二维轮廓自动添加屋顶

1、背景介绍

在提取建筑物轮廓点后，对轮廓点进行简化得到建筑物轮廓线。将轮廓线进行拉伸，变可得到建筑物白膜，如下图所示。这种形状比较简单，所重建模型实质上就是一个个立方体盒子，缺少屋顶细节，视觉观感上并不好。

建筑物白膜（缺少屋顶结构信息）

但实际上，真实建筑物屋顶结构各不相同，由不同面片构成，具有复杂的屋顶结构，如下图所示。

2、基于CGAL自动生成斜坡屋顶

一般的建筑物轮廓线矢量数据中并没有建筑物屋顶信息，相比较光秃秃的白模，如果能加上屋顶，其视觉观感就会好很多。本次介绍一种利用CGAL自动添加斜坡屋顶的方法。CGAL有个算法可以自动生成2D多边形骨架线，叫2D Straight Skeleton。具体的生成原理，可以去看官网上介绍。此次主要介绍如何利用CGAL生成屋顶，并使用PCL进行可视化显示。

2.1 环境配置

本次程序需要安装依赖CGAL、PCL，其安装配置环境参考之前博客。本次实验在PCL1.11、CGAL5.5版本上运行。其中安装参考博客：

CGAL参考博客：CGAL环境配置（VS2019 PCL1.8）-CSDN博客

PCL参考博客：win11+VS2019下配置PCL1.11.1-CSDN博客

2.2 骨架线生成

建筑物骨架线实质是对于一个闭合的多边形，在其内部生成其他线段。如下图所示，黑色线段为建筑物外轮廓，红色线段为骨架线。在CGAL库中，本质是生成了新的顶点，顶点与边相连，即可生成骨架线。

建筑物轮廓与骨架示意图

生成骨架线API接口示例：

 SsPtr iss = CGAL::create_interior_straight_skeleton_2(poly.vertices_begin(),
        poly.vertices_end());

2.3 三维模型可视化

当然，生成的内部点是二维，没有高度，那么如何生成三维模型呢？可以采用如下简单策略：

（1）所有的外轮廓点，高程设置一个高度；

（2）所有的内部点，高程设置成另一个高度，一般是比外轮廓点高；

（3）对每个面对应的点，直接连接

可视化函数接口示例：

 viewer->addPolygon<pcl::PointXYZ>(contour, r, g, b, str);

3、测试与可视化

程序运行环境：

PCL 1.11

CGAL 5.5

VS2019

3.1 骨架线生成测试

假设组成外轮廓的形状如下，总共由A、B、C、D、E、F组成，每个点坐标如下：

A(0,0)、B(20,0)、C(20,20)、D(10,20)、E(10,10)、F(0,10)。具体可参考如下：

轮廓点分布示意图

利用CGAL中骨架线生成函数create_interior_straight_skeleton_2，运行结果如下，总共生成了6个面，其中每个面组成的点数各不相同。如第一个面由3个点组成，三个点坐标为（0,0）、（5,5）、（0,10）组成。可以发现点（5,5）是生成点，（0,0）、（0,10）为轮廓边缘点，为已有点。

分析每个面对应的点，其满足如下规律：

（1）首尾两个点为边缘点，非首尾点为生成的新的点

（2）按照点的顺序进行连接，是一个闭合的能够刻画真实形状的多边形