云是一种自然现象,是天空中常见的景观。三维云的建模和渲染研究一直是计算机图形学中的关键内容。使用计算机生成的云图可以应用于诸多领域。将三维云图添加到天空中,可以提高所描绘户外场景的视觉效果,常用于飞行模拟和户外战场模拟。在特效电影、三维电子游戏以及近年来逐渐流行的虚拟现实领域,三维云也扮演着重要的角色。除此之外,使用气象数据生成三维云图,可以辅助气象工作者更加直观地观察天气现象,对天气预报、人工影响天气等工作都起到了重要的作用。近年来,由于计算机硬件性能的提升使得数据处理的速度得到大幅度提升,以及获取气象信息的手段越来越丰富,基于气象数据信息的三维云模拟研究逐渐成为主流。使用这种方法生成的云不但具有逼真的视觉效果,还同时具备物理学意义。本文基于真实气象数据进行大规模的三维云模拟研究,研究了气象数据在云模拟技术中的应用方法,提出了一种新的自适应网格结构用于云的建模,并深入分析了云的光照模型,针对云的特性提出了一种新的高阶各向异性多次散射模型并应用于云的渲染,具体研究内容如下:在云的建模算法方面,针对现有的真实气象云数据可视化方法普遍存在的建模复杂度高,渲染效率低等问题,提出了一种基于感兴趣区域自适应远场网格结构的气象云数据三维可视化方法。该方法首先算出云的消光系数作为云模拟因子,然后提取感兴趣区域以生成自适应的远场网格结构并应用于云粒子的建模,在保持感兴趣区域精细分辨率的同时优化其他区域的粒子数量,并最终完成三维云图的渲染绘制。基于WRF模式气象云数据的仿真结果表明,将该方法应用于大规模的云数据建模,在保证绘制质量的基础上,能加快绘制和渲染速度,并能更好地展示真实云的形态和结构特性。在云的渲染算法方面,针对现有的光照模型大多忽略了高阶散射而导致生成云图缺乏真实感的问题,提出了一种基于高阶各向异性多次散射模型的云渲染方法。该方法拓展了最可能路径算法的思想,将云看作平行平面进行处理,提出集热区域这一概念,包含最终到达视点的大部分入射光线,使用光的规范传输函数,有效模拟了高阶散射。并且改进了光线投射绘制算法,使用加速度步长采样和复合插值方法,代替传统光线投射方法中的均匀采样和三线性插值方法。基于WRF模式气象云数据的仿真结果表明,该渲染方法能够有效提升生成云图的光照效果真实度,并且在绘制时具有更高的计算效率。