随着微创手术在医学领域应用的日益广泛,传统的开放式膝关节手术被微创手术所代替。关节镜手术是微创手术的一种,最早应用于膝关节疾病治疗。膝关节镜手术使用膝关节镜和微型手术器械在狭小的膝关节腔中进行手术治疗,手术操作难度高,医生往往需要经过长期的培训才能熟练掌握,传统的培训方式不能满足巨大的培训需求,所以,搭建虚拟膝关节镜手术系统,提供一种方便可重复使用的培训方式,是膝关节镜手术发展的需要。膝关节镜手术中,要求医生具有较强的手眼协调能力,所以在膝关节镜手术培训中,医生的视觉需求最为强烈。因此,本文选取虚拟膝关节镜手术的视觉表现方法进行研究,包括虚拟环境中模型的三维重建、虚拟对象的多模型表示、碰撞检测及软组织变形,主要从以下方面进行了分析和研究：(1)基于医学图像的膝关节模型三维重建。通过对CT医学序列图像进行预处理,采用表面绘制技术中轮廓线连接法基于CT序列图像重建膝关节模型,并对重建模型进行表面顶点及三角形削减,保证模型高精度的同时减少模型数据量。(2)虚拟对象的多模型表示法。对虚拟环境中对象采用多模型表示法进行表示,为虚拟对象构建了视觉模型、碰撞模型及行为模型以满足虚拟环境中视觉渲染、碰撞检测及行为计算场景的需要,建立数据结构实现多种模型之间数据的实时传输,不同模型之间能够同步更新。(3)研究了适用于虚拟膝关节镜手术的碰撞检测算法。通过对膝关节镜手术中涉及的物体碰撞进行分析,总结虚拟膝关节镜手术碰撞检测的要求,选用光线跟踪碰撞算法,采用八叉树包围盒进行算法加速,实现虚拟膝关节镜手术中的各类碰撞检测。(4)建立了虚拟环境中膝关节软组织的有限元四面体计算模型。通过分析膝关节组织材料特性,定义有限元单元材料特性,通过形变计算,实时更新模型表面顶点,实现软组织变形仿真。(5)基于以上研究,开发了虚拟游离体摘除手术系统,实现了虚拟手术过程中的实时交互及软组织变形仿真等,能够满足膝关节镜手术培训的需要。本文创新点在于使用多模型表示法对虚拟对象进行表示,构建不同模型满足不同虚拟场景的需要,通过模型数据结构实现不同模型的同步更新；通过对膝关节组织材料特性进行分析,为有限元计算模型定义材料特性,实现逼真的膝关节软组织形变仿真,提供了一种良好的虚拟膝关节镜手术视觉表现方法。