近年来，随着虚拟现实技术和计算机图形学的不断发展，高逼真度、高真实感以及高智能化已经成为人们对虚拟现实平台好坏的重要评判标准，同时也一定程度上引导了虚拟现实平台的发展方向。具体来讲，高逼真度指的是采用近似真实的且高效的光照算法和表面细分技术使得三维模型表面非常接近于真实世界效果；高真实感一方面是虚拟现实场景中的模型可以表现出真实的物理以及化学特性，另外一方面是从人们的感官体验角度出发，利用立体眼镜、三维环幕、人机交互设备等增强用户的虚拟沉浸感；高智能化，指的是在虚拟现实产品发展的过程中，人们遇到很多人们手工操作与软件控制相矛盾的问题，这时就对软件产品提出了一些智能化的需求，例如仿真场景中大量的模型建模需求。本文针对虚拟城市管网，海港场景，重物起重仿真和航海仿真等虚拟仿真特例化的需求，从提高虚拟仿真真实感与智能化的角度，着重研究了三维管道、绳索和链条的自动重建、渲染以及物理仿真方法，并采用GPU加速技术对这些算法进行加速，然后结合i4City平台和VR4MAX平台的架构将这些三维仿真集成到这两个系统中，最后根据具体的实际应用进一步检测算法的可行性和效率。主要研究内容包括：1.三维管道的自动重建和渲染本文充分分析了三维管道模型的结构，以有向线段为中心，自动生成管道环顶点，并分别对管道侧面和横截面进行三角剖分，建立顶点的连接规则，最终在GPU几何着色器中实现了管道的三维重建。研究了基于模型自定义细分规则的离散LOD算法，在GPU着色中实现了改进的Phong光照模型，提高了管道的绘制效率和真实感。2.三维链条的自动重建和渲染本文借助链条是由重复的链条环组成的，并且单个链条环的运动自成一体的特点，使用单个链条环模型重复渲染的方法，实现链条的构造和绘制。并采用线性插值、样条插值和抛物线插值的方法解决了链条初始数据粗糙的问题。最后，采用半自动感知方法，实现了链条环之间的无缝拼接。3.链条的物理仿真介于链条模型复杂度高，场景中链条环数量庞大的特点，本文使用粒子表示法，将链条环模型细分成球体粒子，通过计算单个粒子的运动量并进行积分求和，实现整个链条的物理仿真。充分利用了GPU并行运算和二维纹理并行存取的优势，在GPU中实现了链条的高效物理仿真。4.仿真功能集成及应用本文将所研究和实现的管线仿真，作为一个独立的模块集成到i4City平台和VR4MAX平台中，并通过化工三维管道系统和海上油井模拟仿真系统这两个应用，检验了本文所实现的仿真效果。