王星捷 衛(wèi)守林

1(核工業(yè)西南物理研究院 四川 成都 610041)2(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 四川 樂山 614007)3(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院 云南 昆明 650093)

0 引 言

隨著三維虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，面向規(guī)則的三維建模技術(shù)的應(yīng)用越來越多，國(guó)內(nèi)基于CityEngine的規(guī)則建模研究也不斷深入，如文獻(xiàn)[1-3]說明了如何運(yùn)用CGA語法快速建模，還原場(chǎng)景真實(shí)度，但所建模型均為現(xiàn)代化建筑。

關(guān)于古建筑的研究上，劉媛等[4]介紹了如何構(gòu)建古建筑模型，內(nèi)容主要是屋頂如何編寫，在門窗怎樣設(shè)計(jì)上提出建設(shè)的方法，沒有對(duì)屋體及分層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。李昕娟等[5]描述了如何建立房屋整體，但缺乏門、窗等細(xì)節(jié)的講解，在實(shí)現(xiàn)圓柱中，采用了外部模型的替換，說明對(duì)規(guī)則的研究只針對(duì)了矩形面的規(guī)則模型。何鴻杰等[6]對(duì)古城三維建模技術(shù)描述較少，只是大體講解了建模的方法，沒有進(jìn)行細(xì)化研究，對(duì)于精細(xì)的模型采用的是3D MAX的制作方法?？v觀國(guó)內(nèi)三維建模技術(shù)的覆蓋方面，目前基于CityEngine規(guī)則建模的研究方式在涉及古建筑建模方面相比于現(xiàn)代建筑較為稀少，所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法都是常規(guī)的拉伸、平移、替換等規(guī)則模型的處理函數(shù)方法，復(fù)雜的模型都采用了外部模型替代，并沒有采用旋轉(zhuǎn)等方法實(shí)現(xiàn)不規(guī)則的模型，使用的地形幾乎都是平面，缺乏三維地形的處理，也沒有涉及到綠化、路燈的動(dòng)態(tài)布局。

本文以閬中古城為研究對(duì)象，通過遙感影像、DEM獲取地形和矢量數(shù)據(jù)。采用Delaunay三角剖分算法進(jìn)行地形處理，采用三角網(wǎng)法對(duì)地形進(jìn)行整平處理，采用CityEngine建模的規(guī)則語句，根據(jù)古建筑和古城的附屬建筑的不同建筑的風(fēng)格和幾何形狀特性，分析了結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)計(jì)了規(guī)則語義算法，實(shí)現(xiàn)三維建模。針對(duì)綠化、路燈的分布，根據(jù)其動(dòng)態(tài)分布的規(guī)律，設(shè)計(jì)了算法，自動(dòng)批量地實(shí)現(xiàn)分布，實(shí)現(xiàn)閬中古城的三維虛擬平臺(tái)。

1 系統(tǒng)技術(shù)思想

獲取閬中古鎮(zhèn)地區(qū)的遙感影像圖，利用地形處理原理進(jìn)行底圖的制作與分離，首先在ArcGIS里面將其底圖導(dǎo)入，做出相對(duì)應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，再將規(guī)劃好的類別進(jìn)行分類型建立矢量數(shù)據(jù)，對(duì)不同的矢量數(shù)據(jù)添加屬性。將矢量數(shù)據(jù)處理完畢后，將采集到的二維數(shù)據(jù)通過與柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行整平操作，最終導(dǎo)出需要的DEM數(shù)據(jù)。CityEngine與ArcGIS有很好的兼容性，所以將在ArcGIS里面處理好的柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CityEngine軟件中。

中國(guó)古建筑住宅具有院落式布局，主要建筑物都在縱軸線上，次要建筑采取左右對(duì)稱的方式[7]，然后圍墻和回廊組成院落周圍，形成矩形庭院。閬中古城古建筑的建模思路是先進(jìn)行總體建模，然后分塊，最后分層，如圖1所示。

