精确的大气与动态云可视化可以为航天、航空和虚拟战场等领域的仿真应用提供逼真的虚拟环境，对仿真结果精度的提升具有重要的意义。可视化建模中的准确性与实时性一直都是矛盾体，提高准确度需要更为复杂的大气与动态云可视化模型来支撑，而这又会造成绘制效率的下降。传统的方法不能同时满足仿真应用对准确度和实时性要求，因此需要研究新的方法与技术来解决这一矛盾。在充分调研、分析这一领域研究现状之后，本文结合大气与动态云的物理性质对其进行了可视化建模，并在建模的同时考虑了模型的并行化，进而实现了基于GPU的大气与动态云实时绘制。本文的主要工作包括:　　 (1)在分析地球表面反射特性的基础上，提出一种基于BRDF的地面反射对大气可视化的影响模型。将到达视点的光能计算与地面特征相结合，既考虑了地面的各向异性特征，同时也考虑了不同起伏度的地面几何特征，克服了原有模型因过于简单而产生的误差。　　 (2)结合地表反射模型提出一种新的基于蒙特卡罗重采样的大气散射可视化模型。该模型重点考虑了大气分子散射和气溶胶散射两种主要散射情况，进而形成从地面到视点的可见光完整辐射照度计算模型。本文所提基于蒙特卡罗重采样的克服了经典蒙特卡罗方法在模型求解过程中精度低的不足，在同样求解时间的条件下很大提高了解的精度。　　 (3)在动态云可视化建模方面，提出一种基于物理元胞自动机的动态云可视化模型。针对动态云的物理特性，将元胞自动机原理与流体动力学原理相结合，设计元胞运动规则、沉淀与堆积规则及扩散与凝聚转化规则。实验表明能对云的变化过程进行仿真，更能反映云体动态物理特性，充分展现动态云的细节特征，具备较好的灵活性，可以较好地对低、中、高等典型类型云进行可视化描述。　　 (4)在大气实时绘制方面，提出一种快表与依赖视点的绘制方法，将GPU引入光线强度查找表与地面反射数据处理调度上。减少了相邻帧之间多层次细节的切换和可见性变化所需的时间开销，提高了命中效率和渲染速度，较好地解决了空间大气实时绘制问题。　　 (5)在对云体数据的绘制中，将元胞自动机的状态变化过程看作是对数据或信息的计算或处理过程，并采用基于拐点和极值的预积分光线投射算法，比之前的后分类和预积分算法减少了冗余采样，从而实现对云体数据进行更高效的绘制。　　 (6)在应用方面，提出了一个基于地球大气和动态云可视化模型的视景仿真系统框架，将模型嵌入支撑层，支持相关的仿真应用。