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自然场景仿真一直以来都是计算机图形学领域热点研究方向之一,它被广泛应用于VRGIS、虚拟现实和计算机动画领域。海洋环境是是自然场景的主要组成部分之一,基于风场数据的海浪模拟对虚拟海洋环境的真实感具有重要的作用,本文在分析渲染管道负载平衡的基础上,大量应用GPU技术解决风场条件下的海浪建模问题,模拟海洋环境中船舶航行波扰动效果,基于视点的宽广域海洋表面多细节层次快速建模,以及在复杂环境下的海面加速绘制。本文从实时性和真实感两方面得到较好平衡,所做的工作主要包括：1.介绍海洋风场数据研究环境,着重分析了风与波浪之间交互作用,从微观力学角度阐述波浪形成过程,以及介绍海洋环境中波群和波浪折射等现象。本文从线性波、非线性波和频谱理论等各方面详细介绍了海浪特征及其各要素之间关系。2.对于动态变化的风场海洋模型,我们根据分而治之思想,采用基波建模理论模拟海洋场景中各个不同区域海浪模型,然后叠加组合生成整个海面模型。在基波建模过程中,利用GPU求解线性波高度值,最后在GPU中快速绘制海洋模型。3.分析和对比了计算机图形学波浪仿真领域各种水波建模方法,以船行波扰动为例,采用基于频谱统计方法,利用CUDA快速求解FFT算法建立环境海浪模型,然后充分利用GPU的并行性求解二维波动方程,从简化的物理方程角度构建水面扰动波形,最后在GPU中通过合成生成实现扰动动画。4.着重分析复杂场景实时绘制方法,利用高效的场景分割和裁减算法减少进入绘制管道的图元,同时平衡分配CPU与GPU负载,有效提高场景渲染效率。对于复杂海面场景,我们提出基于占有比例的遮挡查询(OPOQ, Occupancy Proportion Occlusion Query)算法,减少对渲染图像贡献较少的模型对象,提高系统绘制效率。5.在基于动态视点环境下,我们采用基于视点的宽广域海面拼接方法,提出有效的LOD模型网格简化算法,解决基于运动视点的大规模海面建模实时绘制问题。最后在水面光效渲染上,充分利用GPU可编程能力,实现水面光照、环境反射和折射效果,达到真实模拟水面场景效果。