肖永東 顧晉瑜

基于CityEngine的線性地物三維建模研究

Research on the 3D Modeling of Linear Terrain Based on the CityEngine

肖永東， 顧晉瑜

（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655001）

XIAO Yong-dong， GU Jin-yu

（Yunnan Vocational Institute of Energy and Technology， Qujing 655001， China）

【摘 要】三維模型是建立三維數(shù)字城市，VR等技術(shù)的基礎(chǔ)部件，可以用不同軟件和方法進(jìn)行不同顆粒程度的三維建模。論文介紹了基于規(guī)則進(jìn)行快速建模的CityEngine軟件，利用GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行線性地物，如道路等的三維模型的建立，展示了其快速、高效的建模性能。為城市規(guī)劃等需要進(jìn)行空間三維建模的項(xiàng)目提供了一種新的有效手段。

【Abstract】Three-dimensional model is the basic component of building three-dimensional digital city， VR technology and so on， we can build three-dimensional models with different granularity levels by different software and methods. This paper introduces the CityEngine software for rapid modeling based on rules. It uses GIS data to build three-dimensional model of linear terrain， such as the roads， which shows its fast and efficient modeling performance. It provides a new and effective means for urban planning and other projects that need three-dimensional spatial modeling.

【關(guān)鍵詞】 CityEngine； CGA ；三維建模

【Keywords】CityEngine； CGA； 3D modeling

【中圖分類號】F275 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）02-0142-03

1 引言

近年來，由于三維建模及VR技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對周圍環(huán)境的極致逼近，會讓使用者有一種身臨其境的感覺，受到了廣大群眾的歡迎。三維建模技術(shù)也隨著市場的需求得到了快速發(fā)展。三維建模技術(shù)是建立現(xiàn)實(shí)世界虛擬化三維場景的基礎(chǔ)，它能夠?qū)Φ乩砜臻g的表示從傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式轉(zhuǎn)換為以三維立體的方式來展示，使之能夠更加真實(shí)、形象地展示現(xiàn)實(shí)世界[1]。目前，能夠進(jìn)行三維建模的相關(guān)技術(shù)和軟件很多，如

3DMax，SketchUp、Lumion等，這些軟件的核心思想都是把現(xiàn)實(shí)研究對象拆分成若干的基本幾何形體，然后對其進(jìn)行基本模型的建立及組合處理，是一種靜態(tài)的模型[2]。本文介紹一種基于不同工作原理的建模工具：CityEngine，該建模軟件主要是基于規(guī)則進(jìn)行，通過對表示對象的拆解，組織其規(guī)則結(jié)構(gòu)，然后編寫規(guī)則文件，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模型的創(chuàng)建，它的主要優(yōu)勢在于能夠?qū)σ?guī)則文件的重復(fù)使用，并且通過對規(guī)則文件的簡單修改，就可實(shí)現(xiàn)模型的更改，相對于3DMax等建模工具，它具備了動態(tài)、快速、批量建模的特點(diǎn)，為三維建模領(lǐng)域提供了一種新的思維與手段。

2 CityEngine及CGA規(guī)則簡介

2.1 CityEngine軟件簡介

CityEngine是一款城市快速建模的軟件，其主要思想是一種基于規(guī)則的“程序化”的建模手段，通過編寫規(guī)則程序命令，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模型建立。

CityEngine廣泛支持常見的三維模型數(shù)據(jù)格式，比如，OBJ，DAE，DXF，KML，3DS等，并且與ArcGIS等GIS平臺無縫集成，具備地圖投影功能，可以直接使用ArcGIS提供的二維GIS數(shù)據(jù)，其成果也可以直接以MULTIPATCH的文件格式存儲，可作為ArcGIS的直接數(shù)據(jù)源。

2.2 CGA規(guī)則

CGA（computer generated architecture）是一種基于語義的建模語言，它是整個CityEngine的核心部分[3]。我們通過分析模型對象的組成結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建相應(yīng)規(guī)則文件，就能夠定義這種模型，并能夠?qū)Χ鄠€對象賦予這些規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)模型的快速及批量創(chuàng)建。通過CGA創(chuàng)建諸如建筑模型的過程主要如下：①通過外部GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入或直接繪制的方法在CityEngine中得到要素的二維數(shù)據(jù)（在CityEngine中，這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)為shape或street）；②根據(jù)模型對象的結(jié)構(gòu)特征編寫相應(yīng)的CGA規(guī)則文件；③選擇相應(yīng)的二維面數(shù)據(jù)，賦予CGA文件，并對其指定一個入口規(guī)則（start rule）；④使用CityEngine的模型生成工具命令，生成相應(yīng)模型；⑤對生成的模型進(jìn)行使用或?qū)С觥?/p>

