CityEngine城市三维建模入门教程 课件 第1-3章 CityEngine概述、街道建模、手动三维建模

CityEngine城市三维建模入门教程配套课件第一章CityEngine概述

第二章街道建模

第三章手动三维建模

第四章CGA规则建模

第五章对象选择与视域分析

第六章数字模型导入与导出

第七章使用Python脚本语言课程目录CATALOG课程目录与教程目录对应关系CATALOG第一章CityEngine概述，对应教程：第1章CityEngine概述第二章街道建模，对应教程：第2章街道建模第三章手动三维建模，对应教程：第3章手动三维建模第四章CGA规则建模，对应教程：第4章CGA规则建模、第5章CGA形状编辑操作、第6章CGA纹理贴图操作、第7章CGA属性及属性设置、第8章CGA程序结构与规则函数、第9章CGA常用内置函数、第10章CGA注解与样式第五章对象选择与视域分析，对应教程：第11章对象选择与视域分析第六章数字模型导入与导出，对应教程：第12章数字模型导入与导出第七章使用Python脚本语言，对应教程：第13章使用Python脚本语言注：本课件中出现“教程”视为配套图书《CityEngine城市三维建模入门教程》的简称。第一章概述1.1CityEngine发展概述1.2CityEngine建模特点1.3CityEngine软件界面1.4CityEngine工程组织方式1.5CityEngine图层介绍及操作CATALOGCityEngine最早可追溯到2001年的瑞士苏黎世联邦理工学院和中影公司联合发表的《ProceduralModelingofCities》论文，该研究提出并探讨了使用程序模拟城市的可行性。2008年，瑞士Procedural公司正式发布了第一个商业版本的CityEngine2008。随后，该公司在2009年和2010年先后推出了CityEngine2009版本和CityEngine2010版本。2011年，美国环境系统研究所公司（ESRI）收购了Procedural公司，并将软件更名为EsriCityEngine。同年，ESRI公司成立了苏黎世研发中心，专注于城市设计、三维建模和地理信息系统（GIS）集成。自2011年11月至2016年6月，ESRI公司每隔一年更新一版。在这六年的发展中，EsriCityEngine与ArcGIS深入集成，全面支持地图投影坐标系，支持FileGDB文件和Shapefile文件，增加建模规则，扩展植物库，改善用户界面，使其具有更好的用户体验。1.1CityEngine发展概述在2017年，ESRI公司推出了EsriCityEngine2017版本。相比之前的版本，该版本呈现了一个完全改进的图形用户界面，引入了全新的工具栏图标集，更新了窗口选项卡和其他用户界面元素外观，提供了非常重要的测量工具，重新设计了光标以突出显示当前活动的工具状态，实施了新颖的3D导航系统，改进及扩展了CGA规则函数，完善了数据导入和导出功能，增强了虚拟现实（VR）体验，提高了软件的易用性。在此之后，EsriCityEngine2018版本进一步丰富了手动建模工具和程序建模函数库，完善了新建高程数据工作流，改进了对ArcGIS平台的支持和对虚幻引擎（UnrealEngine）的支持。另外，检查器和视窗也有显著改进。随后，EsriCityEngine2019版本再次丰富了手动建模工具和程序建模函数库，同时改进了检查器窗口和3D数据的导入/导出，支持虚幻工作室（UnrealStudio）和Web3D场景，集成了ArcGISUrban。1.1CityEngine发展概述在2020年，ESRI公司将EsriCityEngine更名为ArcGISCityEngine，并发布了2020版本。随后，ESRI公司在2021年又发布了ArcGISCityEngine2021版本。至此，CityEngine已成为ArcGIS系列的正式组成部分，也体现了CityEngine与ArcGIS产品无缝协作的目标。ArcGISCityEngine相比EsriCityEngine2019版本在软件界面和操作方面并无显著区别，只是在渲染材质，支持外部模型以及模型编辑方面有所改进，主要体现在改进了对基于物理渲染（PBR）材质的显示，对Pixar公司的开源通用场景描述（USD）数据格式的支持，增加了交互式设计的工具选项。另外，在软件操作界面上提供了对中文的支持，在CGA规则中增加了对数组的支持，对CSV文件的支持。截止目前，ESRI公司已推出ArcGISCityEngine2023版本。1.1CityEngine发展概述各版本的详细特点请点击以下网址查看：/en/cityengine/latest/whats-new/cityengine-release-notes.htm1.2CityEngine建模特点（1）使用GIS数据作为背景底图在大规模场景的城市建模中，所有的地理实体都可以用GIS数据描述，CityEngine全面支持GIS数据。（2）使用CGA规则进行程序建模在大规模场景内，使用CGA规则建模，可以显著提高3D建模效率，降低建模成本。对于重复性出现的建模任务，可使用Python进一步简化工作流程，加快建模进度和保证建模质量。（3）使用属性和注解自定义用户界面通用性的CGA规则可作为CityEngine的插件，比如双跑直行楼梯规则通过修改台阶和中间平台的尺寸参数可适应几乎全部的直跑楼梯和双跑直行楼梯建模，而台阶和中间平台的尺寸参数可通过使用CGA规则的属性和注解将其作为接口显示在检查器的规则面板中，也就是说允许用户在检查器中自定义参数界面，以适应当前的楼梯建模任务。1.2CityEngine建模特点1.3CityEngine软件界面CityEngine界面大致可分为主菜单、工具条、导航器（Navigator）、场景编辑器（SceneEditor）、CGA规则编辑器、模型视图（如3DView、TopView）、检查器（Inspector）、控制台（Console）。文件编辑