圖1 古建筑的建模流程

首先是對(duì)階基的設(shè)計(jì)，階基是整個(gè)房屋的底座，是整棟建筑的受力部分，它所發(fā)揮的建模作用是整體建筑該如何設(shè)計(jì)規(guī)劃。由于中國(guó)古建筑具有禮制性[8]，一般是以中軸線向縱深發(fā)展，左右對(duì)稱，它的個(gè)體造型不突出，建筑重復(fù)率較高，所以在階基平面上要依據(jù)中軸對(duì)稱原理進(jìn)行分割，然后進(jìn)行分塊建模，在造型一致的單體建筑上命名相同，使得建筑整體有對(duì)稱效果，這也保證了古建筑重復(fù)率高的特點(diǎn)，又提高了建模效率。屋身規(guī)則的編寫中，屋身的設(shè)計(jì)包括樓層拉伸高度、建筑層數(shù)、斗拱樣式、每層門窗和墻體特點(diǎn)該如何展示，該部分是規(guī)則編寫最繁瑣的地方，也是區(qū)分其他建筑物的重要部分，涉及的函數(shù)、設(shè)計(jì)樣式、命名名稱較多，是規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化的重要方面。其次是屋頂?shù)慕ⅲ蓓斒枪沤ㄖ蠲黠@的特征，本文所研究的樣式為懸山、歇山、重檐。

在CityEngine軟件中利用CGA語言規(guī)則直接建模，結(jié)合幾何算法，方便地通過旋轉(zhuǎn)、偏移、拉伸等實(shí)現(xiàn)多種特殊效果的建筑和一些附屬物的動(dòng)態(tài)布局等，如動(dòng)態(tài)地布局路燈、垃圾桶，改變植物的密度等，可以進(jìn)行批量動(dòng)態(tài)布局。

2 地形處理及整平

2.1 地形處理

在地形的生成中，有很多生成TIN的算法：經(jīng)典的Delaunay算法、Delaunay三角網(wǎng)凸殼生成算法和Delaunay三角剖分算法等。本文對(duì)Delaunay三角剖分算法[9]改進(jìn)后用于閬中古城的地形高程圖TIN的創(chuàng)立，生成的TIN精度更高。

改進(jìn)后的逐點(diǎn)插入算法的思想：將前期提取出來的信息中沒有經(jīng)過處理的點(diǎn)放在已經(jīng)創(chuàng)建好的Delaunay三角網(wǎng)中，然后進(jìn)行所在點(diǎn)與三角形的對(duì)比判斷。如果該點(diǎn)已經(jīng)在三角形的內(nèi)部，而且都已經(jīng)連接該點(diǎn)與三角形的每個(gè)頂點(diǎn),則利用Delaunay三角剖分準(zhǔn)則找出影響區(qū)，將影響區(qū)域里面的邊，利用算法將影響區(qū)進(jìn)行三角形的重建，一直重復(fù)該種算法，直到區(qū)域里面所包含的全部點(diǎn)都加入在最后的三角網(wǎng)里面。最后利用算法對(duì)該三角網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化操作。

操作步驟：

(1) 創(chuàng)立一個(gè)初始多邊形，該三角形應(yīng)該包括所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，即凸包，然后在凸包中建造初始Delaunay三角網(wǎng)。

(2) 將前期提取到的數(shù)據(jù)點(diǎn)加入到三角網(wǎng)中。

(3) 利用算法搜索含有這個(gè)點(diǎn)的三角形，并將這個(gè)點(diǎn)和這個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)相連，構(gòu)成三個(gè)三角形。

(4) 利用改進(jìn)后的Delaunay三角網(wǎng)剖分法，找出影響區(qū)域，并刪除影響三角形的公共邊，最后連接插入點(diǎn)與該三角形的全部頂點(diǎn)。

