自然景物的模拟是虚拟现实与系统仿真的一个研究难点。云作为一种重要的模糊类景物可以增强虚拟场景的真实感,在气象预测、影视特技、飞行模拟以及计算机游戏等领域有着非常广泛地应用。云的形状不规则、变化莫测、光学现象复杂,很难用传统的欧式几何方法来描述。因此,如何实时模拟真实感较好的三维动态云成为一个具有挑战性的课题。近年来,随着计算机硬件的快速发展,云的模拟技术不断深入,国内外研究人员通过不断地研究和实践提出了许多模拟算法。根据建模技术的不同,主要分为基于物理的方法和基于启发式的方法。基于物理的方法主要考虑与云形成有关的各种因素,模拟云的自然形成过程和变化过程。该类方法能够生成真实感较好的云,但其原理复杂且计算量大,大规模应用虚拟场景时难以达到实时性。基于启发式的方法主要利用云的视觉形态特征,近似地生成云的密度分布,通过生成纹理来模拟云。该类方法计算量小且容易实现,但生成的云缺乏细节,真实感不强。本文首先描述了自然界中三维云的特点以及由其特点决定的模拟复杂性,并按照一定的标准进行分类。讨论目前常用的几种云的模拟方法和当前研究现状,并分析了各自优缺点。分析了云的物理形成过程及其流体动力学原理,并给出了流体方程的求解方法。结合云的特点深入研究细胞自动机理论,在此基础上对三维动态云进行建模,模拟了其生成、消散和随风移动效果。通过在模拟空间中设置椭圆体及其参数对云的形态进行控制,生成不同类型的云。针对云的平滑过程中计算复杂的问题,采用Sigmoid函数生成云的连续密度分布。提出改进的多重前向散射光照模型,减少了渲染过程中的光照计算量。采用体绘制技术中基于GPU的光线投射算法来加速云的渲染,生成真实感较好的三维云。最后,对本文算法进行了仿真实验,通过控制不同的参数,实现了卷云、积云和层云的模拟,并可以自由调整云的光照效果。与纹理贴图中的重复纹理映射、粒子系统和分形几何中的Diamond-square方法生成的云进行对比分析,表明该方法的实时性较好、真实感较强。