选择

图层

图形

形状

分析

搜索

脚本窗口ArcGIS城市帮助主菜单主要包括：文件（File）、编辑（Edit）、选择（Select）、图层（Layer）、图形（Graph）、形状（Shapes）、分析（Analysis）、搜索（Search）、脚本（Scripts）、窗口（Window）、帮助（Help）。主菜单主菜单各工具的介绍见教程第4页。工具条主要包括选择、导航摄像机、变换工具、坐标系、数值输入框、街道建模工具、形状建模工具、CGA生成模型、测量、视域分析和环境设置等内容。工具条测量视域分析环境设置选择导航相机变换工具坐标系数值输入框街道建模工具形状建模工具CGA生成模型1.3CityEngine软件界面工具条中各工具的详细介绍见教程第8页。导航器导航器用于查看和管理项目文件。在该面板中，通过使用鼠标右键快捷菜单，可对文件或图像进行基本的操作处理。场景编辑器在导航器中用鼠标左键双击场景文件，会打开场景编辑器，用于对场景中的各个图层组、图层及对象进行编辑和管理。每个图层右侧提供了设置颜色（SetColor），锁定（Lock/Unlock）和显隐（SetVisibility）操作。规则文件编辑器在导航器中用鼠标左键双击CGA规则文件，会打开规则文件编辑器，用于对CGA规则进行编辑。该编辑器会高亮显示CGA关键字并提供语法错误检查。导航器场景编辑器规则编辑器1.3CityEngine软件界面模型视图CityEngine提供了多种模型视图，包括：3D视图（3DView），顶面视图（TopView），正面视图（FrontView）、侧面视图（SideView）等。默认情况下，只显示3D视图，如需创建其他视图可通过主菜单Window->NewViewport完成。1.3CityEngine软件界面模型视图中各操作的详细介绍见教程第11页。检查器检查器（Inspector）是查看和修改CityEngine对象的主要工具。根据所选对象的类型，检查器呈现相应的交互界面以提供对对象属性的完全访问权限。CityEngine提供了控制台（Console）面板，用于实时输出CGA命令或Python脚本产生的文本，同时也支持Python命令的输入。在控制台顶部工具栏显示了控制台不同类型的切换操作。控制台类型主要包括：CGA控制台，Python输出控制台和Python输入控制台。控制台状态条CityEngine的状态条主要用于实时显示当前的内存使用情况，这在进行大规模场景的模型转换时非常有用，此外还会显示当前的场景坐标系。1.3CityEngine软件界面1.4CityEngine工程组织方式CityEngine的工程（Project）由多个文件夹及文件构成。当新建一个工程时，通常会自动产生“assets（资产）”，“data（数据）”，“images（图像）”，“maps（地图）”，“models（模型）”，“rules（规则）”，“scenes（场景）”，“scripts（脚本）”等文件夹。资产：用于存放建模中所使用的所有纹理图片和静态模型。在使用CGA规则时，会调用此文件夹中的资产文件。在建模中，可通过双击资产文件在预览窗口（Preview）中预览外观。数据：此文件夹可包含任意补充数据。如导入的矢量数据，每个场景的仪表板（Dashboard）配置文件以及每个图层的高程增量文件等。在建模中与之相关的资料文件，如插图和草图，也可放在此处。图像：其他图像（如视图快照文件）存储在此处。地图：用于存储创建地图图层所使用的地图图像。如遥感影像，高程数据或障碍物图。CityEngine支持多种位图文件格式，如“*.jpg”，“*.png”，“*.tif”等。模型：CityEngine导出3D模型的默认位置。规则：用于存储CGA规则文件（*.cga）。双击CGA文件可直接在CGA编辑器中打开。场景：用于存储CityEngine的场景文件（*.cej）。双击场景文件将关闭当前场景并打开新选择的场景。脚本：用于存储Python脚本文件（*.py）。1.4CityEngine工程组织方式通常，CityEngine中的工程由多个场景组成，每个场景包含多个方案（Scenario），每个方案包含多个图层（可以为单个或多个地图图层、图形图层、形状图层、静态模型图层、分析图层）。特定的图层（如形状图层）通过调用CGA规则文件来构建三维模型。1.5CityEngine图层介绍及操作CityEngine中的图层主要包括图形（Graph）图层、形状（Shape）图层、静态模型（StaticModel）图层、分析（Analysis）图层和地图（Map）图层。形状（Shape）是CityEngine场景中的基础要素。无论是街道建模还是街区建模，抑无论是手动建模还是规则建模，形状都是最重要的实体。创建形状对象可以使用导入外部矢量数据的方式，也可以使用形状建模工具直接创建。形状图层图形（Graph），简称图，由边和结点构成。在地理信息系统中，如果将街道抽象为线要素，则边由街道中心线构成，结点由中心线的交叉点构成。街道相互串联构成了街道网络，它代表了城市的脉络，描述了城市的布局。图形图层静态模型（StaticModel）是指由第三方建模软件生成的三维模型，通常为单体或小品模型（如建筑物、植物、人物、动物等）。导入静态模型生成的图层称为静态模型图层。静态模型在CityEngine中不可被编辑，此其顶点不能被移动，纹理不能被更改，也不能使用规则进行驱动。对于复杂、难以建模的模型，如人物、植物、动物、车辆、水法等通常可采用静态模型导入的方式，丰富场景模型。静态模型图层分析（Analysis）图层是采用视域分析（VisibilityAnalysis）工具生成的图层。分析图层1.5CityEngine图层介绍及操作地图图层CityEngine中的地图图层主要有两个作用：一是将图像数据（如遥感影像）作为地图对象添加到场景中；二是创建图像数据到各种属性（如坐标、分辨率、高程值等）的映射。地图图层包括五种类型：地形图层（Terrain），纹理图层（Texture），障碍图层（Obstacle），映射图层（Mapping）和函数图层（Function）。1.5CityEngine图层介绍及操作Layer图层操作CityEngine涉及图层的操作主要位于主菜单Layer中，包括：复制图层（DuplicateLayer）、合并图层（MergeLayers）、框架图层（FrameLayer）、复制图层组（DuplicateLayerGroup）、新建图层组（NewLayerGroup）、新建图形图层（NewGraphLayer）、新建形状图层（NewShapeLayer）、新建静态模型图层（NewStaticModelLayer）、新建分析图层（NewAnalysisLayer）、新建地图图层（NewMapLayer）、对齐地形到形状（AlignTerraintoShapes）、重置地形（ResetTerrain）、对齐静态模型到地形（AlignStaticModelstoTerrain）1.5CityEngine图层介绍及操作颜色锁定显隐CityEngine为场景（Scene）方案中的图层或图层组提供了设置颜色（SetColor），锁定（Lock/Unlock）和显隐（SetVisibility）操作。Scene图层操作1.5CityEngine图层介绍及操作在Scene图层上，使用鼠标右键打开快捷带单，可以实现图层的复制、剪切、粘贴、删除、重命名等基本操作。此外，在不同图层之间可以对形状要素使用标准的剪切、复制和粘贴操作。第二章街道建模2.1创建新项目2.2创建新场景2.3创建地形数据2.4创建街道图层2.5街道网络及属性2.6随机街道建模2.7手动街道建模2.8创建街区CATALOG2.1创建新项目在主菜单上点击File->New，打开New对话框，选择CityEngineproject，然后输入新项目名称，点击Finish，完成新项目的创建。2.2创建新场景在文件夹scenes上点击鼠标右键，点击New->CityEngineScene，进入新建场景对话框，设置场景路径、名称和坐标系后，点击Finish。创建后的空白场景如下图所示。点击Layer->NewMap

