随着计算机技术的发展以及各传统学科领域研究的深入，用计算机技术去提高和改善传统学科的研究效率和方法成为计算机应用技术领域研究的一大课题。其中，由于三维可视化对数据展示的直观性和普适性，使得该技术可以帮助专家方便的观察科研数据、快速改进模型，因此成为了各学科专家青睐的辅助技术。然而，面对不同的学科方向，其需要的可视化方法和效果又不尽相同，需要针对各学科的需求，为科学研究者定制部分甚至一套软件去支持他们的研究。这就需要整体上有一个较好的三维可视化应用框架来指导软件的设计与开发，一方面可以保证软件的灵活鲁棒性，另一方面使开发者集中精力研究具体需求的解决方案。　　本文通过结合VTK、ITK、3DMed和MITK四个可视化工具包的结构，总结设计出来一个较为通用的三维可视化框架。该框架从三维可视化应用角度出发，独立于具体学科领域，通过分层模块化的设计思想来解耦软件中复杂功能的依赖，以此来指导具体可视化软件的设计。接着，本文介绍了两大核心部件的实现细节，体渲染技术和体数据分割技术，希望指导对这两大核心部件有特殊要求的应用进行定制开发，实现高于标准质量的体渲染以及基于图理论的分割技术。最后，从理论指导实践的角度讨论了磁约束核聚变模型和医学义眼CT数据可视化这两个具体软件的设计与实现，以及体渲染技术和体数据分割技术分别在这两个软件中的应用。磁约束核聚变模型可视化软件实现了较高质量的复杂磁场的可视化，医学义眼CT数据可视化软件则实现了较好的义眼组织交互分割功能。