直接体绘制技术将计算或测量得到的三维体数据直接渲染到屏幕上，为研究人员观察数据提供了最可靠和有用的手段。体绘制技术在医学图像处理中应用最为广泛，发展最为迅速。近年来随着图形处理器(GPU)的高速发展，GPU的处理能力已大大超越CPU，这使得实时体绘制成为可能。因而基于GPU的体绘制成为了最热的研究和应用方向，然而由于医学数据的自身复杂性和动态医学数据的出现，目前流行的体绘制技术还不能有效地实现效果。另外，如何构建友好的人机交互，使操作人员可以方便、灵活地通过操作体绘制可视化系统来得到需要的三维重建图像，也是一个值得研究的问题。本文面向医学图像应用需求，着力于解决如何快速实时显示、如何有效显示研究人员的感兴趣的信息、以及如何实时快速实现动态体绘制，提供友好方便的可视化系统界面等问题。本文研究基于GPU的快速实时高质量体绘制技术，并且深入探讨加速技术、高维传递函数设计、四维动态显示和三维可视化系统的设计。本文所取得的主要研究成果如下：1)研究和实现了基于GPU的实时光线投射体绘制算法。研究了体绘制的原理和渲染流程，利用Cg和OpenGL实现了灵活的体绘制框架，通过着色器语言可以方便地实现一般绘制、最大密度投影绘制、等值面绘制、Phong光照绘制等常用的绘制效果。并进一步研究了实时加速的方法，包括光线提前终止法和基于八叉树的无效体素跳跃法，实验表明，使用了加速算法在不影响绘制效果的基础上大大提高体绘制速度。2)为了更好地绘制医生感兴趣的区域，必须设计适合的传递函数。基于高维直方图的高维传递函数交互设计法是目前流行的方法，但是该方法设计复杂且效果不理想。针对高维特征的传递函数设计问题，本文提出一个基于改进的K均值(K-Means++)聚类的高维传递函数自动设计与交互式的体绘制方法。实验结果表明，该方法能消除高维传递函数设计的复杂性，并且能有效地融合多种人体组织结构特征，提高渲染效果。3)传统的三维医学图像重建技术无法满足动态四维医学影像重建的需求，究其原因，四维医学影像的庞大数据量使传统重建技术很难实现高性能实时绘制。本文从该需求出发，提出并实现一种基于GPU的动态四维快速体绘制方法，给出四维动态绘制流程。在保证体绘制质量不下降的情况下，相比传统的光线投射算法其性能得到较大程度的提高。4)在前面研究的基础上，本文研究并实现了基于GPU的三维可视化系统，实现了三维重建视图和辅助视图，及相关的旋转、缩放、切割操作实现，设计了传递函数交互设计界面。本文提出一种改进的基于体标记的体切割算法，以达到可以高度灵活地交互和实时切割操作目的。算法借助GPU光线投射算法的助理面资源，模拟光线投射的思想，把切割的复杂度由体数据规模相关优化到用户屏幕切割区域相关。该算法能灵活按照用户指定区域进行个性化切割，同时不改变体绘制的绘制流程和渲染性能。本文探讨研究基于GPU的快速实时高质量体绘制技术，并且深入探讨加速技术、高维传递函数设计、四维动态显示和三维可视化系统的设计。为体绘制技术理论提供良好的参考和新的思路。