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自然现象模拟一直是计算机图形学领域一个具有挑战性的课题,在影视动画、虚拟现实和计算机游戏软件等众多领域得到了广泛应用和关注。近年来,自然现象模拟已经成为全球图形学领域研究的热点问题。但由于自然现象本身存在复杂的物理背景和明显的随机特征,目前研究中仍然存在许多亟待解决的问题,尤其表现在自然现象的实时模拟方面。进入21世纪以来,随着拥有GPU处理器的新一代图形硬件的推出,研究者将希望的目光投向了GPU可并行计算性能上,本文主要就自然现象模拟中复杂物理光照、大气散射光照和随机噪声模拟等几个关键性问题进行了深入的研究,并依据GPU的处理机制提出了实时计算、模拟的方法。首先,针对满足BRDF特性的Cook-Torrance局部光照模型和Ashikhmin局部光照模型分别提出了基于延时绘制的实时计算方法和基于纹理分解的实时计算方法,该方法在保证图形绘制真实感的前提下有效提高了图形绘制速度。其次,针对玉雕作品等半透明物质存在内部光线散射的特点,本文在深入研究了BSSRDF光照模型的基础之上,提出了一种基于GPU计算的简化BSSRDF光照计算方法,该方法在保证图形绘制真实感的情况下,有效提高了绘制效率,达到了交互实时绘制的要求。而基于物理光照处理的室外光照是获取高度真实感图形绘制的一个重要方面,它在飞行模拟、游戏软件中具有很好的应用前景,本文深入研究了大气光散射模型,并在此基础上提出了一种适合于任意视点的天空和天空透视光照计算方法。又因Perlin噪声和流速噪声是目前图形学领域模拟自然现象的一种重要手段,本文针对Perlin噪声计算花费较高的问题,提出了基于GPU计算的实时Perlin噪声生成方法,并在此基础上提出了采用四元数表示的流速噪声实时模拟方法,最后采用噪声纹理对火焰这一自然现象进行了模拟。