基于3DS Max與CityEngine的虛擬校園設(shè)計(jì)

李曉婧等

摘要：以寧夏大學(xué)校園為建模范圍，利用CityEngine和3DS Max對(duì)具有特色的景觀與標(biāo)志性建筑進(jìn)行高效三維建模，將三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)和GIS技術(shù)運(yùn)用到學(xué)校宣傳、校園展示、規(guī)劃建設(shè)等方面。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寧夏大學(xué)校園三維場(chǎng)景，并能夠演示四季變換、晝夜交替的場(chǎng)景變化，將寧夏大學(xué)的自然環(huán)境與人文景觀展現(xiàn)得淋漓盡致。

關(guān)鍵詞：CityEngine；3DS Max；虛擬校園；地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）14-0202-02

Abstract： Efficiently conduct 3D model for distinctive landscape and landmarks with the range of Ningxia University by CityEngine and 3DS Max. And the school publicity， campus exhibition， aspects of planning and construction are applied by the three-dimensional visualization technology，virtual reality technology and GIS. The system can achieve the 3D scene of Ningxia University campus，and show the scene changes of seasons or alternating day and night ，that make the natural charm and cultural landscape of Ningxia University opened out before people most vividly。

Key words： cityengine；3Ds max；virtual campus；geographical information system

1 軟件介紹

本設(shè)計(jì)主要使用3DS Max與CityEngine兩種開發(fā)工具。3DS Max具有豐富的三維建模功能，是當(dāng)前國(guó)際上最通用的建筑三維建模軟件。CityEngine可以基于二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場(chǎng)景，并能高效的進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，其對(duì)地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS的完美支持，使得以空間位置為參照組織的GIS數(shù)據(jù)不需轉(zhuǎn)換即可迅速實(shí)現(xiàn)三維建模。以地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，利用3DS Max 和CityEngine為三維建模工具，將建筑物三維模型與數(shù)字高程模型進(jìn)行無(wú)縫集成，可以實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的快速三維建模，也能夠縮短三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期。

2 數(shù)據(jù)建模

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

通過(guò)對(duì)寧夏大學(xué)地形圖進(jìn)行掃描矢量化與野外補(bǔ)測(cè)相結(jié)合的辦法，獲取高程數(shù)據(jù)，建立寧夏大學(xué)三維高程模型。以1：2000的《寧夏平面布局圖》為底圖，矢量化建筑物、道路、綠地、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等，錄入地物類別、地物高度、建筑層數(shù)、建筑材質(zhì)等屬性信息，存儲(chǔ)為shape文件。從Google Earth截取寧夏大學(xué)最新的高分遙感影像。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將以上空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一到銀川市城市坐標(biāo)系統(tǒng)。

采集紋理數(shù)據(jù)時(shí)把虛擬場(chǎng)景按類別進(jìn)行劃分，確定需要制作的各個(gè)場(chǎng)景元素以及要拍攝的對(duì)象和拍攝的具體內(nèi)容，選擇合適拍攝角度、拍攝時(shí)間，照片以JPG格式保存以縮小數(shù)據(jù)量。

對(duì)地物幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取一定要達(dá)到精度要求，做好數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

2.2模型數(shù)據(jù)處理

虛擬校園三維模型主要分為建筑模型、地形模型、地物模型三類，而每一種又可以分為簡(jiǎn)單規(guī)則模型和特殊模型。本設(shè)計(jì)通過(guò)批量建模與精細(xì)建模相結(jié)合，規(guī)則建模與導(dǎo)入模型相結(jié)合的辦法進(jìn)行建模。

2.2.1地形模型建立

在ArcGIS中，打開3D模塊，由高程點(diǎn)、等高線矢量數(shù)據(jù)生成TIN，轉(zhuǎn)為GRID，建立地面三維模型。

2.2.2 CGA批量建模

批量建模主要是使用規(guī)則操作創(chuàng)建而來(lái)的，CGA 規(guī)則中的常用操作包括拉伸（Extrude）、分割組件（Comp）、切割（Split）等[3]。

典型的外觀造型流程如下：⑴將面分解為樓層（Floors）；⑵將樓層分解為塊（Tile），每一塊通常由墻面和窗口構(gòu)成；⑶繼續(xù)對(duì)Floor對(duì)象進(jìn)行細(xì)化，對(duì)Tile進(jìn)行定義， 對(duì)EntranceTile進(jìn)行定義；⑷對(duì)前面定義的Window，Door，Wall和SolidWall寫具體的規(guī)則；⑸最后，將rules里的CGA規(guī)則拖曳到選擇的藍(lán)色區(qū)域，原本的平面就會(huì)生成一群建筑體。

