直接体绘制是分析体数据的有效手段，被广泛运用于医学成像、科学数据可视化和游戏等领域。一方面，为了应对大规模体数据带来的挑战，本文对异构环境下的并行图像合成算法进行了研究。另一方面，为了提高渲染结果的质量和物理真实性，本文对直接体绘制中应用高级光照模型的问题进行了研究。本文取得了以下研究成果:　　提出了一个基于管线的图像合成算法。传统的over图像合成操作符只规定了合成的结果，但没有规定合成时节点间的数据流方向。在异构环境下，节点间的数据流方向对最终合成时间起了决定性的作用，因此over操作符不能很好地建模这个问题。本文提出了一个新颖的有向图像合成操作符，它不但规定了图像合成的结果，还规定了节点间的数据流方向。根据这个操作符，我们研究了异构环境下合成管线的性质，并给出了构造所有合法合成管线的方法。针对静态环境与动态环境，本文分别提出了相应的最优化算法来求解当前环境的最优或者近似最优管线。　　提出了一个基于分组的图像合成算法。基于分组的合成算法利用图像合成操作符的结合律，能够显著减少节点间通信的次数。本文将基于分组的图像合成建模为节点集合划分的过程。求解最优合成方案可以归结为计算一系列的实值分割点。在形式化地定义了这个问题之后，我们提出了一个确定性的最优化算法，它能够在多项式时间内计算出给定环境下最优的合成方案。　　提出了一个顺序无关的图像合成算法。顺序无关的图像合成对节点间的合成顺序没有施加限制，因此相对于顺序相关的图像合成它有更大的可行解空间。本文将这个问题建模为一个节点配对的问题。由于所有可行的配对方案与节点数目的阶乘成正比，因此在节点数目较大时基于暴力穷举的方法没法工作。本文使用了一个全局随机优化技术差分进化来求解最优配对方案。　　提出了一种基于自适应光体的交互式体光照算法。光体保存了体数据内采样点的直接光照信息。利用该光体，计算任一着色点处的直接光照可以通过一次纹理查询来完成，因此计算单重散射与多重散射的时间耗费大幅缩减。为了加速光体的构建过程，我们将其划分为若干个块。并根据各块的重要程度，决定其中采样点的数量。本文方法可以在交互式应用中支持包含多重散射在内的高级光照效果。