随着计算机硬件性能的提升,游戏、影视、动画等行业中的各种图形应用软件功能越发完善,其渲染出来的场景在真实度和复杂度上都在不断进步。然而,软件结构复杂度的提升导致了开发周期和开发难度呈几何增长。图形引擎作为当前大型图形应用的核心,无论是在优化软件结构还是在降低开发难度上都有着极其重要的作用。针对此现状,论文首先介绍了一个面向大型图形应用软件的图形引擎架构的设计方案和实现细节。此外,本文还针对当前户外大规模自然景观实时渲染这一热点领域,着重研究了大规模草本植被实时渲染的算法和相关实现。首先,论文借鉴已有的研究成果,将图形引擎技术、软件工程和软件设计模式的理论原理充分应用到实践过程中,从具体需求入手设计和实现了一个面向大型图形应用软件开发的图形引擎Gingko。Gingko是一个完全自主研发的、面向对象并且易于扩展的引擎架构。与流行的大型开源游戏引擎,如:OGRE、OSG等相比,Gingko除了具备场景管理、渲染管理、资源管理、消息机制等重要功能之外还实现了一种易于用户进行简单功能扩展的架构模式。通过该架构,用户一些独特的功能扩展需求可以很方便的实现而不必依赖编写插件这类复杂的过程。此外,针对当前图形应用强调的真实感渲染和流行的GPU编程模式,引擎在设计之初便采用了适合流式渲染的架构可自然地契合GPU编程的优化和管理。其次,本文研究了大规模草本植被渲染的算法和相关实现。在大规模草本植被的渲染中,如何兼顾渲染真实感和渲染效率一直是研究的热点领域。本文在第四章中对近20年来在大规模草本植被场景渲染领域的各项研究成果做出了详细的介绍、归纳和总结。同时,在草体几何的建模领域中,论文讨论了一种基于2D草图勾勒和3D变形的建模方法。与其它几何建模相比,该方法在真实感和草体交互动画方面有较大的优势。此外,我们在课题研究过程中实现了一个基于Gingko图形引擎基础上的大规模草本植被渲染系统,并在本文的第五章中对其进行了详细的介绍和讨论。最后,本文对当前图形学发展的方向和户外真实感场景渲染的领域进行了展望,并针对图形技术应用的发展趋势提出了一些值得深入研究的方向。