基于CityEngine建模技術的三維虛擬校園開發與制作

賀體剛 陳鑫

（荊楚理工學院 湖北省荊門市 448000）

三維虛擬校園漫游系統以其逼真的校園環境再現能力和豐富的交互功能，在校園規劃、對外宣傳、幫助新生熟悉校園等方面，都能起到非常重要的作用，近年來在國內外高校中得到了廣泛的應用。筆者在賽爾網絡下一代互聯網創新開發項目研究中，也制作了荊楚理工學院三維校園模型。

我們最初使用3DMax 三維建模軟件，花費了大量人力和時間對荊楚理工學院校園環境進行了三維建模，校園環境細節得到最大程度的還原。雖然展示校果很好，但因模型面數巨大，程序在目前主流配置手機上都無法流暢運行，所以我們轉而使用專用于大規模城市仿真的CityEngine 進行校園模型制作。

1 數據準備與處理

1.1 影像數據獲取

建模所需的影像數據可以通過CityEngine 軟件的Get Map Data功能獲取，也可以從水經注萬能地圖下載器等相關軟件中獲取。

1.2 建筑物輪廓數據

如果有校園建筑的測繪地形圖，我們可以直接從地形圖里提取建筑物平面輪廓的CAD 數據，然后使用ArcGIS 工具，將CAD 數據轉化為Shapefile 文件，設置相關屬性，如樓層、屋頂、建筑名稱等。如果拿不到建筑的CAD 數據，也可以在ArcGIS 中對高分辨率的地圖影像進行矢量化得到建筑物輪廓。

本次建模沒有使用這兩種方法，一是我們沒有CAD 數據；二是高清影像圖進行矢量化也不能達到所需效果。我們采用的辦法是在CityEngine 中對照影像數據繪出輪廓圖和在3D Max 中參照實際建筑繪出輪廓圖，然后再將輪廓圖導入CityEngine，將其轉化為形狀后再進行規則建模。

1.3 道路數據

如果有校園道路中心線數據（道路中心線數據中包括了道路的寬度、車道數等基本屬性信息），可以在CityEngine 中根據道路中心線數據進行道路建模。因我們同樣無法獲取到道路中心線數據，只能用CityEngine 軟件提供的道路繪制工具，對照影像數據進行繪制。

1.4 紋理數據的準備

例如建筑物的門、窗、墻體等紋理，可以通過數字攝影技術進行素材采集，然后使用PhotoShop 等軟件進行后期處理后使用。

2 建筑物的三維建模

（1）首先對所研究的校園區域進行實地考察，將區域內的建筑物和影像圖的差別做好標注和記載，記錄每一個建筑的特點和整體樣式，如建筑物的高度、寬度、形狀、樓層數、窗戶樣式等。

（2）基于該地塊的實際建筑樣式，編寫詳細參數規則（CGA）。創建規則時，可以根據每一種建筑類型創建一個規則文件，使用某一個或者一類建筑平面輪廓，選擇對應的規則，設置其Start Rule，生成相應的建筑模型。

圖1：最終效果

圖2：制作完成的校園三維場景

下面以荊楚理工學院文園5 棟為例，詳述其制作過程。

（1）繪制建筑輪廓圖。

對于俯視圖規則的建筑輪廓，可采用CityEngine 軟件中的圖形創建建筑的俯視圖的地塊形狀，然后對其進行CGA 規則建模。

對于CityEngine 軟件無法直接創建的俯視圖不規則的建筑輪廓，可以使用3D Max、Maya 等建模軟件，繪制其建筑輪廓，保存為obj 或fbx 格式，導入CityEngine 后，將其拖入場景中。在場景中選中它，點擊Shapes →Convert Models to Shapes 轉換為形狀，然后再對其進行CGA 規則建模。

文園5 棟的俯視圖輪廓是規則的，所以我們可以通過CityEngine 來創建其地塊形狀。

（2）創建規則進行建模。

進入CityEngine 的Navigator 視圖，在rules 下創建一個名為security_office.cga 的規則文件，在CGA 文件中，屬性將對整個規則文件起作用。我們定義的第一條規則為Lot，在屬性檢查器中，該規則被指定為開始規則，大致的模型是使用拉伸操作來創建。

分解完成后，對這些面進行外觀造型，例如將其分割為樓層，每一層分為塊等等。根據需要可以繼續進行細分，還可以在細分的過程中，對其實施拉伸等操作。

（4）根據實際情況，將建筑模型分為7 層，從下往上依次為index1 ～index7。我們需要在第三層和第五層創建窗戶，在第七層修改其顏色。對于第三層需要通過split()進行細分，而第五層因為經過拉伸，所以必須對其實施切面（comp()）操作后再進行細分。

（5）根據需要進行擠出和貼圖操作。

（6）運用類似的切割和貼圖方法，完成其他樓層的制作，最終效果如圖1。

因無法獲取到荊楚理工學院道路中心線數據，所以道路建模是根據衛星地圖影像數據，對照校園實際情況，用CityEngine 的道路繪制工具制作完成，具體操作這里就不再詳述了。

3 制作校園三維虛擬場景

將制作好的校園建筑模型和道路模型導出為FBX 格式，導入Unity 項目中，制作出虛擬三維校園場景，再根據不同的應用需求，添加上必要的交互，即可開發出基于三維校園模型的虛擬現實或增強現實應用系統。圖2 即為本項目開發完成的增強現實應用—AR錄取通知書。

4 總結

本文基于CityEngine 技術建立的三維虛擬校園場景最終的大小只有20MB，雖然在校園環境真實還原度和渲染效果上與高模場景有很大的差距，但它在性能方面的優勢卻是非常巨大的。

另外，因為無法獲取荊楚理工學院校園環境的GIS 信息，如高程圖等，本文制作的虛擬校園環境比較簡陋，沒有地形和植被，也是比較遺憾的。