在计算机图形学领域的大规模自然环境渲染中,草、草丛、草场是重要的角色之一,其建模表示和实时渲染一直是研究热点。目前,由于担心草叶的高度几何复杂性影响计算机硬件的三维渲染计算力,大多数可交互的三维仿真软件仍然使用基于非几何结构的方法来渲染草叶,或者使用非物理的方法对草叶进行动态模拟,提供的真实感仍然不足。本文以基于几何的草叶模型为研究对象,在分析了现有草叶渲染与仿真相关研究的不足后,针对草叶高效渲染方法和草叶基于物理的动画仿真展开了研究。主要内容包括:第一,针对当前基于草叶几何结构的渲染方法所需的计算量会拖慢整个自然场景渲染的问题,设计了一种基于改进GPU剔除的海量草地渲染方法。该方法使用混合实例化做合批,使用GPU对每一个实例进行剔除,使用层次细节过渡来表达中、近距离的局部草地以实现平滑过渡。最后,结合向量场实现了基于GPU的碰撞检测。实验结果表明,该方法优化效果显著。第二,针对目前草叶动画真实性低的问题,提出了基于位置动力学算法的草叶物理建模方法和仿真方法,该方法将草叶建模与草叶物理建模相结合,使用骨骼和位置动力学来表现草叶形状。首先,根据草叶形状生成相应的骨骼和形状约束。其次,将草场模型划分为数个网格簇,并在网格簇的基础上进行网格簇剔除和根据距离的不同使用不同的模拟精度来对中、近距离的草地进行物理仿真。最后,使用正弦函数做曲面细分来增加草叶的模型质量,实现了对草地场景的高效绘制。实验结果表明,该方法进行草叶物理模拟具有较高的真实感,且效率很高。第三,结合前面两点研究内容,设计并开发了一个海量草场仿真系统。该系统能模拟草叶对风力和碰撞体的交互,并拥有一定的实时性。在草场之外,再添加光照、天空等自然物体,丰富场景细节。经测试,该系统能为视频游戏等领域提供一种草地渲染的解决方案。