对自然现象的真实模拟,由于能够增添虚拟现实真实感,更好地烘托环境气氛,因此历来是人们在影视特技、广告、游戏中一种视觉要求。气体属于流体研究范畴,为了逼真地模拟真实世界以及生成某些特效,虚拟现实对如烟雾和火焰等常见自然现象的模拟提出很高要求。对于某些简单的自然现象,人们可以采用过程描述的方式来获得某种特定效果;但是对于复杂的自然现象,人们无法找到一个简单的模型来描述它,这个时候去追溯现象本身的物理根源,并借助其本身较为精确的物理描述才能真实再现其外在视觉现象。随着计算机图形学(CG)以及计算机硬件技术的发展,基于物理的建模方式在计算机图形学领域越来越受到关注。该方法从物体内在的物理属性出发,建立物理模型,以此来作为模拟流体运动的基础,很好的解决了计算机图形学中因流体运动规律复杂性而难以控制和绘制的问题,实现了真实感实时流体运动效果。本文对基于物理的气体建模方式和模拟算法进行了深入研究,内容主要涉及了基于物理模型创建技术、数值积分方法、三维纹理绘制等方面,并在此技术和方法基础上提出了基于物理的可控气体模拟算法,实现气体形成指定形状的效果。由于气体受控是建立在自由运动的基础上,因此,本论文的研究内容包括以下两个部分:第一,借助基于物理的流体动力学模型对气体进行物理建模,采用Helmont分解投影及高斯迭代方法求解模型方程,并在求解过程中运用半拉格朗日法以及近似模型原理对方程进行处理,增强了实时性要求;第二,深入研究了气体受控中的关键技术和问题,提出气体受控的有效算法。本文采用在整个流场中施加目标物体导向力及填充力作用,并提出一种机制以限制边界气体扩散以实现气体受控运动。