3 線性地物建模

在進(jìn)行對象的建模時，有些線性對象，如圍墻、柵欄、道路等，不同于一般的房屋等獨(dú)立對象，其具備線性、走向隨意、重復(fù)性明顯、規(guī)律性強(qiáng)等特點(diǎn)。對線性地物的三維建模，如果使用傳統(tǒng)的靜態(tài)建模工具，主要做法就是創(chuàng)建其基本組件，然后對組件進(jìn)行大量的復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、移動等操作，效率低下，如果使用CityEngine工具，只要在基本組件的基礎(chǔ)上，編寫少量的幾行代碼，即能夠快速實(shí)現(xiàn)其模型的創(chuàng)建，體現(xiàn)了CityEngine的優(yōu)勢。下面就對2種常見的線性地物：柵欄和道路，根據(jù)其復(fù)雜程度，分別給予介紹。

3.1 柵欄模型的創(chuàng)建

柵欄是一種很常見的建筑模型，這種模型的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)單一，且連續(xù)分布，一般在轉(zhuǎn)彎位置是折線，在模型的創(chuàng)建上，方法是：

①分析柵欄的結(jié)構(gòu)，并分解出其基本組成部件，根據(jù)部件的難易程度，使用SKETCHUP等軟件根據(jù)其尺寸做出基礎(chǔ)部件，并導(dǎo)出為OBJ或DAE等數(shù)據(jù)格式。例如，常見的帶立柱的鐵柵欄，其基礎(chǔ)部件可分解為一個立柱和一個帶基礎(chǔ)的鐵格網(wǎng)，如圖1所示。

②把已有GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入CityEngine或直接在CityEngine環(huán)境下繪制柵欄的線路數(shù)據(jù)，由于CityEngine下沒有單純的線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的或繪制的線默認(rèn)情況下會轉(zhuǎn)換成街道數(shù)據(jù)（street），街道包含了街道（street）和人行道（sidewalk）兩部分，并且，在轉(zhuǎn)彎部分會默認(rèn)生成弧形結(jié)構(gòu)。通過CityEngine的屬性面板，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使之只包含街道部分，寬度設(shè)置為柵欄的寬度，且在轉(zhuǎn)彎的地方更改成折線。

③為柵欄實(shí)現(xiàn)設(shè)置屬性，編寫規(guī)則，其大致規(guī)則主要如下：

thebarrier-->extrude（barrierheight）

split（x）{{～postwidth：br1|～fencelength：br2}*|～postwidth：br1}

br1-->i（"ynny/assets/post.obj"）

br2-->i（"ynny/assets/fence.obj"）

④規(guī)則文件編寫完之后，將文件賦給柵欄的街道數(shù)據(jù)，直接運(yùn)行，即可得到結(jié)果，如圖2所示。

3.2 道路模型的創(chuàng)建

相比于柵欄、管線等設(shè)施，道路在結(jié)構(gòu)上要相對復(fù)雜，單幅、雙幅、多幅路等不同的道路形式各異，結(jié)構(gòu)差異很大，但如果是同一類型的道路，卻有其共性部分，下面以城市道路的一般形式來說明其建模的基本過程。

3.2.1 基本思路

對于城市道路，要在進(jìn)行建模之前把它拆分成不同的基本組成部分，然后在CityEngine下對各個部分分別進(jìn)行建模，從而最終實(shí)現(xiàn)城市道路模型的建立[4]。大致步驟如下：首先，將道路按照功能可拆分成CityEngine下支持的街道（street）、人行道（sidewalk）、十字路口（crossing）、交界（junction）以及交界入口（junctionentry）五部分，不同的部分各有不同的內(nèi)容，如街道主要包括來往車行道，有時還包括隔離帶，人行道則包括人行道路面、路燈以及行道樹等內(nèi)容。有時為了簡化處理，可以把交界與交界入口歸并到十字路口中去。