最后利用LOP算法從里到外更新一遍所有生成的三角形，并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化處理操作，處理效果如圖2所示。

圖2 地形處理效果

2.2 地形整平

閬中古城的地形的實(shí)現(xiàn)，最主要的是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TIN模型。TIN與矢量數(shù)據(jù)的整平方法是利用截面法中形成三角形的原理，不斷將三角形細(xì)微化，然后利用挖方填方原理，計(jì)算出該地需要進(jìn)行填平整平操作還是挖方整平操作。實(shí)際最終是將高程數(shù)據(jù)通過連接字段使矢量數(shù)據(jù)具有高程，利用矢量數(shù)據(jù)對(duì)地形進(jìn)行整平操作，最終使地形呈現(xiàn)平整的面，使在其上建立的建筑物、植被等不會(huì)產(chǎn)生傾斜與倒塌的效果。整平前后效果對(duì)比如圖3所示。

(a) 地形整平后

(b) 地形整平前圖3 地形整平前后效果

3 古建筑規(guī)則設(shè)計(jì)

CityEngine中的規(guī)則語言CGA[10]形狀語法屬于建筑設(shè)計(jì)編程語言的一種，定義為4種組件：形狀、屬性、操作及語法規(guī)則。其生成的建筑物模型，擁有高視覺質(zhì)量以及幾何細(xì)節(jié)的特點(diǎn)。

形狀操作包括4種類型：

(1) 重復(fù)操作，在給定方向上重復(fù)操作幾何形狀。

(2) 范圍操作，平移t、旋轉(zhuǎn)r和縮放s。

(3) 分割操作，沿給定的x軸或y軸并設(shè)置分割尺寸進(jìn)行分割。

(4) 組件分割操作，點(diǎn)、邊、面的分割操作。

形狀語法規(guī)則可以替換和修改形狀，從平面開始，首先生成立體三維模型，再不斷使用形狀語法規(guī)則，逐步細(xì)化三維建筑模型形狀，生成最終需要的形狀。本文依據(jù)以上規(guī)則，進(jìn)行規(guī)則算法代碼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三維建模。

3.1 屋頂設(shè)計(jì)

古建筑建模的難度在于屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)，屋頂主要可分為雙面坡、四面坡和歇山頂。

雙面坡的規(guī)則語法為roofGable，四面坡的語法為roofHip，歇山頂是兩者的結(jié)合體。語法的作用是快速把一個(gè)平面衍生出多個(gè)平面，對(duì)aslant所形成的面根據(jù)右手法則判斷方向，進(jìn)行平行于屋脊正脊方向的分割，對(duì)吻獸的存放位置進(jìn)行預(yù)留，然后按垂直于正脊的方向進(jìn)行分割。

而對(duì)于雙面坡的平面衍生方式有兩種，一是通過將三角形進(jìn)行平移，從一端移動(dòng)到另一端而形成的立體圖形，所涉及的平移公式如下：

(1)

式中：x、y、z為起始點(diǎn)的坐標(biāo)，x′、y′、z′為終點(diǎn)的坐標(biāo)，m、n、p分別為起始點(diǎn)在x、y、z方向上的移動(dòng)距離，雙面坡屋頂生成示意圖如圖4(a)所示，是三角形從屋身頂部的一端移動(dòng)到另一端，且只有一個(gè)方向上的移動(dòng)，平移距離相同，即m=n=p=屋身長(zhǎng)度。

第二種雙面坡屋頂平面衍生方式為屋身頂部矩形向上逐步迭代完成，但由于屋頂在一個(gè)平面內(nèi)的縮放矩陣易于求解，先運(yùn)用式(1)，得出豎直方向的距離矩陣，然后在平移后的平面上逐步縮放迭代，這也是四面坡屋頂面的衍生方式，迭代算法如下：

Xk+1=AXk+F

(2)

