虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学方面的重要应用,虚拟手术系统为医生提供了三维显示环境以及可交互的操作平台,可以逼真地模拟临床手术的全过程。微创手术以其创伤小、恢复快的优点近年来发展迅速,相应的电外科设备、激光等工具应用普遍。手术中这些设备灼烧组织实现切割、凝血等功能,这一过程中产生的副产物——烟雾不仅会影响手术操作而且对医生健康产生危害。因此在虚拟手术系统中实现对手术灼烧烟雾的仿真,对于指导临床手术、开展手术教学、保护医护人员等方面作用突出。本文围绕虚拟手术中灼烧烟雾的仿真,以提高灼烧烟雾仿真的真实感和实时性为目标,主要进行了以下工作:一、研究手术灼烧烟雾的理化特性,通过对于计算机图形学中烟雾仿真的具体方法的分析综合,结合灼烧烟雾的流体动力学特性,实现灼烧烟雾的仿真。为了提高灼烧烟雾仿真的真实感利用涡粒子模型方法对烟雾进行建模,以涡量作为研究的出发点,将涡量场离散化为涡粒子,根据毕奥萨伐尔定律求解速度场得到涡粒子的运动过程,从而实现对烟雾的仿真。相比于传统的粒子系统模型和纹理方法,烟雾真实感得到很大提高,同时比欧拉观点的方法数值耗散小,稳定性高。二、为了提高基于涡粒子模型的灼烧烟雾仿真的实时性,在涡粒子模型中加入嵌套网格来加速计算,将粒子簇作为单个涡粒子对待,降低了数值计算中涡粒子的整体数目,提高了灼烧烟雾仿真中数值方法的计算速度。同时为了增加烟雾仿真的真实感,在涡粒子模型中加入普通粒子作为示踪剂,通过速度网格插值的方法得到普通粒子的速度属性,在牺牲较少计算量的条件下增加了烟雾渲染的真实感。三、针对涡粒子模型方法暴露出的涡面和湍流效果保持不好的缺点,利用涡丝模型离散化涡量场,建立了基于统一网格下的涡丝和涡粒子混合的灼烧烟雾仿真模型。该模型在仿真前期使用涡丝模型对烟雾进行仿真,通过毕奥萨伐尔定律得到涡丝诱导速度场实现烟雾运动控制,同时通过涡丝的自诱导和其他涡丝的诱导控制涡丝的运动。基于开尔文定律,为避免涡丝出现无限伸展,造成诱导速度无限大,进而影响仿真稳定性的情况,当涡丝伸展达到阈值后使用涡粒子模型继续对烟雾进行仿真,提高了系统的整体稳定性。通过应用混合涡模型,手术烟雾仿真中涡面和湍流效果得到了很好的保持,整个仿真模型的稳定性较好。最后基于MFC构建虚拟手术中灼烧烟雾仿真系统,通过实验分析表明:基于混合涡模型的灼烧烟雾仿真方法真实感较好,烟雾仿真模型稳定,实时性较好,适合应用在虚拟手术仿真系统之中,提高了虚拟手术系统的真实感和沉浸感,对于灼烧烟雾的逼真模拟增强了手术训练的准确性,有利于提高虚拟手术系统的训练效果。