基于CityEngine的校園三維模型建模研究

甘肅農業大學資源與環境學院地理信息系統系 王 　 璐 朱小燕 谷中仁

基于CityEngine的校園三維模型建模研究

甘肅農業大學資源與環境學院地理信息系統系 王 璐 朱小燕 谷中仁

基于CityEngine三維設計平臺，以甘肅農業大學為例，利用教學樓內外部底面投影數據，研究了CGA規則快速生成建筑物外部的基本流程，并進一步實現了室內的精細建模，從而快速高效的實現了校園三維可視化，體現了校園地理信息的一體化集成，為設計鮮活的三維校園提供了全新的手段和解決方案，擴展了參數化建模的應用領域。

CityEngine；三維數字校園；建模；CGA規則

1　 引言

如何以三維方式構建和顯示真實地理世界的各種現象己成為當今GIS發展的一個熱點議題，三維GIS應運而生。計算機科學、網絡和通訊技術的迅猛發展，加快了校園信息化建設的步伐，三維數字校園的建設已受到全國高校的熱捧。構建精美又逼真的三維場景是三維數字校園的關鍵。傳統3D建模軟件(3DMax、CAD、Sketchup等)所采用的建模技術主要是手工建模，結果往往是較為靜態的、固化的模型。這種建模技術僅能用于立體視覺表達，并不能滿足三維空間分析、屬性查詢等深層次的應用與研究，不具備快速、批量地生成建筑物模型的特點，導致資源的極大浪費，且建模周期長[1]。CityEngine是三維建模軟件中的新成員[4]。它是基于CGA規則快速批量生成三維模型，可利用GIS二維數據快速創建三維場景，并能高效的進行三維規劃設計，能與ArcGIS完美結合，提升了ArcGIS三維建模能力，縮短了建模周期[5]。

隨著城市化的迅速發展，建筑物的外觀越來越復雜，對模型精細程度的要求也就越高，成為當前需解決的問題。目前，對于三維建模方法的研究已十分廣泛，但大都只是在闡述和探討建筑物外部模型的理論與方法，很少涉及到復雜建筑物內部的精細建模，滿足不了用戶更高的需求[3]。因此，基于CityEngine三維建模的相關課題研究適應了三維技術發展的趨勢，具有重要的理論和現實意義。

2　 基于CityEngine的三維建模原理與過程

基于CityEngine的建模是通過編寫CGA規則激活當前二維數據對象，驅動生成三維模型。它提供交互、可視化的對象屬性參數接口設置面板，用戶僅需改變建筑的高度、樓層數等參數即可創造多樣化的模型。因此首先要了解CityEngine特有的CGA語言及其建模的基本過程。

2.1 CGA規則

CGA是一種獨特的編程語言，是計算機生成建(Computer Generated Architecture）的縮寫。它包含了一系列決定模型如何生成的CGA規則，是CityEngine最核心的一個功能。CGA規則建模的基本思想是定義規則，并反復優化設計更多的模型細節[3]。當一個CGA規則被賦予了一個shpae要素后，模型按照自定義的參數自動生成。基于CGA規則建模的基本思路如圖1所示。

圖1　 CGA規則建模示意圖

圖2　 CityEngine三維建模基本流程

2.2 CGA規則常用命令

extrude(Height)拉伸

i(“**.obj”)替代模型

comp(z)切分函數

split(z)分割函數

2.3 CityEngine三維建模流程

將ArcGIS 產生的二維GIS數據導入CityEngine中，建立各地物模型，再對初步的模型進行細節優化、拉伸、形狀的調整及紋理貼圖等處理，最終實現三維校園場景的發布。基本流程如圖2所示。

3　 建筑物模型的創建

3.1 建筑物外部立面模型的建立

建筑物模型的創建是構建三維校園場景的主要內容，建模的質量好壞直接影響到三維可視化的效果。其基本思路是首先定義建筑物的屬性，再用extrude函數按實際高度沿Y軸進行拉伸，確定建筑物的總體框架。然后利用comp命令將建筑物進行拆分，采用split分割函數進行更為精細的剖分，最后用texture對細節對象進行紋理貼圖。核心代碼如下：

//定義參數

attr Floor=5 //定義樓層數

attr Groundfloor_Height=5//建筑底層高度

attr Floor_Height=4 //樓層高度

Building_Height=Groundfloor_Height+Floor*Floor_He ight//建筑物高度

Lot--＞

extrude(Building_Height) Building//建筑物體塊

Building --＞

split(y){Groundfloor_Height:FVolume|{(Floor_Height):

