基于CityEngine 的線性地物三維建模研究

肖永東，顧晉瑜

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

1 引言

近年來，由于三維建模及VR 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的極致逼近，會(huì)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)?duì)地理空間的表示從傳統(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(duì)象拆分成若干的基本幾何形體，然后對(duì)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(duì)表示對(duì)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(shì)在于能夠?qū)σ?guī)則文件的重復(fù)使用，并且通過對(duì)規(guī)則文件的簡單修改，就可實(shí)現(xiàn)模型的更改，相對(duì)于3DMax 等建模工具，它具備了動(dòng)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(tái)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(chǔ)，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(gè)CityEngine 的核心部分[3]。我們通過分析模型對(duì)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€(gè)對(duì)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(duì)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(duì)其指定一個(gè)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(duì)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(duì)象的建模時(shí)，有些線性對(duì)象,如圍墻、柵欄、道路等，不同于一般的房屋等獨(dú)立對(duì)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(duì)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(duì)組件進(jìn)行大量的復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)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(shì)。下面就對(duì)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(gè)立柱和一個(gè)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(huì)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(huì)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。

圖2 柵欄效果

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(duì)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(duì)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(duì)各個(gè)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(shí)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(shí)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(duì)道路模型進(jìn)行分解，得到其基本組成部分，對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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：

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。

圖3 道路模型效果

4 結(jié)語

在CityEngine 的平臺(tái)下，對(duì)于規(guī)則比較清晰、重復(fù)性、規(guī)律性較強(qiáng)對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(gè)軟件自身的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到模型建立的最終目標(biāo)。