refus de l'autorité de première instance de renvoyer les débats, malgré ses réquisitions.
1.1 Le moyen de nullité déduit des art. 32 al. 1 Cst. et 6 § 2 CEDH n'a pas été soulevé en procédure cantonale. Il est irrecevable faute d'épuisement des instances (art. 80 al. 1 LTF; ATF 135 I 91 consid. 2.1 p. 93).
1.2 La garantie tirée de l'art. 29 al. 2 Cst. comprend le droit du justiciable qu'il soit donné suite à ses offres de preuves. Le juge peut cependant renoncer à en administrer certaines si les faits qu'elles doivent prouver ne sont pas importants pour la solution du litige et que cette appréciation anticipée ne soit pas entachée d'arbitraire (ATF 131 I 153 consid. 3, p. 157).
1.3 Il a été renoncé à l'audition de B._ parce que ce témoin ne pouvait apporter d'éléments cruciaux. Elle accompagnait sa fille C._, elle-même entendue par le tribunal. Elle n'avait rien vu de particulier et n'avait, de ce fait, pas été entendue par le juge d'instruction (jugement, p. 7; arrêt entrepris, consid. 2c, p. 7).
Le recourant ne soutient pas que B._ aurait été le témoin direct des faits survenus le 26 juillet 2008. Cette audition ne tendrait qu'à discuter la crédibilité de certaines déclarations de C._ qui ne concorderaient pas avec celles de la victime, en les confrontant à un autre témoignage. Le recourant élève des doutes quant au déroulement dans le temps des faits survenus le 26 juillet 2008. Il voudrait, en d'autres termes, opposer à l'appréciation subjective, nécessairement imprécise, du témoin entendu et de la victime, le ressenti tout aussi subjectif et imprécis d'un autre témoin pour établir une chronologie exacte. Cette démarche apparaît d'emblée vaine. L'appréciation anticipée de l'autorité de première instance n'est pas insoutenable.
1.4 Quant à l'audition des médecins qui ont établi le rapport d'expertise psychiatrique du 6 avril 2009, le recourant voulait obtenir en audience des précisions sur le risque de récidive, sur la conclusion selon laquelle il ne présentait pas de traits pédophiles et, de manière générale, sur son absence d'agressivité ou de propension à la violence, son positionnement dans la sphère familiale ainsi que sa crédibilité.
Devant l'autorité cantonale, le recourant n'a invoqué la violation de l'art. 29 al. 2 Cst. qu'en ce qui concerne sa crédibilité, sa dangerosité et son influence dans le cadre familial. Les autres moyens sont irrecevables faute d'épuisement des voies de recours (v. supra consid. 1.1).
Selon l'autorité précédente, l'expert n'avait pas à se prononcer sur la crédibilité du recourant. Il appartenait au juge de trancher. Ce raisonnement n'est pas critiquable. Les éléments d'anamnèse figurant au rapport d'expertise renseignent, en outre, sur le positionnement familial du recourant. Enfin, le rapport d'expertise ne fait pas état d'une agressivité particulière du recourant. Ce silence pouvait être interprété en ce sens qu'il n'y avait pas d'indices qu'un tel comportement fût significatif au plan psychiatrique. Il n'était donc pas arbitraire de considérer que ces points ne nécessitaient pas l'audition d'experts. Du reste, d'autres membres du cercle familial devaient être entendus, l'épouse du recourant et la victime en particulier. Le Tribunal pouvait considérer sans arbitraire que l'appréciation de ces preuves directes suffirait à cerner le contexte familial et le comportement du recourant.
1.5 Pour ce dernier, son droit d'être entendu aurait été violé par le rejet de ses réquisitions de preuve avant les débats et le fait qu'il n'a pas été invité à se déterminer lorsque le témoin précité a été dispensé de comparaître. Le recourant, qui a pris des conclusions incidentes aux débats en vue d'obtenir l'administration des preuves qu'il souhaitait, a cependant pu s'exprimer à cette occasion.
2. Le recourant invoque ensuite l'interdiction de l'arbitraire dans l'appréciation des preuves (art. 9 Cst.) et la présomption d'innocence (art. 32 al. 1 Cst. et 6 § 2 CEDH). Tels qu'ils sont articulés, ces moyens se confondent (ATF 124 IV 86 consid. 2a p. 88). On renvoie sur la notion d'arbitraire à l'ATF 135 V 2 consid. 1.3, p. 4 s.