FVolume1}*}

//建筑體塊創建與建筑立面、頂面拆分

FVolume--＞

comp(f){side:floorside(comp.index)|top:topface }

//判別建筑立面

floorside(number)--＞

case number==1:side

else:x

side--＞split(x){～1.5:wall|{～4:tile }*|～1.5:wall}

效果如圖3所示。

圖3　 甘肅農業大學工學樓

3.2 建筑物室內的精細建模

三維模型的創建不僅體現在外觀上，往往也要展現出室內的真實畫面，室內的精細建模對于延伸數字校園的應用是不可缺少的環節。為實現三維數字校園系統的內部查詢，能夠在建筑物室內進行漫游，以人的視角來觀看建筑物內部的“真實”環境，需進行內部精細建模。以甘肅農業大學3號教學樓為例，利用教學樓教室底部投影數據，經comp、split、extrude、NIL、texture等基本命令，構建教室內課桌、凳子、黑板及樓梯等內部模型。通過創建一組規則集用于描述內部各樓層的結構，再經多次調用來創建相同或相似設計的多個樓層。核心代碼如下：

//對教室地面shape進行拆分

bottomside--＞

split(y){～1:wall|～10:kface|～1:wall|～2:platform}

//課桌、凳子的建模

kface--＞

split(x){～0.2:wall|～3:seat|～1.5:wall|～6:seat |～1.5:wall|～3:seat|～0.2:wall}

seat--＞

split(y){～1.5:Ldesk|{～1.5:desk}*|～1.5:Fdesk}

Fdesk--＞

split(y){～1:wall|～0.8:Fd}

Fd--＞

extrude(1)

comp(f){back:fback|bottom:bm }

fback--＞

split(y){～1.5:TLeg|～0.5:Tpocket}

效果如圖4所示。

圖4　 教室內部模型

//樓梯的建模，使用遞歸函數創建樓梯臺階，核心代碼如下：

attr Fact = 0.85

attr Depth = 0.2

attr Stop =6

bside--＞

extrude(0.20) X

comp(f){side:side(comp.index)|top:xc}

xc--＞

case(scope.sx ＞ Stop) :

s('Fact,'Fact,0)

center(xz)

alignScopeToGeometry(yUp, 0) extrude(Depth) X

comp(f){top:xc}

else:NIL

效果如圖5所示。

圖5　 樓梯

4　 三維場景的發布與瀏覽

CityEngine發布Web場景主要有兩種方式：①發布到ArcGIS Online云端進行共享，直接通過 CityEngine Web查看器進行瀏覽；②導出為CityEngine Web Scene格式，即.3ws文件，發布成功后作為本地資源，僅需在本地計算機上進行相關配置即可瀏覽[6]。經兩種方式發布Web場景后，用戶可方便的在瀏覽器中與三維場景交互，場景如圖6所示。

圖6　 甘肅農業大學校園場景

主要有以下功能：

①用戶可通過放大、縮小、旋轉、平移等操作改變視點來導航整個校園的全局或局部景觀，給人一種漫步在校園的真實感。

②通過鼠標點擊某個建筑，可查詢顯示該建筑的元數據信息，如樓高、樓層、名稱等屬性，還可通過輸入興趣地物進行查詢，實現動態定位。

④通過校園三維虛擬化漫游，可虛擬瀏覽校園的各個角落，找到各教學樓、辦公樓等，更好的為廣大師生服務。

⑤實現校園光照調節的功能。利用季節和時間的變化模擬了校園三維場景不同時間的光照射入量，可通過設置工具進行陽光的調節，實現不同時間點的日光影響下校園三維景觀。

⑥可方便的進行屏幕截屏。

5　 結語

以CityEngine為平臺的建模方式，在構建三維模型方面具有簡單、快速而又美觀的特點, 解決了校園場景的擴建與重建問題，實現了模型場景的動態展示功能及良好的交互和顯示功能，從而為廣大用戶提供更多的體驗和服務，增加對學校的了解。基于CityEngine建模技術已越來越成熟，它的優越性也將逐漸受到大眾的關注和認可，有著更加廣闊的發展前景。

[1]張暉,劉超,李妍．基于 CityEngine 的建筑物三維建模技術研究[J]．測繪通報,2014,11:108-112．

[2]呂永來,李曉莉．基于CityEngine CGA的三維建筑建模研究[J]．測繪,2013,7:91-94．

[3]韓東成,唐志敏,張守文．基于CityEngine與CGA規則構建3D室外及室內精細模型的研究[J]．電子世界,2014(11)．

[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,2013,36(1):19-21．

[5]王俊偉,簡季,周云帆．數字校園應用中CityEngine快速參數化三維建模研究[J]．測繪,2014(4)．

[6]陳科,胡海莉,等．基于ArcGISServer與CityEngine構建的虛擬校園與校園地圖導航[J]．中國科技投資,2014,A07:4-6．

朱小燕（1981—），碩士，甘肅農業大學資源與環境學院講師，研究方向：GIS空間分析、系統開發。

甘肅農業大學盛彤笙基金（編號：GSAU-STS-1416）。

王璐（1993—），女，甘肅白銀人，大學本科，現就讀于甘肅農業大學資源與環境學院地理信息系統系，研究方向：地理信息系統。

谷中仁（1991—），男，甘肅武威人，畢業于甘肅農業大學資源與環境學院地理信息系統系，ESRI中國西安分公司公司職員。