火焰动画是以计算机技术为核心，结合相关科学知识，重现自然界中的火焰现象，同时加以一定的艺术创作，生成用户满意的视觉效果。经过多年的发展，火焰动画生成技术已广泛应用于虚拟现实、影视动漫、游戏娱乐等多个领域。但由于火焰运动纷乱多变、内部反应复杂，使得真实感火焰动画生成与控制方法一直是研究的热点和难点。　　 本文以普通计算机为基础，提出了统一的逼真可控火焰动画框架，重点研究高层火焰控制技术，以及在有限计算资源条件下丰富火焰细节，较好地解决了目前基于物理的火焰模型所存在的控制困难与细节缺失这两个方面的问题。所取得的创新性研究成果可以归纳如下：　　 (1)提出了一种基于最近点的火焰阵面跟踪方法　　 为了按照用户需求来控制火焰动画，首先需要生成火焰的目标状态，其重点在于跟踪用户各类输入条件约束下的火焰阵面运动。但目前缺少有效的方法能解决静动态几何和复杂蔓延规则共同作用下的火焰阵面跟踪问题。为此，本文提出了一种基于最近点的火焰阵面跟踪方法：修正的最近点方法(Modified Closest Point Method, MCPM)。该方法在现有的最近点方法基础上，加入动态几何的近似函数以修正最近点方法的求解过程，并将蔓延规则转化为阵面水平集运动的驱动力，从而跟踪火焰阵面。与现有的火焰阵面跟踪方法相比，本方法具有如下优点：①能有效处理动态几何上的火焰阵面跟踪问题，丰富所能生成的火焰动画的类型；②保留了水平集方法的优点，能自然地处理火焰阵面的分离、合并与自交问题；③用户输入简单直观，只需要提供几何动画信息及蔓延规则语义，全自动生成跟踪结果及火焰目标状态-控制蓝芯(Control-Blue-Core，CBC)。　　 (2)提出了一种基于水平集变形理论的真实感火焰控制方法　　 基于物理的火焰模型能生成较为真实的火焰效果，但是底层物理方程具有高度非线性的特点，使得其控制问题成为难题：细微的参数调整都会带来不可预期的结果。为此，本文提出了一种基于水平集变形理论的真实感火焰控制方法，将火焰蓝芯作为物理模型和控制蓝芯之间的耦合纽带，通过水平集变形理论推导L-Speed函数驱动火焰蓝芯与控制蓝芯近似，在宏观控制和微观物理模拟共同作用下生成真实可控的火焰动画。与现有的火焰模拟控制方法相比，本方法具有如下的优点：①能在复杂多样的外部形态、运动路径以及蔓延规则约束下控制火焰动画；②火焰模拟与控制模型底层基于物理模拟，能保留物理模拟效果的逼真性，满足对火焰动画真实感的需求；③火焰动画根据用户输入全自动生成，不需要人工干预，能极大减轻制作者的工作量。　　 (3)提出了一种基于湍流理论的火焰亚网格细节模拟方法　　 对于基于物理的方法，生成高精度火焰效果最简单的方法是增加模拟的精度，但是精度的提高会带来时空消耗的指数增长。为了在有限计算资源条件下，生成细节丰富的火焰效果，本文提出了一种基于湍流理论的火焰亚网格细节模拟方法，使用Ghost方法处理火焰物理模拟与控制所生成的低精度速度场中的间断问题，根据湍流理论定位细节丢失的地方和大小，重新引入新的火焰湍流亚网格细节，合成高精度的火焰速度场，以对流产生高精度的火焰温度场，从而生成火焰动画。与现有的方法相比，本方法具有如下的优点：①在不改变低精度速度整体效果的前提下，能引入丰富的火焰细节，生成高精度的火焰效果；②能将低精度火焰作为预览效果，提供用户快速的信息反馈；而高精度效果由火焰湍流细节模型后处理生成，提高模拟的效率。