随着计算机图形学理论和技术的不断发展,人们逐渐把注意力从现实世界转向到虚拟世界,并开始一步一步地模拟我们身边的这个世界。不断前进的图形学的技术使得我们可以将这个现实的世界完完整整的映射进虚拟的计算机中。但是在对自然界的模拟中,模拟天空是一个非常重要的领域。本文的研究文针对以云为主体的天空进行模拟,以丰富虚拟现实领域对自然界的模拟。本文旨在根据在实际气象数据的基础之上,以及用物理的方法对云层进行建模,然后在一些气候条件之下通过对以云为主体的天空进行渲染达到建立天气系统的目的。本文的主要研究成果包括:(1)在云的建模方面,本文从云物理学的角度模拟了云层形成过程,提出了基于分形的可调噪声建模方法,同时采用体素方格分割三维空间方式,存储云的相关数据信息。这种方法适合基于物理模拟的技术的实现,并且能够更好的反映云的特征。同时本文还采用体素存储云的渲染数据。使用体素来存储云层内部密度分布的做法,能够有效地展现渲染云层细节以及细化后云层的细节,并且在提高效率的同时,仍能够保证渲染质量,达到真实感和实时性的平衡。(2)在云的渲染方面,本文在原有的前向多散射的渲染模型之上提出了自适应的全向多散射模型,在特殊的环境之下必要地加入后向多散射的计算,并且提出了由正常的环境到特殊环境下的过渡渲染方法。在渲染的算法方面对在原有的基础上对多散射的计算进行了分解,同时有一个单独的管道在投影方向上计算最终投影效果,提高了云层渲染的质量。(3)在天气系统方面,本文实现了天空气象系统的框架模型,通过云的模拟器,渲染器,以及通用的体素方格的数据结构作为数据传递的格式,使得本文天空气象系统更加适合于拓展,便于今后的研究的开展和深入。