增强现实(Augmented Reality,简称AR),也被称之为混合现实,在医疗、古迹复原和数字化文化遗产保护、工业维修、虚拟训练、娱乐与游戏等领域呈现巨大的应用价值,由于其广阔的应用与发展前景,受到越来越多研究人员的关注。其中三维注册是实现增强现实的关键技术,是实现虚拟与真实环境融合的核心,要求具有较高的实时性。然而,基于自然特征的三维注册算法由于模型复杂,计算量庞大,严重影响了AR系统的实时性,目前研究人员通过简化算法关键步骤或在真实场景中添加辅助标识来提高算法的执行效率以满足系统实时运行的需求。然而这一定程度上限制了增强现实的应用或使系统容易产生注册误差。因此,在保证增强信息显示质量的同时,如何最大限度提高AR系统的实时性有待进一步研究。近几年来,GPU通用计算已经成为国内外研究的热点,使用GPU进行加速计算通常能获得一个数量级的速度提升,将GPU强大的计算和并行处理能力用于加速增强现实三维注册算法,对于建立实时、准确的增强现实系统具有重大意义。论文的主要研究工作有：(1)介绍了GPU通用计算和增强现实关键技术。首先给出了GPU通用计算模型及常见技术。然后对增强现实所涉及的显示技术、真实感绘制技术和三维注册技术进行了详细阐述。重点研究了基于自然特征点的增强现实三维注册算法及其关键步骤。(2)研究了基于自然特征点的三维注册算法复杂度并找到其速度瓶颈所在,再针对瓶颈部分进行可并行性分析及GPU加速实现。论文分别用传统GPU通用计算和基于CUDA平台两种方式加速算法中的瓶颈部分,给出了算法详细的设计和实现过程,并将两种实现与传统CPU实现进行比较,实验结果表明两种方法都获得了一定速度上的提升。最后给出了系统的具体实现过程,并对增强现实的发展进行了展望。