随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟人被广泛应用在各种影视及动画作品中，极大地增强了作品的表现力。对于整个虚拟人身体来说，面部是人们表情达意的主要载体和最富有个性化的部分，也是人体表面特征最复杂的地方，所以如何在场景中呈现虚拟人的面部物理光学及表情特征，使其更像真实的人体面部，即具有主观真实感，是虚拟人应用是否成功的关键。因此，本文首先研究人体面部皮肤的光学特性，建立皮肤的着色模型，使其能够在保持人体面部特征足够真实的前提下，实现真实感快速渲染，这种快速渲染方法的研究，使得真实感虚拟人具有真正的实用价值。本文结合真实感渲染方法和模型，利用当今GPU可编程渲染管线，开展了从面部真实感交互式渲染、环境光照影响下的面部渲染到多人物面部和表情动画的真实感渲染等多方面的探索性研究工作。论文主要工作如下：为了有效地模拟真实感的面部，多角度理解渲染的过程和效果，建立了基于纹理空间的面部真实感交互式渲染平台，利用基于微面元的物理漫反射模型，模拟了光线在皮肤表面的漫反射；采用高斯模糊线性之和与纹理扭曲纠正，模拟了光线的次表面散射；结合表面漫反射和次表面散射，得到真实感面部；利用OpenGL图形接口函数，设计了面部真实感交互式渲染平台。实验结果表明，该平台能够准确模拟光线扩散剖面，绘制出真实感的面部肤色，可以进行多角度和多方位的交互式渲染，更好地辅助用户对虚拟人进行控制和设计，凸显了平台的实用价值。实际应用中周围环境光照会对虚拟人面部产生影响，提出了基于环境光照的面部真实感渲染，通过高动态范围图像有效地刻画了环境光照，利用球面调谐函数变换高动态范围图像和几何遮挡函数，进而将环境光照的复杂积分运算转化为频域内的点积运算，在GPU片段着色程序中实现了光照计算，进一步线性变换球面调谐系数，得到光照变化时的面部着色效果。实验结果表明，该方法能够很好地刻画自然光光照下的面部真实感效果，软阴影效果突出，使得虚拟人能和周围环境自然地融为一体，满足了光照一致性。在多人物出现的虚拟场景中，不仅要考虑面部的真实感，更强调渲染的实时性，提出了基于面部特征和网格简化的多人物面部真实感渲染，通过对面部弯曲度和凸凹特征的建模和预计算，可以模拟次表面散射和面部漫反射，从而得到快速的真实感面部渲染；对于场景中远离视点的人物，利用网格简化方法，缩减其头像数据，降低渲染的计算量，便于实时渲染。实验结果表明，该方法取得了具有实际人体肤色和细节特征的真实感面部，实现了较低的时间复杂度和较少的计算量，尤其适合于多人物出现的虚拟场景。面部表情可以有力地增强虚拟人面部的真实感，避免虚拟人的呆板性和卡通性，提出了基于三维目标快速变形的面部表情动画渲染，首先设计了基于线性插值的三维目标快速变形方法，然后根据面部特征运动，得到了期望的目标表情，随后获得目标表情和中性表情之间的差分向量，利用GPU并行处理一次性装载差分向量，并使之驻留到显卡高速缓存，在顶点着色程序中完成变形动作，在片段着色程序中对面部特征进行着色，进而实现面部表情动画的真实感快速渲染。实验结果表明，该方法得到的面部表情符合人体自身颜色属性，外观的细节特征和阴影效果清晰明显，动作变形过程更加流畅自然，满足真实感面部表情动画的要求。