式中：k值為1，2，…，X為基礎(chǔ)矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)的矩陣，F(xiàn)為平移矩陣，A縮放因子，所運(yùn)用縮放原理如下：

(3)

式中:Tx、Ty、Tz為基礎(chǔ)點(diǎn)在x、y、z方向上縮放比例因子，先向上平移矩形，如圖4(b)屋頂生成平移示意圖，得到平移矩陣，再通過縮放公式將平面向內(nèi)圈縮放，如圖4(c)屋頂生成縮放示意圖由于此時(shí)豎直方向無改變，在式(3)中Tz=1，即p1=p0，得到縮放矩陣，最后運(yùn)用迭代原理，k值不斷增加，直到矩形變成一條直線。

(a) 三角形平移

(b) 向上平移

(c) 向內(nèi)平移圖4 屋頂生成示意圖

歇山頂式的屋頂編寫基本原理是：屋頂下部分使用四面坡語法，上部分使用雙面坡語法。

3.2 門窗設(shè)計(jì)

門窗作為一個(gè)空間單元，是房屋的從屬部分，它的建筑風(fēng)格與主體房屋一致，彰顯了其和諧性。在屋身編寫時(shí)，運(yùn)用分割函數(shù)按照需要設(shè)置的門的寬度將門的區(qū)域在中軸線位置留出，其余部分是墻體與窗戶的設(shè)計(jì)空間。在門的位置運(yùn)用分割函數(shù)，分出門檻與門，然后對(duì)其進(jìn)行適宜的厚度處理，即拉伸函數(shù)的運(yùn)用，這是對(duì)一般房屋門的規(guī)則編寫方法。而對(duì)于房屋內(nèi)部有一定樣式設(shè)計(jì)的精細(xì)房屋門的制作而言，為了展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與門的真實(shí)空間感，可以在運(yùn)用分割函數(shù)時(shí)，將其分為兩扇或三扇，然后將門進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)操作。

在對(duì)平面進(jìn)行分割時(shí)要確定該平面是以x軸，y軸，還是z軸組成，這關(guān)系到分割的起始方向，但一個(gè)立體圖形都符合坐標(biāo)系的右手法則，拇指代表x軸正方向，食指代表y軸正方向，中指代表z軸正方向。

圖5為門窗分割效果圖，拉伸后根據(jù)右手法則判定該面的分割豎直正方向?yàn)橛蚁陆窍蜃?，水平分割正方向?yàn)橛蚁陆窍蛏稀?/p>

圖5 門窗分割效果圖

3.3 分層設(shè)計(jì)

首先將基礎(chǔ)面按右手法則確定出分割方向，將平面的四個(gè)角進(jìn)行分割，運(yùn)用式(1)把四個(gè)小正方形的四條邊按距離公式原理向上拉伸，形成柱礎(chǔ)與柱子，柱礎(chǔ)高度t=2，柱子的高度T=9。圖6(a)為柱子與柱礎(chǔ)生成示意圖。

四個(gè)小角之間的細(xì)小平面通過中軸對(duì)稱原理進(jìn)行分割，為建立撐拱需配合旋轉(zhuǎn)公式，圖中所示位置是繞z軸旋轉(zhuǎn)，公式如下：

(4)

旋轉(zhuǎn)角度θ=28°，再向上平移并拉伸，形成如圖6(b)撐拱效果圖。四周撐拱形成主要代碼如下：

yizhu-->

s(′1+1,′1,′1+1)center(xz)

extrude(y,lougao)i(″gongyuan/post3.dae″)