3.2.2 基本過程

①對道路模型進(jìn)行分解，得到其基本組成部分，對組成道路的一些基本組件，如路燈、行道樹、牌匾等，利用SKETCHUP等軟件工具進(jìn)行制作，并導(dǎo)入到CityEngine；對于路面、車行道等要素主要使用到的貼圖，可通過PHOTOSHOP等圖像處理軟件對采集到的圖片進(jìn)行處理，得到模型需要的貼圖數(shù)據(jù)以備用；

②導(dǎo)入或直接繪制道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)道路各組成部分的寬度和長度信息，使用CityEngine的屬性面板進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置；

③為各個組成部件編寫規(guī)則，下面為一般城市道路建模規(guī)則程序的部分主要內(nèi)容：

Street -->//定義街道，根據(jù)車道寬度進(jìn)行紋理貼圖

setupProjection（0，scope.xz， 6， calcLanes（scope.sz））

//根據(jù)路寬及車道寬，calcLanes（scope.sz）函數(shù)用于計(jì)算路面的車道數(shù)

projectUV（0） scaleUV（0， 1， 0.98） texture（“streets/road.png”）

Crossing --> //定義十字路口，對水泥路面進(jìn)行貼圖

setupProjection（0，scope.xz，3，3） projectUV（0）

texture（"streets/concrete.png"）

Sidewalk -->//定義人行道

set（trim.vertical，false） set（trim.horizontal，false）

comp（f）{ all： SidewalkPart }

SidewalkPart -->

case scope.sx > 5：

SidewalkWithCurbs alignScopeToAxes（y） t（0，sidewalkHeight，0）

SidewalkLamps

else： SidewalkWithCurbs

SidewalkWithCurbs --> extrude（world.y，sidewalkHeight）

comp（f）

{ top ： split（y）{ sidewalkHeight ： Curbs | ～1 ： Pavement }| front ： Curbs }

Pavement -->//對人行道進(jìn)行貼圖

setupProjection（0，world.xz，3，3） projectUV（0）

texture（"streets/pavement.jpg"）

SidewalkLamps --> //定義路燈

split（x）{ ～lampDistance ： NIL | { 0.1： Lamp | ～lampDistance ： NIL }* }

Lamp -->

t（0，0，scope.sz-sidewalkHeight*2） s（0，5，0） r（0，90，0） i（"streets/lamp1.obj"）

Curbs --> //對公路鑲邊進(jìn)行貼圖

setupProjection（0，scope.xy， scope.sx/ceil（scope.sx/1.1），scope.sy）

projectUV（0） texture（streets/curb.jpg）

④規(guī)則完成后，賦給道路數(shù)據(jù)，即可生成一般城市道路，如圖3所示。

4 結(jié)語

在CityEngine的平臺下，對于規(guī)則比較清晰、重復(fù)性、規(guī)律性較強(qiáng)對象的建模，充分體現(xiàn)了其快速、批量建模的思想，但這并不意味著其適應(yīng)于所有情況的三維建模。對于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模塊重復(fù)性較低的建筑模型或部件，使用CityEngine就無法在效率和性能上得到體現(xiàn)，相反，使用圖像建模工具可能還會顯得更加高效一些。不管是要進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)字城市的三維建模還是小區(qū)域，如三維校園的創(chuàng)建，總是會遇到情況多變的自然或人工模型，為了體現(xiàn)更高的效率和質(zhì)量，建議將幾種主流三維建模軟件結(jié)合起來共同使用，充分發(fā)揮各個軟件自身的應(yīng)用優(yōu)勢，以達(dá)到模型建立的最終目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】謝年， 向煜， 徐艇偉. 基于規(guī)則的快速三維建模技術(shù)研究[J]. 城市勘測， 2013（4）：15.

【2】陳秋曉， 張斌， 吳寧， 等. 城市道路參數(shù)化建模規(guī)則初探[J]. 建筑與文化， 2013（7）：40-41.

【3】梁世文， 尹志永， 李雪飛. CityEngine在三維城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].

科技傳播， 2014（5）：33.

【4】呂永來， 李曉莉. 基于CityEngine平臺的高速鐵路建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 測繪， 2013（1）：13-15.