三维图形技术是近年来发展迅速和受关注较多的技术之一,它是虚拟现实、实时仿真、数字娱乐等领域的基础。然而三维图形技术涉及到许多专业知识和算法,直接应用3D APT开发三维应用程序难度很大。三维引擎就是通过封装底层操作,给开发人员提供一个清晰的软件框架,提高三维应用程序开发效率。目前我国三维图形引擎技术还很薄弱,大部分都引进国外引擎,因此对它的研究变得十分有意义。一个完善的三维引擎都要包括对场景的模拟,场景的模拟可分为室内场景模拟和室外场景模拟,室外场景模拟主要是指自然场景的模拟,自然场景的模拟也是图形学中难点之一。本文通过一个三维引擎的具体实现,研究了三维引擎设计的一些关键技术,并将其应用到一个三维场景漫游程序的实例中,取得了较好的效果。研究成果主要表现在三个方面:1.结合软件工程模块化的思想,设计并实现了基于GPU渲染的图形引擎框架,引擎主要包括场景管理模块、资源管理模块、渲染管理模块、输入输出模块、数学方法库、GUI模块,可以较方便的开发3D应用程序。2.深入分析GPU渲染管道的原理,结合3D API的渲染机制,在管理渲染状态和渲染批次提交方面对引擎进行优化,提高了渲染效率。3.为三维引擎设计并实现了一些自然场景模拟常用的类库,主要包括地形生成、天空大气和云层模拟、水模拟、草地模拟,对其中一些模拟算法进行了改进。