虚拟环境是一种先进的人机界面，能同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的手段，与计算机中的模型进行实时交互，从而生成一种具有真实世界效果的计算机环境。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实技术的应用领域也必将越来越广泛，同时对图形生成的真实感和实时性两个方面都提出了极高的要求。尤其是对于数据量庞大的场景，解决真实感和实时性问题，已成为虚拟现实领域中亟待解决的瓶颈问题。 在虚拟现实系统中，烟雾、地形、水波、火焰等特殊效果的逼真程度，将直接影响操作者的沉浸感，关系到整个系统设计的效果。 本论文工作旨在解决虚拟环境中不规则物体的表现问题，并达到虚拟场景的真实感和对其操作的实时性的较好结合。 在现实世界中，自然景物常常具有极其丰富的表面细节和不规则的表面外形。在对这些景物的计算机模拟过程中，如果采用传统的计算机图形学方法对表面细节一一进行建模，再进行场景绘制、渲染，显然不切实际。场景中过分详尽的细节并不会增加人们对场景景物的理解；并且，对在微机条件下场景的实时生成，巨大的计算量往往成为图形生成、显示的瓶颈。因此，如何简化且有效地模拟如火焰、烟云等自然景物，已经成为计算机真实感图形生成的关键。并且，随着未来仿真技术和虚拟现实应用需求的不断提高，具有真实自然视觉效果的虚拟环境建模技术将变得越来越重要。 论文以虚拟现实系统中带随机性质的不规则物体的虚拟表现为主要内容，着重对虚拟环境中的火焰、水波、烟云、三维地形等不规则自然景物的几何建模进行研究。这类自然景物不具有规则几何形体，同时具有随机性和自相似性。因此，采用分形技术和粒子系统技术，作为理论支持和实现技术，对非规则的自然景物进行几何建模，这是第一步工作；第二步工作则是对已经建好的几何模型进行纹理贴图，增强虚拟环境中自然景物的真实感，以满足虚拟环境的要求，实现对虚拟环境的真实感生成及对其浏览操作的实时性的较好结合。 论文完成的主要工作包括：在第二章介绍了相关的研究背景之后，第三章首先简要介绍了目前对水波模型生成所做的研究，在此基础上，作者采用武汉理工大学博士学位论文完整的动力学模型方程组，将水波当做无数紧密排列的水柱，对水柱的顶平面高度进行简化、求解，从而得到波形模型。为了增强真实感，还对水波增加了扰动模型，得到具有真实感效果的水波模拟效果;继第四章介绍与随机分形相关的分形技术之后，第五章则着重研究三维地形的生成及实时浏览，对目前普遍采用的随机中点位移法进行拓展，提出了穿针算法生成基本的几何地形模型，为了达到实时显示的目的，针对该算法生成的几何模型的特点，提出了自适应二叉树简化算法，并实现对三维地形的实时漫游;第六章介绍粒子系统方法的基本原理以及使用粒子系统方法生成火焰和烟云模型的过程，作为实践，通过对粒子系统产生、消亡过程中一些特征参数进行调整和实验，分别完成了对云、火焰、烟雾等模糊物体的建模，从而使整个论文的研究工作完备、实用;第七章作为对上述内容的综合运用，综合各章的内容和算法，构造了一个包含上述所有景物的合成虚拟环境。