龙卷风模拟一直是计算机图形学的热点之一,近年来由于虚拟龙卷风在电影制作、游戏特效以及自然灾害的预测中使用越来越多,龙卷风的研究吸引了一大批计算机图形学领域专家的关注。龙卷风的漩涡控制以及交互性尤其具体有挑战性。首先,为表现龙卷风的更多边界细节,采用了经典流体模型—粒子系统模型进行龙卷风建模;为使粒子系统的粒子旋转起来,引入漩涡场,粒子在漩涡场作用下产生旋转效果,构成动态龙卷风的模型。其次,为模拟龙卷风对场景的破坏效果,针对大量粒子与场景交互计算量大的难点,将大量微观粒子进行宏观化处理,将大量粒子简化为一层高速螺旋旋转的透明的刚体,巧妙地将龙卷风与场景的交互转化为破坏层与刚体的交互。通过AABB包围盒碰撞检测算法的引入,每次碰撞检测只需要6次计算即可,极大地提高了龙卷风交互的计算效率,提高了模拟的实时性。再次,为增强虚拟龙卷风与真实场景的交互性,引入了基于AR技术的体感交互设备Kinect。利用Kinect的骨骼跟踪(Skeleton Tracking)系统,捕获人体骨骼关键点数据,驱动龙卷风实时参数的更新。Kinect的深度摄像头进行真实场景的采集,实现虚实融合场景的龙卷风交互模拟。然后,对光线投射算法进行了优化改进,在传统的光线投射算法生成的纹理数据之后添加一层后期屏幕处理效果,将发光Glow、光晕Sun Shaft、颜色修正(Color Correction)等与光照相关的屏幕处理效果应用于虚拟龙卷风纹理数据,提高了虚拟龙卷风的真实性,模拟出简单的不同太阳光下的龙卷风效果。并引入GPU加速渲染机制,利用其多线程渲染模式进行渲染加速,提高龙卷风绘制速率。最后,在Unity3D平台搭建龙卷风实时模拟系统,设计多形态龙卷风场景以及龙卷风交互场景,完成龙卷风模拟及其交互效果验证。实验表明:本文所提出的龙卷风模拟及其交互性算法在实时性和真实性上能很好地满足实验模拟需求。