随着基于物理渲染理论(Physics-based Rendering,PBR)的发展以及GPU算力的提升,面向真三维显示的实时渲染技术在计算机辅助医学领域开始广泛应用。利用次表面散射技术对像人体组织器官这类材质内部不完全透明,同时具有半透、水亮包膜的表面特征的材质进行渲染,其渲染效果表现逼真。本文结合双向反射分布函数以及次表面散射技术渲染理论,并对Jensen的偶极子理论模型进行了改进,获得了优化后的双向散射表面反射率分布函数(BSSRDF)。利用该函数改进的次表面散射渲染算法对心脏模型进行渲染取得了优秀的渲染效果。研究内容主要包括以下几部分:(1)根据人体心脏表面由心内膜、心外膜和心肌膜三层结构和光与生物软组织的相互作用,分析了心脏光照模型可以分解为表面高光项、表面漫反射项、内部单次散射和内部多次散射,为心脏次表面散射渲染相关的基础理论。(2)具体阐述了次表面散射的定义、性质和BSSRDF函数的理论计算公式,对比分析了五种次表面散射模型:偶极子模型、多偶极子模型、量化扩散模型、预积分模型、光扩散模型的优缺点,并对其不同模型的渲染效果进行对比。(3)改进优化Jensen的偶极子理论模型:通过理论研究、影响占比,可以利用BRDF近似单次散射;通过引入曼哈顿距离算法计算最短距离,可以提高多次散射计算速度。利用优化改进的次表面散射算法进行实时心脏模型渲染,达到预期的软组织半透效果,与BRDF渲染算法、Unity 3D平台自带渲染算法进行比较在绘制速度上和渲染效果上有明显的优势。(4)设计实现虚拟心脏手术训练仿真平台,对渲染效果进行主、客观评价。客观评价利用本文算法的数据拟合曲线与蒙特卡洛离散渲染拟合曲线进行比较,二者相似度较高,说明算法是成功的。主观评价利用设计好的评价调查问卷进行渲染效果评估,通过平台的实际操作,对一系列问题进行打分,比较最终的得分情况发现本文算法渲染的真实度最高。