直接体绘制(Direct Volume Rendering)是三维数据场可视化的核心技术之一和主要研究方向。由于其无需借助几何图元而直接由三维数据场生成高质量的二维图像，绘制结果能够反映完整的三维数据信息，因而近年来得以广泛的应用于医学/天体物理/流体动力学/有限元分析/军事/娱乐等领域。但同时体绘制主要缺点是计算量大，生成图像速度慢。所以如何在保证图像质量的情况下，提高绘制速度成为制约体绘制技术进一步发展的主要难题。 本文在分析体绘制原理的基础上，研究并实践了体绘制中最具代表性的光线投射法。通过深入挖掘光线投射算法基本原理和流程，发现体数据的梯度矢量作为数据分类和明暗计算的参数，对高质量的体绘制算法至关重要。因此，本文首先优化了光线投射法的流程。将梯度估算模块独立到数据预处理部分，并把模块输出的梯度矢量作为体数据的一部分输入到体绘制流程中。这样不但减少了遍历体数据的次数/提高了绘制速度，而且便于我们实现和改进梯度估算算法。其次实现了现有几种梯度估算算法，并通过构造势函数对它们进行改进。当前梯度估算算法最大的问题是在绘制时间和图像质量之间无法取得较好的平衡，本文构造一个三阶B样条势函数对梯度估算模块进行了改进并给出公式推导过程，通过横向比较，显示改进的梯度估算算法在图像质量和绘制速度之间取得了良好的平衡。