基于物理过程的烟雾动力学仿真和渲染是跨越计算流体力学和图形学的跨学科课题,其流体动力学计算的理论基础是不可压缩流体的Navier-Stokes方程,其光照渲染的理论基础是辐射传输理论。三维烟雾的流动非常复杂,烟雾内部密度分布非常不均匀,所以要想实时仿真烟雾,其难点在于高效地保持烟雾流体的不可压缩性,准确地模拟烟雾的湍流现象和光线在烟雾体内的吸收和散射现象。本文将首先基于理论推导不可压缩的Navier-Stokes控制方程,在控制方程的非守恒表示和守恒表示的基础上,研究基于粒子的烟雾仿真方法和基于网格的仿真方法,主要包括它们的数据结构,求解压力项的方法,计算对流的方法和其他内外力项的解算方法。针对基于网格的压力解算,本文研究了一种并行的超松弛迭代法,通过设定合适的松弛因子,能够大幅提升压力泊松方程的收敛速度;然后,对比分析了粒子方法和网格方法的优势和劣势,研究了用于烟雾仿真的混合方法;混合方法将粒子和网格混合在一起,让粒子系统和网格结构分别处理压力、对流和各种内外力的计算过程,降低了由半拉格朗日法对流带来的数值粘性耗散现象。接着,本文将研究可见光和红外下的烟雾渲染方法,使用了光线投射法进行了烟雾的体绘制渲染,并利用了多通道方法对光源的一次散射进行了建模。对于红外模型,本文还对等效辐射截面的计算方法进行了讨论。最后,根据以上一系列理论和方法,本文使用Direct3D12图形API和计算着色器搭建整个烟雾的计算和渲染的框架,并实现了网格方法和混合方法的流场计算模型,以及红外-可见光的烟雾渲染模型。利用一些技术上和算法上的优化手段,在保证仿真结果达到实时性的同时,提高了仿真的物理准确性和视觉真实性。最后将针对不同模型,不同参数的仿真结果进行对比,分析和评价。