纹理合成技术是图像处理领域的一个重要分支,纹理替换技术是计算机图形学与计算机视觉的研究热点之一,纹理合成与纹理替换技术两者联系紧密,在影视特效、游戏渲染及虚拟现实等领域有着广泛的应用。在分析现有纹理合成和纹理替换技术的基础上,研究基于纹理统计不变性和能量优化的纹理合成与替换新方法。首先对纹理统计不变性进行了数学推导和定义,并通过对具有代表性的几类纹理图像进行实验,验证了这种纹理统计不变性,包括纹理平均颜色统计不变性和纹理平均梯度统计不变性。为了保证纹理替换过程中纹理合成的质量,对传统能量优化方法进行了改进,提出了基于最近邻域搜索(Patch-match)的能量优化合成方法,极大地提高了优化合成速度,并且在一定程度上提高了纹理合成的质量。然后在纹理统计不变性的基础上,分别研究了基于纹理平均颜色统计不变性的纹理光照估算方法和基于纹理平均梯度统计不变性的纹理形变估算方法,同时提出了上-下采样的估算方法加快算法估算速度；为了抑制图像噪声干扰和抖动干扰,又提出了基于TPS的自适应采样插值纹理光照和形变估算方法,提高了算法估算质量的同时进一步提高了算法速度。最后通过由形变场引导的能量优化纹理合成方法,结合光照场的重铸,完成最终的纹理替换；并通过大量实验验证了论文提出方法的有效性,实验结果显示纹理合成与替换结果具有很高的视觉可观性和真实性。