虚拟手术系统在医学领域具有广泛的应用,其将计算机图形学与虚拟现实技术结合,为医生提供手术方案制定与手术操作训练等功能。人体中分布着600多块的肌肉,肌肉是人体重要的组织器官,提高肌肉的真实感是虚拟手术系统的研究重点。传统的二维纹理合成是从图像相似性的角度出发,无法体现肌肉表面的几何特征,存在着人工干预过多与合成时间较长等问题。针对这些问题,本文将人体骨骼肌作为研究对象,提出了基于场向参数化的肌肉纤维纹理合成方法,用最光滑矢量场或对齐主方向场作为参数化的引导场,实现对肌肉纤维纹理方向与比例的控制,通过自动布置的奇异点来呈现几何特征,提高了纹理合成的真实感与实时性。论文的核心工作与研究成果有以下几个方面:(1)肌肉模型表面最光滑矢量场的构建。提出了用复数的n次幂形式统一表示n-矢量场,提出了改进传统的狄利克雷能量得到光滑能量,通过光滑能量的最小化求得全局最光滑的矢量场,并且自动配置奇异点。将能量方程离散化后,转化为求解广义特征值及其特征向量的问题,使用乔勒斯基分解与反幂迭代法求解,完成最光滑矢量场的构建。(2)肌肉模型表面对齐主方向场的构建。提出了用复数与参考基矢量的乘积表示一个给定的指引方向,如主曲率方向。在光滑能量的基础上加入一个描述对齐度的线性项来构建对齐主方向场的线性能量方程,通过乔勒斯基分解求解线性能量方程,完成对齐主方向场的构建。(3)肌肉模型的场向参数化与肌肉纤维纹理的合成。提出了用最光滑矢量场或对齐主方向场作为引导场,提出了场向参数化的改进方法,允许加入奇异点和省略了单位化约束与旋度修正。提出使用分支覆盖来解决矢量场中奇异点的参数化,将最小化狄利克雷能量转化为求解广义特征值及其特征向量的问题,使用反幂迭代法获取纹理坐标,对纹理坐标的调整修正,避免了插值的不连续性,使用OpenGL进行肌肉纤维纹理的渲染。最后,本文设计并实现了肌肉纤维纹理合成的原型系统,实现了各个模块算法与可视化的集成,并给出了实验结果与分析,提出了下一阶段的工作展望。实验结果表明,本文提出的最光滑矢量场、对齐主方向场和场向参数化的改进方法,兼顾了肌肉纤维纹理的真实感与虚拟手术系统的实时性,并且增加了对肌肉纤维纹理合成的交互性。不仅对虚拟手术中肌肉纤维纹理有意义,对任何具有方向性的纹理合成都具有借鉴作用,具有广泛的应用前景。