自然景物的模拟一直是计算机图形学研究的热点之一,在气象预报、科学计算的可视化模拟、3D游戏等方面有着广泛的应用。不规则自然景物的模拟是自然景物模拟中的一个重要内容。由于自然景物运动过程的随机性和形状细节的多变性,模拟方法上十分复杂。粒子系统是不规则景物模拟中的一种方法,但是传统粒子系统数据量大、计算复杂,渲染速度低,且逼真度不高。为了提高不规则景物模拟的速度和逼真程度,本文在将结构化粒子系统和多重纹理方面进行了研究。本文所做的主要研究工作和结果如下:1.对基于粒子系统不规则景物模拟的基本原理进行研究,并对通用粒子系统的结构进行改进。对渲染过程中粒子的生成、粒子更新、粒子绘制、粒子消亡等多个步骤进行优化。系统地研究了纹理映射技术、层次结构优化技术、混合混色技术,并将其运用不规则景物模拟中。2.提出一种基于改进粒子系统的新火焰模拟方法。首先该方法从火焰运动的热力学模型开始分析,利用结构化粒子系统来模拟不同时期、不同区域的火焰细节。然后在火焰渲染方面还引入多重纹理的方法。区别于传统的单纹理映射方法,多重纹理映射方法中纹理片存储更多的粒子属性信息,能改善火焰升腾过程中的视觉真实感,提高计算机渲染速度。最后研究了复杂场景(诸如风力、空气阻力等因素)下火焰的运动特征,结合运动场的原理简化了复杂场景下的模拟难度。3.在分析烟花燃放的功能需求,系统总结常见的多种烟花燃放形状和燃放特效后,提出一种新的烟花模拟算法。该算法利用烟花的运动特性改进粒子系统的通用结构,重点针对具体的牡丹型烟花、椰树型烟花和诸如拖尾、闪烁、多层等烟花特效从数学模型和算法优化上进行改进,增强烟花的模拟效果。