虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学领域的重要应用,它为医生提供了三维显示环境以及可交互的操作平台,可实现临床手术的真实模拟。常见的微创手术通过电外科设备、激光等工具对组织灼烧实现切割、凝血的过程中产生的副产物一烟雾,对手术人员的操作和健康具有极大危害。因此手术灼烧烟雾的仿真具有重大意义。本文针对传统烟雾模拟方法存在着粒子数量的限制、计算效率过低、小尺度的烟雾细节保持等问题,在SPH模拟流体的基础上提出一种烟雾改进混合算法,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:(1)研究手术烟雾的理化特性。在分析图形学烟雾仿真相关方法的基础上,结合实际手术灼烧烟雾的特性,实现灼烧烟雾的仿真。本文从拉格朗日视角下的纳维-斯托克方程(Navier-StokesEquation)着手,应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对烟雾进行建模。针对模型相关方程的离散与数值求解,烟雾可视化等重要步骤进行研究。较传统粒子系统和纹理方法,烟雾真实感得到很大提升,同比欧拉观点数值耗散小,稳定性高。(2)应用SPH方法于流体方程的求解并对算法进行改进。在获得烟雾模型基本框架的基础上,分析并改进影响模拟准确性和计算效率的几方面关键问题。针对传统SPH法在模拟流体时由于边界相邻粒子数量不等导致密度计算误差的问题,提出一种双层自适应粒子的边界处理条件,赋予边界粒子质量权重函数,实现复杂边界不可压缩流的稳定模拟,提高了模型的稳定性。为提高程序运算的效率,采用空间网格化粒子搜索减少了问题考虑区域和参与计算的粒子数,并对光滑核函数进行修正,避免额外遍历操作,节省了计算开销和内存占用。(3)针对SPH方法在模拟烟雾一类气态现象中暴露的湍流和涡旋效果保持缺陷,进一步提出基于SPH湍流的网格涡粒子混合算法。在运动烟雾的周围构建高精度动态网格,使用FLIP实现器官表面粗精度粒子流场的计算,采样网格涡量并通过SPH涡粒子在全局流场中保持住这种涡旋。结合SPH湍流模型有效地在小尺度下捕捉烟雾涡旋的产生和保持,提高了手术烟雾模拟的细节效果。本文设计并开发了虚拟手术灼烧现象的原型试验系统,集成各个模块算法,给出实验结果与分析。实验结果表明:基于网格和SPH涡粒子混合模型的灼烧烟雾仿真方法真实感较好,烟雾细节表现完整,符合虚拟手术系统的实时性要求,提高了虚拟手术系统的真实感和沉浸感。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整体训练效果。