yizhu1-->

extrude(y,lougao)comp(f){front:xiezhu1}

xiezhu1-->

split(y){～1:NIL|1.2:split(x){～1:NIL|0.05:xie1|～1:NIL}|1.5:NIL}

xie1-->

s(′1,′1+2.2,′1)r(28,0,0)extrude(-1.05)comp(f){all:xietu}

yizhu11-->

extrude(y,lougao)comp(f){back:xiezhu1}

yizhu2-->

extrude(y,lougao)comp(f){right:xiezhu1}

yizhu22-->

門推開了，進(jìn)來一個(gè)穿深色軍服的東洋人。我瞅了他一眼，倒吸一口涼氣，不是的！這不是我的狼剩兒！這個(gè)人拉著張馬臉，走到桌前，往漆盒里丟了個(gè)小牌牌，取下腰間的長(zhǎng)刀擱在桌上。我回過神兒，伸出雙手把他往門外使勁搡，一邊大聲叫：“伊藤！伊藤！我找伊藤！”

extrude(y,lougao)comp(f){left:xiezhu1}

在一層屋頂基礎(chǔ)面通過式(2)向上平移柱子的高度，即n=T=9，運(yùn)用矩形迭代的方式形成四面坡屋頂，將傾斜面按平行與正脊的方向分割，以便吻獸的建立。將horizontal形成的面進(jìn)行異名復(fù)制，一個(gè)作為二層地板面，另一個(gè)作為樓層基礎(chǔ)建立面，公式如下：

(5)

可以進(jìn)行平面內(nèi)的矩形縮放，由于該面是由x、y所構(gòu)成的平面，其中z=z0×Tz可視為Tz=0，走廊形成示意圖如圖6(c)所示，是將x、y方向上的縮放量設(shè)置成小于0的數(shù)，使平面向內(nèi)縮小，把四周圍欄位置留出進(jìn)行設(shè)計(jì)，Tx、Ty同時(shí)設(shè)置為0.8。

通過上述的設(shè)計(jì)思想，分層的進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)的古建筑效果如圖6(d)所示。

(a) 柱子與柱礎(chǔ)設(shè)計(jì)

(b) 撐拱設(shè)計(jì)

(d) 最終實(shí)現(xiàn)效果圖6 古建筑分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程

4 動(dòng)態(tài)布局設(shè)計(jì)

4.1 綠化密度動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

綠化地區(qū)生成樹木可以通過置換模型和散亂點(diǎn)的生成來實(shí)現(xiàn)，由擴(kuò)展函數(shù)生成的樹的類型和大小是相同的，并且樹的數(shù)目是相同的。為了使樹更逼真，可以使用fileRandom隨機(jī)生成模型樹，然后使用rand函數(shù)重新設(shè)計(jì)樹的高度來創(chuàng)建不同的高度。一個(gè)地塊內(nèi)的樹木模型的數(shù)量可以通過該地區(qū)樹木的密度來獲得。樹密度變換包括伸長(zhǎng)變換、縮放變換、旋轉(zhuǎn)變換和剪切變換的復(fù)合，并用三列式矩陣表示，該矩陣將原坐標(biāo)更換為新坐標(biāo)。

(1) 將每點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)相應(yīng)增大(減小)至wy倍，增大(減小)到wx倍，得到的縮放變換的矩陣如下：

(6)

當(dāng)wx=wy時(shí)為比例縮放，否則為拉伸變換。

(7)

通過樹的平移，縮放等操作后，實(shí)現(xiàn)效果如圖7所示。

(a) 原始樹(b) 改變密度后圖7 樹的密度變換

4.2 位置動(dòng)態(tài)布局

路燈、樹、垃圾桶等附位置屬模型的位置布局采用移動(dòng)立方體法以及特殊的逐點(diǎn)插入法，相當(dāng)于循環(huán)移動(dòng)的方法，主要采用了遞歸逐點(diǎn)插入法的思想。

(1) 首先建立三角網(wǎng)，并求出已知點(diǎn)集的矩形包容矩形框(Xmin，Xmax，Ymin，Ymax)，然后以對(duì)角線為基準(zhǔn)將此矩形框拆分為兩個(gè)初始三角形。

(2) 定位三角形：先從點(diǎn)集中選出一個(gè)目標(biāo)，再在已經(jīng)形成的三角網(wǎng)中找到含有這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三角形。