Layer，打开新建地图图层对话框，设置对应参数，点击Finish结束。2.3创建地形数据在场景中新建街道图层，可通过点击主菜单的Layer->NewGraphLayer实现。或在场景管理器（*Scene）的快捷菜单中选择New->NewGraphLayer实现。在已创建的街道图层上，应用手动街道建模工具可以绘制任意形状的街道。(a)(b)2.4创建街道图层街道网络的构成使用CityEngine的街道建模工具生成的街道图层由Network（网络）和Blocks（块或街区）组成，其中Network包括Edge/Segment（边/段）和Node（结点）。无论是边、结点还是块，都由若干Shape（形状）组成。2.5街道网络及属性Edge中的ShapeBlock中的ShapeNode中的Shape街道属性完整的街道由形状（Shape）、块（Block）、路段（Segment）和结点（Node）构成。因此当选择创建的街道全部要素后，会在检查器中查看到这四项属性，如果选择单个要素，只能查看到对应的单项属性。形状属性：提供了形状参数、规则、报告、对象属性、顶点和信息等内容。块属性：提供了块参数、对象属性、顶点和信息等内容。路段属性：提供了街道参数、对象属性、顶点和信息等内容。结点属性：提供了交叉点参数、对象属性、顶点和信息等内容。2.5街道网络及属性点击模型视图中的3D

