计算机图形学结合虚拟现实(virtual reality,VR)技术辅助外科手术模拟训练是当今的热门研究方向,虚拟手术训练中的真实感与训练效率有很大的关系,较好的真实体验能有效缩短新手医生的学习周期。图形真实渲染的目的是为了最大程度地模拟现实世界中的场景,基于物理的渲染(Physics-based Rendering,PBR)是模拟光在自然界中散射、吸收以及能量传递的一门技术,能较好的还原真实世界的视觉色彩。本文结合基于物理的渲染和虚拟现实技术在外科手术中的应用进行了一定的研究工作。论文完成的主要工作包括:1.研究分析了Lambert、Phong、Blinn-Phong等常见光照算法。在Unity 3D平台上针对不同的应用场景分别对上述算法进行了验证,总结出不同应用场景中渲染效果的差异以及3种算法模型在物理渲染上的缺陷。2.具体研究了基于物理的渲染算法。基于微平面(Microfacet)理论,综合Cook-Torrance算法和迪士尼算法中关于漫反射计算的处理,本文提出了一个适合有机生物组织真实渲染的改进Cook-Torrance模型,并在Unity 3D引擎上开发了一个自定义的BRDF着色器。应用测试结果表明:相对于传统的生物组织渲染,BRDF着色器在渲染真实感上有显著的提高,但对次表面散射的模拟不明显。3.将上述改进的Cook-Torrance模型和自开发的BRDF着色器应用于胸腔镜虚拟手术训练仿真系统,并在有头戴显示设备和无头戴显示设备的条件下分别验证了其在系统中真实渲染的效果。验证结果表明:无论是否有头戴显示设备,BRDF着色器对真实感的渲染都优于传统渲染方式;有头戴显示设备时,虚拟手术训练的沉浸感优于无头戴显示设备条件下的训练,但由于头戴显示设备会产生眩晕,用户体验不及无头戴显示设备设备的训练。4.基于BRDF着色器在真实渲染上良好表现,开发了一款结合AR/VR的CT三维可视化的Android应用——iCTVie。