近些年来3D数据的应用得到了极大的发展，尤其是像游戏、计算机辅助设计等应用的普及使得人们在享受这些应用来到的方便绚丽的同时也开始慢慢关注这些3D数字技术背后的支撑技术，越来越多的开发者也开始投身到3D应用程序的创业浪潮当中。然而开发一个3D程序并不是一件简单的事，应用开发者往往在代码的简洁性和程序的高效性上难以两者兼顾。这时有一个应用程序和底层系统资源中间的桥梁--渲染引擎就显得非常地有必要。目前市场上包括商业的、开源的渲染引擎也不少，但现实是程序开发者在开发中仍然会碰到等各种各样的问题，尤其是性能问题。这其中一个很重要的原因就是这些引擎本身也没有很好有效的利用资源，尤其是图形处理器(GPU)资源。本文将从基于GPU的渲染中数据读写效率入手，研究了如何实现一个高效、充分利用GPU性能的3D渲染引擎。与传统的3D渲染引擎相比，它的特点及创新点体现在：第一、在物体模块中介绍了一种新的物体单元即批物体单元。这种单元的原理在于将一些具有共同特性的物体一起捆绑送入GPU中渲染，较常用的简单单元比起来这种单元能减少对GPU调用，提升渲染性能。第二、在纹理模块上本文介绍了一种纹理集的概念，即当物体材质上的参数都相同仅纹理不同时，可以将各纹理合并到一张大纹理上，连同材质一并送入GPU，这样可以减少GPU从磁盘载入纹理的时间。第三、在渲染器模块上本文主要介绍了一个对物体排序的思想，这里排序包括两种：以材质排序和以物体距视觉观察点的远近排序，其目的也都是为了减少不必要的GPU操作，以提高性能。第四、在选取系统中本文提出了一种基于GPU新的选取算法，这种算法特点在于利用了GPU的渲染能力来替代传统选取算法中的求交运算，在效率上有较大提升。最后本文针对上述的的优化方案进行了测试，结果显示优化后比优化前渲染效率有明显改善。