自然界中的大多数景物的外形是随机变化的,如:云彩、火焰、浪花、雨和雪等,很难用常规的建模方法及模拟技术来描述。因此自然景物的模拟一直以来都是虚拟现实仿真领域研究的热点和难点。本文选择尾焰、爆炸效果、雨和雪、烟雾作为模拟的对象。因此论文着重介绍了粒子系统的基本理论,并利用粒子系统实现了尾焰、爆炸效果、雨、雪以及烟雾的模拟和实时动态仿真。在这部分,首先对目前国内外学者模拟它们的各种算法进行了分析和总结。接着介绍了它们的运动特征。然后,在粒子系统的基础上给出了它们各自的实时的模拟算法。在初始化新粒子的位置属性时,为了加快系统的运行速度,论文采用随机数赋值。并且通过对这些粒子系统的运动的分析,论文将现实中复杂的运动场简化为四个简单的运动场:热浮力场、风场、漩涡场和重力场,进一步提高了系统的运行速度,使实时成为可能。对于三维烟雾粒子的蔓延,本文给出了一种将粒子系统原理和碰撞检测技术相结合来模拟三维烟雾粒子在复杂环境中蔓延的方法,并且这种方法不需要给定蔓延空间的参数条件。此外,在绘制时,论文采用多边形面片粒子代替点粒子,更进一步缩短了系统的运行时间,同时结合纹理映射技术、公告板技术和显示列表技术增强绘制结果的真实感。最后,本文设计了一个用以验证文中设计的基于粒子系统的不规则实体生成算法的演示系统。同时探索和研究了虚拟环境中三维地形建模、天空建模、规则实体建模和交互控制。实验证明,采用论文提出的粒子系统算法,模拟的效果真实且在普通PC机上满足实时的要求,这些算法兼顾真实感和系统运行的实时性,可广泛应用于游戏、电影和电视节目的虚拟场景中。