过程式虚拟城市建模系统

过程式虚拟城市建模系统王丽英，华炜，鲍虎军（浙江大学ＣＡＤ｜＆ＣＧ国家重点实验室，杭州３１００２７）

摘要：本文提出了一种基于过程式方法构建城市模型的建模系统。该系统根据用户的设计意图生成城市的二维蓝图和三维模型．蓝图描述了城市要素构成与布局的二维信息．蓝图设计主要采用道路规则、布局模板驱动和约束布局优化三种方法，重点是控制城市整体结构，表现道路和建筑的空间风格，获取显著视觉效果的布局．三维造型根据蓝图提供的二维信息，通过重用并组装来自模型库的基本模型自动生成．实验结果表明，该系统能够在数十分钟内高效可控地生成视觉可信的城市模型．最后给出了一个具有十几万个要素的大规模城市场景的建模实例，面积可达２５平方公里．关键词：过程式城市建模；约束布局优化；空间风格：模板和模型库

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ｌｉｂｒａｒｙ１引言

本文得到国家重点基础研究发展规划９７３项目（批准号：２００２ＣＢ３１２１０２）、高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目（批准号：７０５０２７）、国家８６３高技术计划项目（批准号：２００６ＡＡＯｌＺ３３８）资助。作者简介：王丽英（１９７６－），女，博士研究生，主要研究方向为大规模城市场景建模与仿真、虚拟现实等。华炜（１９７２一），男，博士，副研究员，主要研究方向为真实感图形、犬规模场景的绘制，虚拟现实和软件工程领域等。鲍虎军（１９６６－），男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为真实感图形绘制技术、数字几何处理技术、视频图像处理技术、虚拟现实以及和谐人机环境等。

一１４１—近年来，由于影视特效、视频游戏、军事仿真和城市规划等应用的快速发展，迫切需求大规模城市场景的快速造型．早期城市建模的途径主要是通过３Ｄ软件对整个城市场景进行完全造型，构造成千上万的模型将导致成本高且速度慢．目前大规模城市的自动建模仍然是一项挑战性的课题．

当前基于图像和视频的方式对城市建筑和地貌进行重建的方法还不能达到快速自动建模的要求．由于其追求真实城市的重建，则需要拍摄整个真实城市的照片，包括地面车载系统采集建筑的正面图或相关部门收集的雷达图、卫星图、航拍图等．这种方法需要计算图像上的点与模型上的点的对应关系，但是由于采集数据不全面和计算困难可能导致恢复的结果不理想．最新的研究工作是ＭｕｌｌｅｄＩ】通过对建筑的单个正面图像进行细分，重构正面３Ｄ模型和纹理，并自动构造出分裂文法规则．基于图像的绘制技术，如Ｃｈｅｎ［２ｌ提出的ＱｕｉｃｋＴｉｍｅＶＲ方法，采用拼接城市的照片构建整个城市的全景图，简单而快速，能够满足整个城市全景的浏览，已经广泛应用在网上都市中．但是这种方法缺少城市几何，由于采集视点的限制，可能产生不连续的缺陷．

Ｗａｔｓｏｎ［３１等人提出了过程式城市建模技术，解决了复杂几何建筑体和大尺度场景的自动建模难题．前人重点研究了基于文法的过程式建模方法，如Ｐａｒｉｓｈ等人１４ｌ利用道路扩展和植物生长的相似性，应用扩展Ｌ系统生成虚拟城市的道路网．然而，Ｌ系统本身并不适合建筑物造型，因为植物和道路的造型设计实际上都是在一个开放的空间中模拟生长的过程．而建筑物的造型是在严格的空间约束下的一种空间组合过程．建筑学中建筑构造规则描述的形状文法很难直接用于计算机图形学中，从Ｌ系统得到启发，ＷｏｎｋａＩ引、ＭＵｌｌｅｒｉ６Ｊ经过规则简化和推导机制扩充，构造分裂文法和控制文法等实现建筑物造型．但是文法方法由于预先设定的规则有限，缺少实际的灵活性，并且这种方法很不直观．还有一些应用人工智能的方法解决地块划分和道路网生成，如Ｗｏｎｋａｌ７１采用智能体技术．本文把规则、模板以及优化模型集成到建模系统中．以往的工作考虑了道路网的空间风格，然而几乎没有考虑建筑分布的空间风格．为了表现丰富的空间形态，我们设计二维蓝图时加入建筑的空间风格．

本文的目标是建立一个虚拟城市造型的集成环境，能够根据用户要求过程式地生成城市二维蓝图和三维模型．二维蓝图指的是城市要素的二维分布，包括几何和外观属性．在全局引入约束图和城市规划指标约束城市要素分布．实现分为三步：首先利用道路规则驱动主干道路生成，然后采用布局模板驱动城市要素按优先级顺序排布，展后利用约束布局优化方法求解最优建筑道路分布．这样做的好处是有利于我们控制城市整体结构，表现多样的道路和建筑的空间风格，获取具有显著视觉效果的布局．三维模型根据蓝图中城市要素的分布自动通过重用并组装来自模型库的基本模型进行建模．这种过程式城市建模方法非常直观，容易推广，能快速可控产生大规模的城市场景，并且产生的城市总体具有较强的真实感．

下文描述该建模系统的主要流程和算法，第二节给出主干道路网的规则驱动方法，第三节说明城市要素的布局模板驱动和满足城市规划约束的布局优化方法．之后阐明三维造型过程，最后给出实验结果和结论．

２城市建模系统建模系统的流程如图１所示．二维蓝图的生成是产生城市要素的二维分布，主要是位置坐标．首先，用户输入一系列约束图像，设计道路风格，并设置给定图像与实际坐标的比例尺，然后根据操作规则生成主干路网和街道．城市道路把城市划分为不同用途的地块，遍历出道路围合起来形成的地块边界．然后产生地块内部的布局．系统引入城市规划的控制指标，用图１建模系统流程户提供不同功能区的建筑密座、弈积宰、绿化率、建筑高度｝Ｉ问隔距离的平均他城ｌＵ要录拄Ｊ！［！优先级顺序｝ｆ布，应用布局模板库，保持高优先级的个性婴秉的丰勾成幂１分布特征．１ｍ采州约血优化特殊处理一般优先级的共性要索的分布．其巾也表现丁丰宦的空间形态飙格

＝维造型是在地形两格模型上根据一维监削的要素位置放胃对廊的二维模型其中．道路遗硝产生遵蹄取边乖ｌ交义口的多边影及■维多面体．计算街道路而标线的忙置和纹理啦杯常规建筑重用基本模型单元，组台成复杂建筑群其他蜚索模ｌ“是对摹奉模ｌｏ施加坐标变换的实例化最终组浆并输出城市模型

３主干道生成

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４地块布局城市要素的分布往往按照一定的优先级顺序执行．其优先缎顺序以特征建筑优先级最高