随着虚拟现实和真实感绘制技术的迅猛发展,虚拟手术中软组织的真实感绘制能为现代医学提供更好的视觉反馈和诊疗效果。心脏结构的复杂性及其病灶的隐蔽性使心血管病患病率和死亡率居高不下。心脏次表面散射材质绘制是心脏病灶呈现和真实感的主要来源。因此,提高心脏绘制的真实感是虚拟手术研究的重点之一。本文以人体心脏次表面材质作为研究对象,进行较高精度的心脏表面三维模型重建,构建心脏光照模型分解心脏次表面光照,在能量守恒的基础上改进辐射度积分算法绘制心脏次表面效果,同时基于屏幕和纹理空间对心脏的次表面散射进行混合绘制,结合后处理实现了虚拟手术中心脏次表面散射材质绘制真实感的提升,以便于观察心脏表面的病灶。本文的主要工作与研究成果如下:(1)心脏光照绘制框架设计。根据心脏表面几何模型的三维重建算法构建患者心脏三维模型,并对心脏的相关数据进行预处理,在分析已有的光照模型的基础上,设计虚拟手术中的心脏光照模型,并引入符合心脏光照效果的次表面散射材质绘制方法,提出并阐述本文的总体绘制框架。(2)虚拟手术中心脏光照模型构建与计算。针对心脏手术场景光照特点,分析心脏的光学特性和次表面结构,在此基础上借鉴传统的分层模型构建心脏光照模型。其次,基于能量守恒定律,对入射光线类型和光照物理过程进行分解,分别计算心脏材质的漫反射项,镜面高光项和次表面散射项,融入光照衰减,阴影软化等后处理技术,生成满足心脏真实的光照效果,并采用延迟渲染的思想计算光照进行加速,可以较好地用于虚拟手术中心脏真实感绘制。(3)心脏次表面混合绘制。在对虚拟手术中心脏光照模型构建的基础上,首先将纹理坐标作为渲染对象坐标并利用高斯函数卷积和简化运算,在纹理空间(Texture Space,TS)寻找最优近似值模拟心脏次表面散射效果。其次针对纹理空间算法在组织曲度过大导致区域间散射不足等问题,结合屏幕空间(Screen Space,SS)深度信息和蒙版混合绘制进行消除,通过视差贴图等改善材质细节,最后利用反走样、背面剔除等技术作为后处理,产生更真实的心脏绘制效果。最后,根据本文提出的心脏光照模型设计并开发了心脏次表面散射材质绘制的实验原型系统,实现了各个模块的算法验证和可视化集成,并给出了实验结果与分析。实验结果表明,本文提出的心脏次表面散射材质绘制方法能较好地表现心脏材质的光照特性,符合虚拟手术真实感和实时性的需求,对软组织的真实感绘制具有重要的指导意义。