虚拟场景中的自然景物模拟已经成为计算机图形学的一个研究热点。由于自然景物与规则几何物体不同,拥有大量的细节信息和形状的随机变化,因此使用传统的几何面片来模拟这些细节和随机变化的形状相对困难。而针对上述情况,使用粒子系统能够相对充分地体现自然景观中模糊物体的随机性和动态性,得到良好的模拟效果。例如:被风卷起的树枝、流动中的浮云、园林中的喷泉、湖面上的浪花、山峦间的薄雾、漫天飞舞的雪花、雨幕中的水滴等复杂的三维自然景观,被广泛认为是目前最成功的一种模糊物体建模的算法。粒子系统理论经历二十多年的发展和完善,已被广泛应用于虚拟现实、三维仿真、游戏开发、电影特效、可视化等领域。基于粒子系统理论的特效系统已成为三维场景不可缺少的建模工具。因此,3D粒子特效系统的开发是非常必要和重要的。本文结合这一实际情况,以前人的相关研究工作为背景和基础,以真实感和系统实时性以及友好的人机交互性为目标,在深入分析粒子系统理论基础上,结合Windows XP操作系统和Microsoft VC++7.1编译环境为开发平台,基于OpenGL图形库设计并实现了一个用于常见自然景物模拟的3D粒子特效系统,完成了雪花、雨滴、喷泉和烟花等场景的模拟。主要工作如下:(1)深入研究了粒子系统理论及其应用,详细分析了粒子系统的基本原理。总结了粒子系统基本模型、粒子系统通用结构和粒子系统的算法框架。(2)简化了雪景、雨景、喷泉等数学模型,总结出雪景、雨景和喷泉的粒子系统模型。(3)设计并实现了一个用于常见自然景物模拟的3D粒子特效系统。本文对该系统的系统需求、总体目标、框架结构、处理流程和模块设计都进行了详实的描述。(4)通过模拟飞舞的雪花、漂落的雨滴、喷射的喷泉和绽放的烟花等场景,验证了系统的有效性和实时性。(5)通过模拟实验得出了雪花、雨滴和烟花的最佳经验粒子数,以及喷泉模拟效果的关键影响因素。