(3) 確定影響域：從包含這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三角形開始，基于記錄的拓?fù)湫畔?，再利用外接圓檢測(cè)的方法來找出外接圓包含當(dāng)前插入點(diǎn)的三角形集，三角形集的直徑所在的外邊界即是下個(gè)點(diǎn)的位置。然后依次對(duì)下個(gè)點(diǎn)進(jìn)行相同操作，其中空外接圓檢測(cè)按如下式所示。實(shí)現(xiàn)的效果如圖8所示。

(8)

圖8 路燈、樹木動(dòng)態(tài)布局效果

5 三維虛擬技術(shù)分析

三維建模技術(shù)已經(jīng)非常成熟，常用軟件建模的技術(shù)有3D MAX、SketchUP等三維建模軟件。結(jié)合GIS技術(shù)的三維虛擬軟件平臺(tái)有SuperMap、MapGIS、CityEngine等。

3D MAX建模周期長(zhǎng)、模型精度高、模型數(shù)據(jù)大；由于數(shù)據(jù)量大，許多GIS軟件平臺(tái)無法支持?jǐn)?shù)據(jù)量較大的模型，不適合城市規(guī)模的建模，只適合小區(qū)域模型的展示。

SketchUP的建模方式制圖效率低下，而且通過SketchUP當(dāng)中的模型分析，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景中植物的表現(xiàn)效果很差，它的植物很多都是二維形式的，從俯視圖看就是很薄的一片，不具有立體效果。在SketchUP中，由于建筑建模時(shí)是先把建筑部件創(chuàng)建完成，然后對(duì)所完成的建筑部件進(jìn)行拼接才能將整個(gè)建筑對(duì)象完整地展示出來，這就導(dǎo)致當(dāng)建筑層面過多或觀看視角較遠(yuǎn)時(shí)，建筑就會(huì)出現(xiàn)破面現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 SketchUP中破面現(xiàn)象

在SuperMap和MapGIS建模過程過程中，對(duì)每種類型的建筑需單獨(dú)建立圖層，以方便對(duì)建筑推出高度的設(shè)置，而且對(duì)于它的貼圖不像在本次設(shè)計(jì)中對(duì)每一面的貼圖門窗單獨(dú)分割。對(duì)建筑面一面整體貼圖，不能顯示出模型的精細(xì)度，對(duì)于復(fù)雜建筑需要導(dǎo)入外部模型進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化，這樣很容易出現(xiàn)貼圖消失的情況。而且場(chǎng)景呈現(xiàn)時(shí)由于建筑拉伸沒有立體厚度感，對(duì)于遠(yuǎn)處建筑群有一種半透明狀態(tài)的視角感，出現(xiàn)如圖10所示的貼圖消失的情況。而且地形處理的效果差，真實(shí)度不高。許多精細(xì)的模型需要用外部三維軟件建模后導(dǎo)入。導(dǎo)入的控制點(diǎn)是通過人工操作，必然會(huì)有一定偏差，這就導(dǎo)致最終模型不夠精確。

圖10 貼圖消失情況

CityEngine將三維建模技術(shù)和三維虛擬技術(shù)融為一體，三維建模技術(shù)采用了靈活性好、復(fù)用性高的面向規(guī)則的三維建模語言實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^分析各種幾何特性和幾何形狀算法，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。減少了對(duì)外部三維軟件的依賴，同時(shí)減少了模型的數(shù)據(jù)量，便于數(shù)據(jù)的加載和發(fā)布。在導(dǎo)入的原始矢量圖中建模，位置精準(zhǔn)。模型通過分層設(shè)計(jì)，對(duì)墻體、窗戶、柱子等能精確控制，保證了模型的精度和真實(shí)度，同時(shí)也便于后期的維護(hù)。在處理樹木、路燈、垃圾桶等模型時(shí)，通過算法可以實(shí)現(xiàn)等距的動(dòng)態(tài)布局插入，不用進(jìn)行人工的插入操作。對(duì)于規(guī)則相同的區(qū)域，可以通過規(guī)則批量生成模型，對(duì)于相似的建筑模型，門、窗、屋頂?shù)纫?guī)則進(jìn)行復(fù)用，減化了整個(gè)建模的過程和周期。在建模前期需要對(duì)各種模型進(jìn)行精確的分析，在后期維護(hù)的過程中只需對(duì)照代碼進(jìn)行調(diào)整，維護(hù)過程簡(jiǎn)便。采用面向規(guī)則三維虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的閬中古城虛擬平臺(tái)展示效果如圖11所示。

