计算机自然景观模拟中诸多应用如电影特效,视频游戏中都需要对流体现象忠实再现。然而简单的计算规则很难生成高度真实感的流体,使用物理模型对流体现象合适的描述和建模成为计算机图形领域中的关键技术。另一方面物理计算的复杂性往往占用了大量的计算机资源,限制当前应用,因此如何在视觉误差范围内对其计算处理进行加速就显得尤为重要。本文以基于物理的流体动画作为研究目标,并试图在物理模拟的真实感和效率之间寻求一个良好的平衡点。格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为流体力学计算的新方法,其计算快速,能适用于复杂边界障碍的特性使它成为国内外基于物理的流体模拟研究中的热点。本文将基于LBM模型进行流体现象仿真,并在网格构建、动态环境交互、多重介质混合模拟中寻找新突破,同时利用GPU技术来进行LBM计算的加速。论文首先说明LBM方法的历史与基本原理,并论述它并行性佳、边界处理灵活等特点。然后讨论如何在GPU编程模型中,实现格子Boltzmann方程计算,进行实时的流体绕流模拟,并进一步采用GPU更新的大规模粒子系统与实时光线折射、Ray-Casting绘制技术,将物理计算与渲染完全在GPU上加速实现；其次提出了一种新的自由表面流体模型的自适应网格；另外根据刚体冲量运动学在LBM模型中模拟固体液体动态互相作用；最后使用优化的LBM计算模型完成了不同自由表面流体及流体型自然景观的真实感模拟。