随着计算机软硬件的不断发展，3D游戏引擎的应用前景日趋广阔，它所能提供的通用且高效的图形处理能力逐渐被诸如计算机辅助设计、虚拟现实以及军事作战仿真等多个应用领域重视和使用。开发具有自主知识产权的3D游戏引擎对改变我国技术落后完全依赖进口的现状，抢占国内游戏市场份额具有重要意义，是我国信息产业发展的当务之急。 本文首先简单概述了3D引擎的基本原理及其发展历程。之后专门针对大规模室外地形的实时渲染问题提出了以层次细节思想为指导的解决方案，并实现了一种综合应用地形数据分块组织、数据预取、视距体裁减、视点评价以及帧的一致性等技术和概念的整体优化算法，同时提出了一种加边消除地形生成系统中产生裂缝的算法。此外，为创造出更逼真、更具说服力的虚拟自然环境，紧接着本文设计了一种基于高效使用内存的改进BSP树表示方法及其搜索策略以迅速实现对各种灌木、杂草等室外小物体的快速渲染及持久化。 为了将自然物理世界真正映射到计算机系统之中，就必须把现实生活中的规律也一起融入到游戏中。在行为规则和物理属性中，虚拟对象之间的碰撞检测是其中最为关键的问题之一。本文第二部分首先介绍了碰撞检测技术的基本概念原理，接着对几种常规的“慢速”检测算法做出比较，并给出利用过滤法以及公式近似法等优化技术加速了基于包围球体的碰撞检测算法。 本文最后先是对游戏特效中的粒子系统技术的基本原理进行了简单介绍，紧接着以一个实时雨景模拟示例详细展示了本文所给出的对于常规粒子系统生成算法的改进加速技术，其中涉及到数据结构简化、物理模型简化、位置提升策略以综合以上，本论文从大规模场景实时渲染技术和真实感虚拟仿真技术两个方面提出了一些见解和方案，并予以设计和实现，希望能够对3D游戏引擎的开发者们带来一定的启示.