在社会各行业领域对实时虚拟环境系统的需求不断增加的同时,人们也希望虚拟环境能提供更强烈的真实感体验。天空环境景观的渲染是室外自然光照环境的仿真模拟的一个重要方面。由于天空环境中复杂的光传播特性,具有高度真实感的全局光照模型通常计算消耗过大,难以直接应用在实时渲染应用中。然而现有的许多经验模型不能表现出真实世界中丰富多变的天空景象,这个时候需要寻求有效的解决方案将物理规律应用在实时渲染中,平衡真实感与实时性的矛盾。室外光照环境中,由于地球大气对可见光的吸收、散射、反射、折射等作用,直接影响了地球上各地的光照强度分布。考虑到大气散射对天空外观的影响至关重要,尤其是造成天空颜色变化的决定性因素。本文研究将大气散射理论引入天气系统的模拟计算中,提出了一个基于大气散射模型的动态天空环境实时渲染系统。本文旨在经验模型的基础上,以物理的方法计算大气散射对天空光照分布的影响,并依据这一模型模拟天空中的多种光学现象。同时在此基础上,建立一个动态的天气系统,能够模拟全天24小时天空景象的明暗变化过程,并且提供了一个所见即所得的场景天气编辑器,使得用户能够自由控制天空环境的渲染效果及其变化。这一系统能够渲染常见的大气光学现象,包括天空颜色、太阳、月亮、星空、云,以及表现远处物体的空气透视感。通过控制大气状态参数,可以实现对不同程度的晴天、阴天和多云天气的模拟。本文的主要贡献和创新点在于如下工作:①在室外场景渲染中,提出基于物理的大气散射简化计算方法,并将其用于实时模拟室外天空环境的光照效果。在保证实时渲染效率的基础上提升了渲染效果的真实感。②在统一的大气模型基础上将局部计算的各种对象有组织的进行绘制,从而在实时绘制中得到一种接近全局光照计算的效果。③设计实现了可视化的天气特效编辑器,使用户能够直接使用图形化的用户界面开发相关应用,能够为实时渲染应用的普及起到积极的推动作用。