View，使其成为活动窗口。在主菜单上点击Graph->GrowStreets，打开生成街道（GrowStreets）对话框，设置相应参数，点击Apply。设置街道类型，Organic：有机型，Raster：栅格型，Radial：辐射型2.6随机街道建模使用随机街道建模工具创建的街道效果。CityEngine中的手动街道建模工具全部放置在主菜单的图形（Graph）中，主要包括手绘街道（FreehandStreetCreation）、多边形街道（PolygonalStreetCreation）、编辑街道（EditStreets/Curves）、设置街道参数（StreetCreationSettings）、设置曲线硬直（SetCurvesStraight）、设置曲线平滑（SetCurvesSmooth）、曲线自动平滑（CurvesAutoSmotth）、生成桥梁（GenerateBridges）、简化图形（SimplifyGraph）、清理图形（CleanupGraph）、对齐图形到地形（AlignGraphtoTerrain）、调整街宽到形状（FitWidthstoShapes）其中手绘街道、多边形街道、编辑街道、清理图形及对其图形到地形等常用操作被布局在工具条上。2.7手动街道建模本课件仅讲解常用的手绘街道、多边形街道和编辑街道等工具的基本操作，其他工具的详细介绍见教程第34~41页。手动街道建模工具2.7手动街道建模手绘街道首先在文件夹scenes上用鼠标左键点击已创建好的Graph图层，然后激活3DView视图。点击主菜单Graph->FreehandStreetCreation工具，或在工具条上直接点击工具，然后在3DView视图中绘制街道。如果停止绘制，按ESC或Enter键结束。2.7手动街道建模使用创建手绘街道工具可以徒手绘制任意形状的街道。多边形街道首先在文件夹scenes上用鼠标左键点击已创建好的Graph图层，然后激活3DView视图或TopView视图。点击主菜单Graph->PolygonalStreetCreation工具，或在工具条上直接点击工具，然后在3DView视图中绘制街道，其他操作类似手绘街道。2.7手动街道建模编辑街道首先在文件夹scenes上用鼠标左键点击已创建好的Graph图层，然后激活3DView视图。点击主菜单Graph->EditStreets/Curves工具，或在工具条上直接点击工具，然后在3DView视图中用鼠标左键点击要编辑的街道要素。编辑街道工具可对街道结点（Node）和宽度（Width）进行编辑，并显示两种手柄：曲线手柄和街道宽度手柄。2.7手动街道建模(a)(b)首先在Scene面板中用鼠标左键点击已创建的Graph图层，然后激活3DView视图，用鼠标左键点击多边形街道（PolygonalStreetCreation）工具绘制由四条街道围成的街区。2.8创建街区和创建街道方式类似，创建街区既可以使用随机方式，也可以采用手动方式。随机创建街区过程如下。创建街区中各参数的详细说明见教程第43~44页。第三章手动三维建模3.1创建形状图层3.2手动建模工具3.3形状建模工具3.4变换工具3.5测量工具3.6手动三维建模示例CATALOG由于手动三维建模是针对形状（Shape）进行操作，因此需要在场景中新建形状或街道图层。使用鼠标左键双击已创建的场景文件，打开场景器*Scene及3DView窗口。然后在场景器的快捷菜单中选择New->NewShape/GraphLayer操作，并为之命名。也可以在主菜单上点击Layer->NewShape/GraphLayer按钮，新建形状及街道图层。3.1创建形状图层创建后的空白形状图层效果。CityEngine的主菜单提供了简单实用的手动建模工具，用于手动创建三维模型。在主菜单工具条上布局了常用的变换工具，街道建模工具，形状建模工具和测量工具。其中形状建模工具只能绘制基础简单的形状，如需绘制复杂的形状，需使用GIS软件完成。