头发建模与渲染一直是3D模拟领域中比较重要同时又非常困难的问题之一。头发渲染的质量直接影响虚拟现实技术中虚拟人的真实感。当前头发建模及其渲染的解决方案中,普遍存在着无法实时渲染,效率低下,资源消耗高等诸多问题。因此,本文对头发建模以及渲染的解决方案进行了研究,主要研究工作如下:1.在头发建模与物理模拟部分,本文在传统的头发发丝弹簧质点模型基础之上进行了改进,通过添加额外约束,解决了传统模型中物理模拟流程里出现的头发发丝过弯曲以及抖动问题。接着,在该弹簧质点模型基础之上,详细讨论了发丝在仿真过程中质点的受力以及其对应的动态约束。而针对仿真过程,本文讨论了其方程动力学求解的基本方法,并引入了新的风场模型,提升了头发发丝在风场中模拟的真实感。最后,引入包围球技术来为头发模拟仿真提供碰撞检测解决方案。2.针对头发渲染部分,本文首先简单介绍了新一代可编程OpenGL渲染管线,包括其渲染流水线中对应的各个可编程着色器的基本原理。然后介绍了在二维屏幕中操控三维对象的ArcBall算法。接着讨论了头发发丝渲染的基本光照模型,包括传统Kajiya-Kay光照模型以及Marschner光照模型。并针对传统发丝模拟中发丝插值数量难以确定的问题提出了一种基于广告牌的三角形视口展开技术。此外本文还介绍了发丝片面细分,插值以及抗锯齿的基本方法。最终,在以上研究的基础之上,利用Qt和OpenGL开发了一套虚拟头发发丝仿真模拟系统。实验证明,该系统可以很好的模拟出虚拟人物的头发,具有良好的头发真实感,并且能够满足动态物理模拟。同时,该方法占用极少的计算资源,能够很好的满足实时性的需求。