基于CityEngine的線性地物三維建模研究

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

（云南能源職業技術學院，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字城市，VR等技術的基礎部件，可以用不同軟件和方法進行不同顆粒程度的三維建模。論文介紹了基于規則進行快速建模的CityEngine軟件，利用GIS數據進行線性地物，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。為城市規劃等需要進行空間三維建模的項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.

【關鍵詞】 CityEngine； CGA ；三維建模

【Keywords】CityEngine； CGA； 3D modeling

【中圖分類號】F275 【文獻標志碼】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技術能夠實現對周圍環境的極致逼近，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。三維建模技術也隨著市場的需求得到了快速發展。三維建模技術是建立現實世界虛擬化三維場景的基礎，它能夠將對地理空間的表示從傳統的二維表達方式轉換為以三維立體的方式來展示，使之能夠更加真實、形象地展示現實世界[1]。目前，能夠進行三維建模的相關技術和軟件很多，如

3DMax，SketchUp、Lumion等，這些軟件的核心思想都是把現實研究對象拆分成若干的基本幾何形體，然后對其進行基本模型的建立及組合處理，是一種靜態的模型[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則進行，通過對表示對象的拆解，組織其規則結構，然后編寫規則文件，即可實現相應模型的創建，它的主要優勢在于能夠對規則文件的重復使用，并且通過對規則文件的簡單修改，就可實現模型的更改，相對于3DMax等建模工具，它具備了動態、快速、批量建模的特點，為三維建模領域提供了一種新的思維與手段。

2 CityEngine及CGA規則簡介

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則的“程序化”的建模手段，通過編寫規則程序命令，即可實現相應的模型建立。

CityEngine廣泛支持常見的三維模型數據格式，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數據，其成果也可以直接以MULTIPATCH的文件格式存儲，可作為ArcGIS的直接數據源。

2.2 CGA規則

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構，創建相應規則文件，就能夠定義這種模型，并能夠對多個對象賦予這些規則，從而實現模型的快速及批量創建。通過CGA創建諸如建筑模型的過程主要如下：①通過外部GIS數據導入或直接繪制的方法在CityEngine中得到要素的二維數據（在CityEngine中，這種數據表現為shape或street）；②根據模型對象的結構特征編寫相應的CGA規則文件；③選擇相應的二維面數據，賦予CGA文件，并對其指定一個入口規則（start rule）；④使用CityEngine的模型生成工具命令，生成相應模型；⑤對生成的模型進行使用或導出。

3 線性地物建模

在進行對象的建模時，有些線性對象，如圍墻、柵欄、道路等，不同于一般的房屋等獨立對象，其具備線性、走向隨意、重復性明顯、規律性強等特點。對線性地物的三維建模，如果使用傳統的靜態建模工具，主要做法就是創建其基本組件，然后對組件進行大量的復制、旋轉、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上，編寫少量的幾行代碼，即能夠快速實現其模型的創建，體現了CityEngine的優勢。下面就對2種常見的線性地物：柵欄和道路，根據其復雜程度，分別給予介紹。

3.1 柵欄模型的創建

柵欄是一種很常見的建筑模型，這種模型的特點是結構單一，且連續分布，一般在轉彎位置是折線，在模型的創建上，方法是：

①分析柵欄的結構，并分解出其基本組成部件，根據部件的難易程度，使用SKETCHUP等軟件根據其尺寸做出基礎部件，并導出為OBJ或DAE等數據格式。例如，常見的帶立柱的鐵柵欄，其基礎部件可分解為一個立柱和一個帶基礎的鐵格網，如圖1所示。

②把已有GIS數據導入CityEngine或直接在CityEngine環境下繪制柵欄的線路數據，由于CityEngine下沒有單純的線數據，導入的或繪制的線默認情況下會轉換成街道數據（street），街道包含了街道（street）和人行道（sidewalk）兩部分，并且，在轉彎部分會默認生成弧形結構。通過CityEngine的屬性面板，設置相關參數，使之只包含街道部分，寬度設置為柵欄的寬度，且在轉彎的地方更改成折線。

③為柵欄實現設置屬性，編寫規則，其大致規則主要如下：

thebarrier-->extrude（barrierheight）

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

br1-->i（"ynny/assets/post.obj"）

br2-->i（"ynny/assets/fence.obj"）

④規則文件編寫完之后，將文件賦給柵欄的街道數據，直接運行，即可得到結果，如圖2所示。

3.2 道路模型的創建

相比于柵欄、管線等設施，道路在結構上要相對復雜，單幅、雙幅、多幅路等不同的道路形式各異，結構差異很大，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行建模，從而最終實現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等軟件工具進行制作，并導入到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行處理，得到模型需要的貼圖數據以備用；

②導入或直接繪制道路網數據，并根據道路各組成部分的寬度和長度信息，使用CityEngine的屬性面板進行相應設置；

③為各個組成部件編寫規則，下面為一般城市道路建模規則程序的部分主要內容：

Street -->//定義街道，根據車道寬度進行紋理貼圖

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

//根據路寬及車道寬，calcLanes（scope.sz）函數用于計算路面的車道數

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

Crossing --> //定義十字路口，對水泥路面進行貼圖

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 --> //對公路鑲邊進行貼圖

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

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

④規則完成后，賦給道路數據，即可生成一般城市道路，如圖3所示。

4 結語

在CityEngine的平臺下，對于規則比較清晰、重復性、規律性較強對象的建模，充分體現了其快速、批量建模的思想，但這并不意味著其適應于所有情況的三維建模。對于那些結構復雜、模塊重復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，相反，使用圖像建模工具可能還會顯得更加高效一些。不管是要進行大規模的數字城市的三維建模還是小區域，如三維校園的創建，總是會遇到情況多變的自然或人工模型，為了體現更高的效率和質量，建議將幾種主流三維建模軟件結合起來共同使用，充分發揮各個軟件自身的應用優勢，以達到模型建立的最終目標。

【參考文獻】

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

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

【3】梁世文， 尹志永， 李雪飛. CityEngine在三維城市建設中的應用[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現[J]. 測繪， 2013（1）：13-15.