2.2.3 3DS Max精細(xì)建模

3DS Max有九種常用的建模方法，分別為基礎(chǔ)形體建模、編輯修改器建模、二維形建模、組合對(duì)象建模、放樣建模、網(wǎng)格建模、多邊形建模、面片建模和NURBS建模[1，2]。由于三維建模的主要對(duì)象為規(guī)整的幾何建筑物，所以常常采用多邊形這種建模方式。依據(jù)“主體建?！卣鞅憩F(xiàn)”的建模順序[3]，盡可能使用較少的簡(jiǎn)單幾何體模型構(gòu)建建筑物的主體，并且省略局部細(xì)節(jié)，突出表現(xiàn)具有特征標(biāo)志的局部外觀。

2.3 紋理貼圖

2.3.1紋理數(shù)據(jù)處理

紋理數(shù)據(jù)質(zhì)量控制包括選擇合適拍攝角度、拍攝時(shí)間、影像的裁剪、圖像糾正、雜物消除、色調(diào)調(diào)整、大小調(diào)整等。最終是否能生成高質(zhì)量的紋理數(shù)據(jù)直接影響著三維建筑物模型的可視化效果。

將可重復(fù)使用的紋理數(shù)據(jù)抽取出來(lái)，相似區(qū)域陣列使用，如墻體、屋頂、樹木以及道路等，以提高開發(fā)效率，并且能夠在渲染場(chǎng)景時(shí)，減少外設(shè)數(shù)據(jù)讀寫，加快顯示速度。此外，某些特殊物體要進(jìn)行透明化處理，如門窗等。

2.3.2添加紋理

CityEngine有兩種貼圖方式：第一種是通過(guò)i（geometryPath）規(guī)則引入外部帶貼圖的模型；第二種方式是通過(guò)texture（string texturePath）規(guī)則在CityEngine內(nèi)部通過(guò)規(guī)則控制來(lái)完成貼圖的實(shí)現(xiàn)。在用3D軟件把其它格式的模型導(dǎo)出為CityEngine支持的部件格式（如OBJ）時(shí)，要選擇帶有貼圖紋理和貼圖坐標(biāo)。通過(guò)內(nèi)部規(guī)則控制實(shí)現(xiàn)紋理貼圖過(guò)程中其最關(guān)鍵的在于約束texture引入的圖片所代表的實(shí)際大小和其擺放的位置等信息，因而就產(chǎn)生了控制圖片代表實(shí)際尺寸、圖片重復(fù)的次數(shù)兩種方式的貼圖。

2.4模型導(dǎo)入及優(yōu)化

2.4.1模型導(dǎo)入

為使3DS Max制作的模型部件在CityEngine中正常使用，在3DS max導(dǎo)出時(shí)選擇導(dǎo)出OBJ格式，并在CityEngine場(chǎng)景中使用矢量建筑物輪廓來(lái)為模型定位。由于CityEngine對(duì)高版本的Max導(dǎo)出的OBJ支持不好，可事先選擇較低版本的Max制作地物模型。

2.4.2模型優(yōu)化

（1）CleanupGeometry和Cleanup Shapes規(guī)則能夠分別對(duì)模型和形狀進(jìn)行優(yōu)化以減少模型的節(jié)點(diǎn)和面數(shù)，這兩種方式處理的結(jié)果都可以通過(guò)導(dǎo)出方式得到我們所需要格式的模型。

（2）應(yīng)用LOD 動(dòng)態(tài)技術(shù)及實(shí)時(shí)可視區(qū)域算法等 VR 技術(shù)，可使速度提高到較快的水平。

3不同季節(jié)場(chǎng)景構(gòu)建

3.1設(shè)計(jì)思路

通過(guò)多次建立圖層，設(shè)置春、夏、秋、冬不同圖層的組合，可在Web Scene中拉動(dòng)以查看規(guī)劃前后效果圖的對(duì)比。所有三維模型均在規(guī)則中運(yùn)用代碼（TRUE/FALSE）分為晝夜兩套模式，并可一鍵切換，以便于觀察不同時(shí)態(tài)下寧夏大學(xué)的校園景觀。

