数字娱乐是近年来计算机学科一个迅速发展的领域。它结合了计算机图形学、虚拟现实、人工智能、网络通信等多项计算机技术,向用户提供逼真、生动、有趣的体验。数字娱乐产业作为一个新兴的文化产业,近年来在全球发展迅猛,而数字娱乐核心技术,不仅是这个产业的技术支柱,更可以广泛应用于国防安全、文化教育、工程设计等各个重要部门,对精神文化和国民经济的发展有着重要意义。数字娱乐产业目前在世界发达国家发展迅猛,已经成为文化产业的主导之一,相关核心技术已经过了十数年的快速发展。目前数字娱乐产业作为我国大力扶植的新兴绿色产业,迫切需要自主相关核心技术的支持。国内学界虽然在计算机图形学、虚拟现实等相关领域已经具备了一定的研究基础,但仍缺乏系统、完善和可应用于产业应用的研究成果。本文基于现实中的数字娱乐产业项目工作,将数字娱乐相关技术进行有机地结合,对数字娱乐软件系统进行了科学、完善地设计构造,并对所涉及的各具体技术方面提出了卓有成效、极具实际应用价值的实现方法。本文主要创新点有如下几个方面:第一,设计并实现了数字娱乐软件系统的中间件模式和系统扩展机制,建立了完整的中间件程序开发框架和应用部署机制,该方法可便捷的实现任何第三方技术与本文工作成果的集成,既提升了本文工作成果的扩展性和通用性,同时又为搭建松散耦合、功能完备的大规模数字媒体技术开发平台提供了重要的支撑。第二,提出并实现了基于渲染循环灵活控制的通用3D渲染系统框架,并用全新或改进的方法对天空绘制、光影绘制、地形系统等3D场景功能模块进行了有效的设计实现,可支持类型广泛的3D数字媒体技术应用。在实现完备图形绘制功能的基础上,针对各种应用提供了灵活的渲染循环二次开发封装模式,建立了通用的3D图形模块框架。第三,针对大场景3D实时渲染技术难题,提出并实现了三层通用优化渲染模型,针对场景级、模型级和GPU数据流级三个层次进行渲染优化,对现有各种渲染优化技术进行了创新性的改进和集成。包括应用改进的层次化硬件遮挡查询来进行可视化裁剪;应用金字塔型栅格来对模糊物体进行可视化裁剪,以及一个全新的优化模型网格排列的算法,等等。第四,在场景管理、人工智能、物理仿真等辅助技术进行了有效的开发集成。在实现相关核心技术的基础上,针对各种应用进行了二次开发封装,建立了通用的3D数字媒体引擎框架和基础软件工具包。最后,以多个实际产业应用中的项目案例,来对本文工作的系统性、有效性进行验证,从不同类型的现实应用项目,体现了本文工作的通用性和实用性价值。