3.2手动建模工具主菜单中的手动建模工具多边形矩形圆形清理贴图对齐地形形状建模工具位于主菜单形状（Shapes）中，主要包括：多边形建模（PolygonShapeCreation），矩形建模（Rec.ShapeCreation），圆形建模（CircularShapeCreation），形状细分（Subdivide），分离面（SeparateFaces），形状融合（CombineShapes），形状合并（UnionShapes），形状裁剪（SubtractShapes），形状偏移（OffsetShapes），移除孔洞（RemoveHoles），反向法线（ReverseNormals），设置首边（SetFirstEdge），模型转形状（ConvertModelstoShapes），形状贴图（TextureShapes），形状清理（CleanupShapes）和对齐地形（AlignShapestoTerrain）等。其中，多边形建模，矩形建模，圆形建模，形状贴图，形状清理和对齐地形等常用工具被布局在主菜单快捷工具条上。3.3形状建模工具本课件仅对常用的多边形建模、矩形建模、圆形建模、形状切割、形状贴图、形状细分、形状融合、形状合并、形状裁剪、形状偏移等工具进行介绍，其他工具的详细说明见教程第48~63页。多边形建模使用多边形建模（PolygonShapeCreation）工具可绘制任意形状的多边形，通过推拉多边形可创建三维几何体。点击Scene场景中的Shape形状图层，点击多边形建模快捷工具（PolygonShapeCreation），在3DView视图中绘制多边形，如果需要精确绘制，可以联合数值输入框（NumericalInput）中的输入数值完成多边形的绘制。3.3形状建模工具在绘制多边形时，可通过按下键盘“A”键，使之在直线和弧段之间切换。当处于弧段模式下，可使用鼠标左键拖动蓝色球的位置来调整弧段方向，然后移动鼠标左键的位置来调整弧段半径。另外，通过滑动鼠标滚轮可以更改弧段的边数。(a)(b)多边形建模3.3形状建模工具使用多边形建模工具不仅可以绘制平面形状，还可以通过推拉的方式创建三维几何体。使用鼠标左键点击工具条上的多边形建模（PolygonShapeCreation）工具，然后将鼠标指针悬停在多边形的面或边上，此时会出现橙色的可拖动的球形手柄。用鼠标左键按住该橙色球向多边形的法线方向或切线方向进行推拉，可创建三维形状。当使用鼠标左键拖动球形手柄时，程序会自动捕捉附近的顶点。如果需要精确建模，可配合使用数值输入框（NumericalInput）。多边形建模矩形建模使用距形建模（RectangularShapeCreation）工具可绘制任意尺寸的长方形，通过推拉长方形可创建长方体。点击Scene场景中Shape形状图层，点击矩形建模（Rec.ShapeCreation）工具，在3DView视图中绘制距形，建模过程和多边形建模类似。3.3形状建模工具圆形建模使用圆形建模（CircularShapeCreation）工具可绘制任意尺寸的圆形，通过推拉圆形可构建圆柱体。点击Scene场景中Shape形状图层，点击圆形建模（CircularShapeCreation）工具，在3DView视图中绘制圆形，建模过程和多边形建模类似。3.3形状建模工具形状切割综合使用多边形建模工具，矩形建模工具和圆形建模工具可实现任意形状切割。(a)(b)(c)3.3形状建模工具(a)(b)形状贴图形状贴图（TextureShapes）工具用于向选定形状填充纹理图片。选择要填充纹理的形状，然后点击形状贴图按钮，打开ShapeTexturingTool对话框，设置相关参数，点击Assign完成填充。3.3形状建模工具形状细分形状细分（Subdivide）工具会根据输入形状计算出较小的形状。可以使用各种参数来实现不同的细分布局。该工具只能在静态形状上运行。选中要细分的形状，然后点击主菜单的Shapes->Subdivide…，打开细分对话框，设置相应参数，点击Apply完成操作。3.3形状建模工具形状细分参数说明形状细分方式主要包括：递归（Recursive）（左图）、偏移（Offset）（中图）、骨架线（Skeleton）（右图）和无细分（NoSubdivision）。递归细分偏移细分骨架线细分形状细分工具各参数的详细说明见教程第59页。形状融合形状融合