无论在虚拟的大型3D游戏、影视作品中,还是在海洋勘探等领域,大规模海洋仿真有着非常重要的应用。目前的海洋仿真研究中大多聚焦在海面建模层面,或者只实现某一个海洋光学表现效果,没有一种实现海洋多场景要素实时仿真的方法,局限性很大。为实现更为逼真的海洋多场景要素仿真,本文主要从两大方面进行算法研究,分别为海洋与物体双向交互研究和海洋整体光学效果研究。首先,针对海洋水体水面区域范围广大的问题,为在保证真实性的情况下更好的满足实时性要求,采用基于LOD技术的放射性网格与投影网格分别进行建模,结合基于海洋统计学模型的统一的长短波频谱进行快速傅立叶逆变换求得水面高度场,实现具有多参数可调可控实时大规模海洋场景。其次,针对在海洋与物体双向交互尤其在海面对物体作用时仿真度不高的问题,提出一种基于物理刚体动力学的有限体积元法求解海水对物体作用力,该算法能对包括凹多面体网格在内的多种形状的物体进行正确的受力计算。在物体对海洋作用方面,引入粒子系统方法实现物体落水激起浪花效果。再次,在海洋与光照交互方面,基于渲染到纹理的方法实现海面反射与折射,引入Blinn-phong光照模型实现海面高光反射;针对目前大多仿真程序在海洋与岛屿地形边界处不能正确过渡问题,提出通过优化菲涅耳系数求解并对菲涅耳系数进行修正以及在地形边界添加泡沫效果的方法实现这两种不同介质的柔和过渡效果;为实现海洋三维立体场景效果,引入全局雾实现模糊海下效果,采用基于刻蚀图的方法实现水下刻蚀光斑效果。最后,利用Unity3D游戏引擎和高级着色语言Cg设计并实现大规模虚拟海洋多场景要素仿真系统,所有效果均为实时计算渲染得到。实验结果表明,采用文中方法能够对大规模虚拟海洋多场景要素进行实时高效的模拟,效果逼真且有很高的实时性。