长久以来,粒子系统都作为计算机图形学中的一项重要技术,应用于电影、游戏、广告等各个领域之中。除了使用粒子渲染自然界中的物体或者模拟自然现象之外,粒子还被用于实现在真实世界中无法观察到的各种特效,而这些特效在视觉相关领域中有着广泛的运用。近些年,随着计算机硬件中GPU的出现及其计算性能的不断攀升,基于GPU实现的粒子系统在实时应用中渐露峥嵘。由于基于GPU的粒子系统,相较于基于CPU的粒子系统,能够模拟更为庞大数量的粒子,越来越多的实时应用,特别是游戏等可交互式应用,开始使用基于GPU的粒子系统实现各种绚丽的粒子特效以及大量物体的模拟。为了探索实时应用中的粒子系统渲染技术在当前硬件条件下的渲染效率、渲染效果及其适用情景,本文围绕粒子系统的渲染效果中两个重要组成部分,即自阴影效果和透明度效果开展研究工作。本文先从粒子系统的架构入手,讲解了基于GPU的粒子系统中粒子生成、运动等流程。相较于一般透明物体,渲染算法在基于GPU的粒子渲染中的运用会有所不同,所以本文分别挑选并实现了自阴影效果和透明度效果中的多个实时渲染算法,对比它们在粒子渲染中的渲染效果和渲染效率,从而分析这些算法各自的优缺点。而后,着重于粒子的透明度效果渲染,本文在基于矩的顺序无关透明度算法的基础上,从效率和效果两方面分别做出改进,提出了两个算法,基于矩的混合分辨率顺序无关透明度算法和基于矩的混合透明度算法。最后,本文通过粒子系统实现并展示了多种应用,包括了烟雾模拟、向量场等粒子特效。本文的工作实现基于Direct3D 11和着色器编程语言HLSL。基于GPU的粒子系统使用了计算着色器技术,从而实现万甚至十万数量级的粒子生成及其运动模拟。本文的大部分渲染算法在图形渲染管线的着色器编程中实现。