自然现象指的是自然界中的一些现象,比如火焰,河流,水面泛起的泡沫,雨雪下降过程,地面的变形和细节变化等。自然现象的建模和渲染是近十几年来计算机图形学的一个重要研究领域,在三维仿真仿真系统中需要尽量真实地再现这些自然现象。在多年前,就已经有游戏使用2D粒子系统来模拟烟雾,粒子系统已经成为游戏或真实的三维仿真平台不可或缺的一部分,以粒子系统模拟的自然现象可带来更真实的视觉效果和体验。本文针对不同的粒子系统构造模型,采用不同的方法,对自然现象的仿真进行研究。本文的主要研究内容和和研究成果包括:本文根据自然现象的景物和物理特征,对自然现象进行分类,实现对自然现象仿真系统的模块划分与系统设计。粒子系统分为质点系模型系统和流质系模型系统。本文通过对下雪的过程,火焰和泡沫仿真来对质点系模型粒子系统进行仿真,通过对自由表面模拟来对流质系模型粒子系统仿真。本论文在自然现象中的自由表面模拟中,主要讨论无网格方法中的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics)模型。本文首先采用交错线性表查找粒子方法优化了数据结构,最后构造了粒子渲染表面完成了对自由流体表面渲染。本文自主开发了基于粒子系统的自然现象仿真系统,在此系统上实现了粒子系统发射器和粒子系统管理器等等功能。实现了在一个实际的地形中,添加,删除或修改组成自然现象的粒子。同时采用了空间分割,地形的细节纹理合成等方法实现场景绘制。本文的特点在于,在真实的场景环境下讨论基于粒子系统的自然现象仿真,以及多种不同粒子模型的综合应用,借以对SPH模型进行优化,从而贴近实际需要。