圖11 閬中古城三維虛擬平臺(tái)展示

6 結(jié) 語

本文采用了CityEngine基于面向規(guī)則的三維虛擬技術(shù)對(duì)閬中古城進(jìn)行了虛擬平臺(tái)的建設(shè)，研究了遙感影像數(shù)據(jù)制作地形數(shù)據(jù)的技術(shù)和地形整平技術(shù)，分析了古建筑的建筑結(jié)構(gòu)、空間位置、幾何形狀、屋頂形狀、門窗分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了幾何特性的算法、平移和旋轉(zhuǎn)的規(guī)則，完成了古建筑的建模。針對(duì)特殊形狀的建筑如燈籠等，研究了旋轉(zhuǎn)曲線以及旋轉(zhuǎn)的過程，設(shè)計(jì)了規(guī)則算法。對(duì)于樹木的密度、路燈等附屬物的布局等，根據(jù)其變化的特性，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的位置布局和樹木密度的增減。在實(shí)現(xiàn)過程中，自動(dòng)化程度高，相同的模型，通過統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行批量生成；相似的模型通過屋頂、門窗等局部部件規(guī)則的復(fù)用，得以快速實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的三維虛擬系統(tǒng)精度高、數(shù)據(jù)量小、減少了對(duì)外部模型的依賴，便于后續(xù)的維護(hù)和修改。

本文采用的面向規(guī)則三維虛擬技術(shù)有一定的不足：(1) 在設(shè)計(jì)規(guī)則的前期，需要花大量的時(shí)間對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析、分層找規(guī)則、分析幾何特性、設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的算法；(2) 對(duì)于不規(guī)則的建筑或者其他模型，需要通過構(gòu)造復(fù)雜的幾何曲線和旋轉(zhuǎn)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜。針對(duì)不足之處提出建議：(1) 復(fù)雜的建筑，由規(guī)則和不規(guī)則的形狀構(gòu)成。對(duì)于規(guī)則部分，可以用規(guī)則完成規(guī)則部，部分不規(guī)則的修飾模型可以用外部建模軟件實(shí)現(xiàn)，采用替代函數(shù)進(jìn)行替換，可以提高建模的速度。(2) 養(yǎng)成良好的編程風(fēng)格，以面向?qū)ο蟮乃枷雭碓O(shè)計(jì)規(guī)則，為了提高規(guī)則代碼的復(fù)用率，將門窗、屋頂?shù)炔考为?dú)寫規(guī)則，便于相似建筑代碼的復(fù)用。

基于CityEngine面向規(guī)則三維虛擬技術(shù)，雖然存在不足，但是在三維建模上有了技術(shù)性的突破，打破了傳統(tǒng)的建模技術(shù)的思想，不依靠三維建模軟件，不需要額外學(xué)習(xí)三維建模軟件技術(shù)。通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的分析、形狀的研究，用規(guī)則代碼實(shí)現(xiàn)三維建模，讓三維建模變得更靈活性、更智能化、更高的自動(dòng)化程度、更強(qiáng)的維護(hù)性，在三維古鎮(zhèn)、古城的建設(shè)中，有著極大的應(yīng)用前景。