2.1 Le tribunal a forgé sa conviction sur un faisceau d'indices concordants. Il a relevé le caractère crédible des déclarations de la victime, en écartant tout dessein de vengeance de cette dernière. Sa version des faits était confirmée par le témoignage indirect de C._, qui l'avait entendue crier, et à laquelle la victime avait confié auparavant être l'objet d'attouchements de son beau-père. Les affirmations de la fille étaient également corroborées par la mère, qui avait vu que son mari abusait de son intégrité sexuelle.
Sur ces différents points, le recourant reproche uniquement aux premiers juges de n'avoir pas fait état du témoignage du Dr D._, médecin traitant de la victime, selon lequel cette dernière ne lui aurait pas parlé de gestes déplacés.
Le recourant ne conteste pas la réalité des attouchements. En relation avec les viols et la contrainte sexuelle, ce point de détail, sans rapport direct avec les faits, n'est pas susceptible de remettre sérieusement en cause l'appréciation des premiers juges sur la crédibilité de la victime.
2.2 La conviction de l'autorité de première instance repose aussi sur les analyses génétiques.
Le recourant objecte que la trace ADN d'origine épithéliale présente dans le vagin de la victime est partielle et que cela affecterait les calculs des probabilités qui ont été opérés sur des séquences complètes du chromosome Y. On ignorerait aussi l'état de fraîcheur des traces ADN, qui pourraient être antérieures au 26 juillet 2008. Le résultat obtenu (sur un échantillon de 4000 hommes pris dans le monde entier, 72 individus en plus du recourant présentent un profil Y similaire au sien) signifierait que sur une population de 7'000'000'000, 127'750'000 personnes présenteraient les mêmes caractéristiques.
Ces analyses ont été réalisées sur le matériel génétique retrouvé sur les sous-vêtements (liquide séminal) et dans le sexe de la victime (cellules épithéliales). Les probabilités ont été déterminées sur ces fragments. Le rapport d'analyse ne contient aucune réserve expresse sur ce point. L'affirmation du recourant, selon laquelle ces calculs en seraient affectés n'est étayée par aucun élément scientifique dûment établi. Le rapport explique, par ailleurs, qu'en termes de vraisemblance, il est environ 50 fois plus probable d'observer une correspondance entre les profils Y des traces concernées et du suspect, si celui-ci, ou un autre homme de la même lignée paternelle, en est à l'origine plutôt qu'un individu non apparenté. Or, le tribunal a constaté que la victime entretenait depuis six mois une relation avec un jeune homme auquel elle était fidèle. Le profil génétique de l'intéressé n'était pas compatible avec celui du recourant. Ce dernier n'avait, en outre, pas fait plaider que d'autres hommes cohabitaient dans le même appartement (ce qui exclut aussi les hommes de la même lignée que lui). Les premiers juges ont ainsi éliminé pratiquement toute origine plausible de ce matériel génétique autre que le recourant. Le tribunal pouvait conclure sans arbitraire de la présence de liquide séminal sur les sous-vêtements de la victime et de cellules épithéliales dans son sexe, tous échantillons présentant le même profil ADN que celui du recourant, à l'existence d'un indice pertinent et important d'une activité sexuelle avec la victime, qui confirmait donc les déclarations de cette dernière.
3. Les autorités cantonales auraient fait une fausse application des art. 189 et 190 CP. L'élément de contrainte ne serait pas réalisé.
3.1 En cas de viol (art. 190 CP), l'auteur contraint une personne de sexe féminin à subir l'acte sexuel proprement dit. Les moyens de contrainte sont les mêmes que pour la contrainte sexuelle (art. 189 CP). Ces deux délits de violence peuvent être réalisés par l'instrumentalisation de liens sociaux constituant une contrainte d'ordre psychique ("violence structurelle"). La situation doit être telle que la soumission de la victime apparaît compréhensible. L'exploitation de rapports généraux de dépendance ou d'amitié ou même la subordination comme telle de l'enfant à l'adulte ne suffisent en règle générale pas pour admettre une pression psychologique au sens des art. 189 al. 1 ou 190 al. 1 CP. L'auteur doit utiliser les relations sociales comme moyen de pression pour obtenir des faveurs sexuelles. Ainsi, la considération selon laquelle la subordination cognitive et la dépendance émotionnelle et sociale peuvent produire une pression psychique doit être vue sous l'angle du délinquant sexuel, qui transforme cette pression en un moyen de contrainte pour parvenir à ses fins. Il ne suffit pas que l'auteur exploite une relation de pouvoir, privée ou sociale, préexistante. Il doit créer concrètement une situation de contrainte (tatsituative Zwangssituation). Il suffit, lorsque la victime résiste dans la mesure de ses possibilités, que l'auteur actualise sa pression pour qu'il puisse être admis que chacun des actes sexuels n'a pu être commis qu'en raison de cette violence structurelle réactualisée (ATF 131 IV 107 consid. 2.2, p. 109 et 2.4 p. 111 s.). Sous réserve de la résistance accrue d'un adulte en pleine possession de ses facultés, les mêmes principes valent que la victime soit adulte ou enfant (ATF 126 IV 124 consid. 3d p. 130). Dans cette dernière hypothèse l'art. 187 CP peut entrer en concours avec les art. 189 et/ou 190 CP (ATF 124 IV 154 consid. 3a, p. 157).
