水体的仿真广泛应用于人类生产和生活的各个领域,逐渐成为虚拟现实、计算机图形学、科学可视化、计算机游戏等领域的重要研究对象。学者们一直致力于寻找真实可信、计算开销小的建模和绘制方法。本文重点关注多尺度水体仿真方法的真实感、实时性和交互性。从多种实时仿真方法原理着手,旨在微观机理上分析并解决现有方法在水体造型和光照效果上存在的问题和困难,借助理论推导、模型分析、算法优化和实验验证等手段,实现多尺度水体仿真方法在效率、效果和可控性三方面的平衡。首先,针对小规模水体表面仿真的质点弹簧模型在造型操纵方面的困难,提出基于虚拟粒子的控制方案。改进现有碰撞检测算法,提高碰撞判定的精确度;优化碰撞过程的动量分配算法,确保碰撞过程的动量守恒。基于光学规律改进光照模型,准确展示光水交互多种光学现象;进一步引入虚拟粒子集合概念,灵活操纵水体表面结构,方便快捷地实现满足用户需求的水面造型。其次,针对中小规模水体的传统SPH方法在水面泡沫仿真上的弱势,提出统一的粒子模型。引入Weber数作为粒子在水体、泡沫状态间切换的判据;构建基于分子凝聚力的表面张力改进算法,得出适于不同曲率状态下表面张力的计算公式;结合Snell定律,给出适用于仿真场景的简化模型,有效降低计算开销。再次,为真实再现大规模水体的表面细节,提出动态阈值方法。通过建立基于全局坐标的动态阈值判据,抑制拼接方法造成的重复性人工痕迹;剖析现有水体实时仿真方法的特性,给出阈值调制函数的合理表达公式;针对动态阈值判据导致的透明度降低及拼接边界明显等问题,引入透明度反向调制函数修正算法;借助于Perlin噪声微调动态阈值判据,克服仿真泡沫过于光滑的问题;设计GPU实现方案,保证仿真和调控的实时性。然后,提出基于自然图像的水体场景仿真实时着色方法,以克服现有水体场景实时仿真方法在色彩模仿和效果操控上的困难。通过评估现有色彩迁移算法,分析水体仿真的计算特性,遴选出基于细节保持的色彩迁移改进算法;结合色彩迁移算法的特点,设计基于GPU的优化方法,提出计算调度和数据交换方案;有效地将仿真结果实时匹配出自然图像的色彩,提高水体场景实时仿真在色彩控制上的直观性、简便性和实时性。最后,设计并实现多种验证、优化和评价实验,实验结果表明水体仿真的真实感、实时性和交互性得到有效的改善,相应的研究成果也成功应用在相关国家级课题和军工课题。