大气辐射传输建立在电磁传播理论、热力学以及分子光谱学理论之上,主要研究大气中辐射能量的传输和转换过程,而大气效应仿真就是对大气辐射传输数值计算结果的可视化显示。大气效应仿真在工程应用方面有着重要意义。从数字地球到小规模场景仿真,大气辐射传输效应对场景的逼真度有至关重要的影响。纵观目前主流大气辐射传输模型,大部分都具备光谱分辨率高、计算结果可信度高等优点,但在计算速度方面比较缓慢。对于部分对光谱分辨率要求较低的大气辐射传输计算,使用较为简洁快速的计算模型可以有效提高计算效率。本文以大气辐射传输快速计算和实时仿真为研究目标,主要做了以下工作:(1)从Rayleigh散射、Mie散射以及气体吸收理论出发,考虑了大气压强和大气温度对气体吸收系数的影响,使用经验公式对吸收系数进行修正,并结合朗伯-比尔定律计算大气透过率。根据基尔霍夫定律建立了局部热力学平衡状态下大气自辐射快速计算方法。考虑大气对太阳光的散射作用,使用了一种简化大气散射计算模型,通过逐次散射叠加的方法计算大气散射亮度。(2)考虑大气的球面分布特点,研究了球面大气的分层方法和几何参数计算方法,结合GPU实现大气辐射传输高速计算。为满足大气辐射传输实时仿真的要求,本文研究了一种大气透过率、路径辐射和散射查找表的映射方法,这种映射方式可以适用于球面大气的大气效应仿真。为了降低大气纹理采样时因线性插值导致的精度损失,本文使用了一种非线性的纹理映射方法。(3)将本模型与MODTRAN的计算结果进行对比,分析了简化算法的可行性。然后研究了等效纹理的计算方法以及不同观察方式下的大气几何参数计算方法,结合纹理映射函数实现大气效应的实时仿真。