3.2 Selon le tribunal, le recourant avait un ascendant sur sa victime en tant que beau-père et conditionnait les autorisations de sortie sollicitées au fait de pouvoir se livrer à des attouchements. Il avait menacé à une reprise au moins de frapper la victime lorsqu'elle avait tenté de se débattre pour lui résister. Elle n'avait, de son côté, guère de moyens de s'opposer. Le domicile conjugal constituait son seul lieu de vie et elle ne pouvait pas compter sur l'appui de sa mère (jugement, consid. III.d, p. 20). Le tribunal a ainsi expliqué de manière convaincante en quoi consistait la situation de contrainte et comment le recourant la réactualisait à chaque demande d'autorisation de sortie.
Le recourant nie tout ascendant. Il objecte que la victime s'est opposée avec succès à certaines sollicitations (masturbation et acte bucco-génital). Le jugement retient cependant, sous réserve d'un attouchement vaginal, que les gestes perpétrés sur la victime avant sa majorité consistaient essentiellement en attouchements sur sa poitrine directement ou à travers les habits (jugement, consid. II, p. 14). On comprend ainsi que la pression exercée par le recourant a suffi à contraindre la victime à subir passivement certains actes, mais ne lui a pas, ou pas toujours, permis d'obtenir d'elle un comportement plus actif ou sa soumission à des gestes plus intrusifs. Cela ne suffit pas à remettre sérieusement en cause le fait que la position du recourant au sein de la famille lui permettait d'exercer son ascendant sur l'adolescente. Enfin, le 26 juillet 2008, le recourant s'est couché sur celle-ci pour la pénétrer. Les faits ont duré environ une demi-heure et, durant l'acte, la victime a pleuré et crié en disant au recourant qu'il lui faisait mal. Ces faits permettent d'établir que le recourant a passé outre son refus, fût-ce par un emploi même limité de la force, ce qui suffit à réaliser la contrainte par la violence (BERNARD CORBOZ, Les infractions en droit suisse, vol. I, 2002, art. 189 CP, n. 17). Les cris (« arrête Dini, tu me fais mal! ») et les pleurs entendus par les témoins durant le second viol confirment un déroulement similaire.
4. X._ ne conclut à la réduction de l'indemnité pour tort moral qu'en relation avec son acquittement de certains chefs d'accusation. Le rejet de ses moyens sur ce dernier point entraîne celui de cette conclusion.
5. Il conteste enfin la peine qui lui a été infligée en se référant notamment à un cas jugé à Genève et dont la presse s'est fait écho.
5.1 Les principes régissant la fixation de la peine ont été rappelés dans un arrêt récemment publié (ATF 134 IV 17 consid. 2.1 et les références citées). Il suffit d'y renvoyer, en soulignant que le juge dispose d'un large pouvoir d'appréciation.
5.2 Le recourant a été condamné pour deux viols, réprimés d'une peine privative de un à dix ans (art. 190 CP), en concours (art. 49 CP al. 1 CP) avec de nombreux actes de contrainte sexuelle (art. 189 CP) réalisant aussi la mise en danger du développement de mineurs (art. 187 CP), commis durant deux ans au moins une fois par semaine au moyen d'un chantage odieux. En l'absence de toute circonstance atténuante, et vu la responsabilité pénale entière, les autorités cantonales n'ont pas excédé leur large pouvoir d'appréciation en fixant à cinq ans la durée de la privation de liberté. Pour le surplus, selon une jurisprudence bien établie, il ne suffit pas que le recourant puisse citer un ou deux cas où une peine particulièrement clémente a été fixée pour prétendre à l'égalité de traitement (ATF 120 IV 136 consid. 3a, p. 144 et les références citées).
6. Le recours était d'emblée dénué de chances de succès. L'assistance judiciaire doit être refusée (art. 64 al. 1 LTF). Le recourant succombe. Il supporte des frais qui seront arrêtés en tenant compte de sa situation économique péjorée par la détention (art. 65 al. 2 et 66 al. 1 LTF). Il n'y a pas lieu d'allouer des dépens aux intimés (art. 68 al. 1 et 3 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
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 25 janvier 2010
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Favre Vallat