烟雾和云的模拟广泛应用于电脑游戏、影视特技、科学计算可视化以及军事模拟和训练等领域,是计算机图形学的一个热点问题。本文采用基于物理的方法对烟雾和云进行模拟,在基于物理的模拟中,烟雾和云的运动严格遵循物理规律的约束,因此,采用该方法制作的模拟效果较为逼真。本文是苏州某管理部门开发的“虚拟太湖流域”项目中的一个子课题,主要内容是在PC平台上模拟出湖面上空的烟雾以及云的效果。采用流体动力学中的NS(Navier-Stokes)方程建立烟雾和云的数学模型,由于其精确解的求法到目前为止尚未被完全解决,本文采用数值方法求解此方程。首先采取分步求解策略,并将求解过程映射到GPU(Graphic Processing Unit),实现了NS方程的快速求解,同时,将MacCormack格式用于NS方程对流项的求解,使求得的烟雾和云的速度值和密度值更加精确。采用改进的光线投射法渲染烟雾和云,并将整个运算映射到GPU。对于烟雾的渲染,利用两次光线投射的方法,得到了很好的烟雾效果。而对于云的渲染,通过层次细节技术对云模型做适当的简化,并将间接光照加入到云的渲染中,使云的渲染更加真实。将光线折射加入到场景渲染中,采用纹理坐标扰动方法实现湖面光线的折射,同时,利用掩码标识,克服了折射走样现象。通过场景的合成,实现了烟雾和云的实时模拟,得到了较好的模拟效果,满足了实际课题的要求。