在计算机图形学中,海洋模拟是一个非常重要的研究方向,其实时模拟的技术更是广泛应用到大型3D游戏、影视作品以及海洋学研究中。目前,传统的海洋模拟研究更多侧重于海面波浪建模,缺乏海洋光学视觉真实感的渲染工作。而在光学效果的仿真研究中,则同样应用到大规模海洋波浪运动场景的工作较少。为了将上述两者渲染工作友好地结合起来,展现海洋场景中更加丰富多彩的细节信息,本文在大规模海洋波浪真实建模的基础上,引入更为精确的光学模型,对场景中光线在海面产生的反射、次表面散射以及折射现象进行算法模拟和研究。首先,为了解决海洋自身规模巨大、波浪运动多样特性所带来的实时渲染问题,在保证渲染速率和精度的基础上,采用投影网格来构建海面网格,利用快速傅里叶变换方法,采样由风力驱动的长短波统一的方向谱来进行波浪建模,为后续光学模型的构建奠定了基础。其次,针对海洋场景中光学效果较不真实所引起的视觉真实感较差的问题,引入双向反射分布函数光学模型,求解天空与日光对海面的光照影响,展现丰富的海洋光学场景。同时,在标准的反射矩阵中添加控制因子,引入太阳位置信息,物体在海面的反射效果具有了一定的动态性,实现倒影随太阳位置变化而变化的效果。再次,为了进一步增强海水色彩的真实感,计算光线在海面处发生次表面散射现象的积分方程。而对于光线在海面产生的折射现象,通过分析物理折射定律,利用渲染到纹理的技术,同时添加海水深度和浑浊度影响因子,从而正确渲染出水下物体受光线影响而发生偏移的效果。最后,借助Unity3D引擎、Cg和Unity Surface Shader着色器语言,设计和实现大规模海洋场景中光学效果的实时模拟。实验的结果与数据表明,采用本文的渲染方案,在实时渲染的前提下,保证了大规模海面波浪运动的真实感,同时又提高了海洋的光学视觉效果,也更为贴合真实环境。