3.2設(shè)計(jì)方法

地物上的積雪，通過(guò)添加模型來(lái)表現(xiàn)。首先將地物模型復(fù)制一份作為雪模型，在頂點(diǎn)層級(jí)中選中個(gè)別頂點(diǎn)并向上輕微拖動(dòng)，使局部向上突起。為使部分區(qū)域顯現(xiàn)出原有地面，將雪模型整體下移1或2mm。在離鏡頭較近的地方，為使積雪的效果更加精細(xì)，另創(chuàng)建兩個(gè)平面作為積雪模型，設(shè)置較大的分段數(shù)，并對(duì)平面施加Noise（澡波）修改器，增大Z值，以制造出起伏效果。雪模型的材質(zhì)參數(shù)設(shè)置為：漫反射色為白色，自發(fā)光為淺藍(lán)色，高光強(qiáng)度及光澤度均為0，另外，在Bump（凹凸）通道指定Cellular（細(xì)胞）貼圖。樹木的積雪效果可以簡(jiǎn)單地用材質(zhì)來(lái)模擬，所用材質(zhì)類型為頂/底材質(zhì)，其中頂材質(zhì)為雪材質(zhì)，而底材質(zhì)為包含樹皮貼圖的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)。通過(guò)附材質(zhì)、渲染，可以將積雪效果模型導(dǎo)出、導(dǎo)入到CityEngine中。

4 功能實(shí)現(xiàn)

三維場(chǎng)景經(jīng)過(guò)CityEngine建模工具構(gòu)建， 導(dǎo)出為.3WS 格式， 并通過(guò)3D Web Scene Viewer（offline）發(fā)布場(chǎng)景， 可以實(shí)現(xiàn)基于本地使用該場(chǎng)景[4]。

4.1 三維場(chǎng)景制作與發(fā)布

將制作完成的三維模型選中導(dǎo)出為.3WS 格式，并能使用 3D Web Scene Viewer（offline）發(fā)布三維場(chǎng)景。

4.2 虛擬校園瀏覽功能

系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)航條、鼠標(biāo)左右鍵可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的放大、縮小、全圖、漫游、平移、旋轉(zhuǎn)等基本操作。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò) Layers 工具控制圖層顯示與否。

4.3 虛擬校園查詢功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間信息與屬性信息雙向查詢，用戶可以鼠標(biāo)點(diǎn)擊感興趣地物， 查詢顯示到該建筑的基本信息。同時(shí)，在 search 功能中對(duì)地物進(jìn)行查詢，興趣地物便高亮顯示，并精確定位到目標(biāo)。

4.4 虛擬校園日光調(diào)節(jié)功能

通過(guò)對(duì)網(wǎng)頁(yè)右側(cè)面板中Setting工具Sunlight的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間點(diǎn)的日光影響下的校園三維場(chǎng)景。

4.5 虛擬校園地圖便簽功能

將該三維場(chǎng)景發(fā)布到ArcGIS Online上，通過(guò)Bookmarks功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定點(diǎn)地物進(jìn)行注記標(biāo)示。

4.6 虛擬校園四季切換功能

通過(guò)設(shè)置不同季節(jié)圖層的組合，可在Webscene中拉動(dòng)以查看不同季節(jié)圖層的對(duì)比。

5 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于虛擬校園的研究不單單要集中于可視化和應(yīng)用方面，對(duì)于空間分析功能和 GIS 提供決策支持則研究應(yīng)該給予更高的重視，積極展開三維數(shù)字校園方面的研究。本文在虛擬交互方面研究還不夠深入，在渲染速度方面、逼真度方面還存在改進(jìn)的空間，今后需要在虛擬校園展示系統(tǒng)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)游戲以及人機(jī)模擬技術(shù)以提高系統(tǒng)的可用性和易用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊澤.基于ArcGIS和3DS Max的房屋震害三維可視化方法研究一以磚平房震害為例[D].中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，2006.

[2] 騰龍視覺設(shè)計(jì)工作室.3DS MAX7中文版建模技術(shù)案例精解[M].科學(xué)出版社，2005.

[3] 盧國(guó)梁.基于3DS MAX和ArcGIS Engine技術(shù)建立三維校園[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[4] 朱安峰，王海鷹，高金頂.基于CityEngine的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015，24（2）：112-115.