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作为波动光学领域的经典现象，衍射和干涉是光的波动性的主要标志之一，并广泛存在于彩色光盘、彩虹状的肥皂泡和光彩熠熠的蝴蝶等自然场景中。在计算机渲染的图像中加入这些效果，不仅可以增强图像的真实感，也可以丰富入眼的视觉体验。本论文针对现有基于几何光学的光线追踪器缺乏波动效果绘制能力的问题进行研究，将物理光学中的幅值与相位引入到光线追踪器中以实现衍射和干涉效果，增强彩色效果的真实感绘制功能。其主要贡献如下: (1)针对因光线追踪器系统缺乏对光波相位有效描述而使光学衍射效果真实感绘制难的问题，提出一种基于基尔霍夫方程的微表面衍射效果绘制方法。该方法融合了现有衍射绘制模型的特点，并结合特定材质的可变菲涅耳系数以增强衍射效果，再通过综合考虑微表面对光子的吸收、遮挡、再反射等交互场景以扩展高度场微表面的适用范围。为了降低计算复杂度，采用蒙特卡罗采样理论求解波动方程积分式，辅以几何光线追踪理论，求取微表面辐射度空间分布。最终以光的波动方程为基础，构建出可应用于光线追踪器的微表面衍射效果绘制模型，可有效地模拟波的相位与幅值变动以绘制出较为逼真的衍射效果。 (2)为了进一步增强具有规则周期性微观结构物体的衍射效果绘制能力，提出一种基于惠更斯-菲涅尔理论的光栅衍射效果绘制方法。不同于基尔霍夫衍射模型，该方法不需预先获取场景和衍射表面轮廓的细节信息，直接应用光栅方程判定特定方向起主要作用的波长，并构造可应用于双向反射分布函数的连续函数以模拟来自光栅的透射或反射光生成的波动效果。该方法简单高效，能较容易的融入到光线追踪器中，提高光栅衍射效果渲染效率。 (3)针对多次反弹的衍射效果真实感绘制较难的问题，提出一种基于维格纳分布函数的多次反弹衍射效果绘制方法。该方法利用维格纳分布函数可以同时在空间和频率域描述光波的能力，揭示其与几何光学的联系。与此同时，维格纳分布函数的光谱值含有负系数，而光线追踪器中光子映射算法允许负值存在，因此该方法充分利用现有光线追踪器构造相位间接计算的双向反射分布函数逼真地模拟多次反弹后的衍射效果。 (4)针对在光线追踪器中绘制多层薄膜结构对象如肥皂泡、光学透镜及光学滤波器等的干涉效果较难的问题，提出一种全光谱多层薄膜干涉效果绘制方法。通过引入多光束干涉方程，该方法可有效模拟光在薄膜内部的多次反射和透射，并计算多层薄膜混合反射比和透射比以模拟与干涉相关的光幅值与相位变动。其中，菲涅耳系数被引入以解释薄膜材质引起的光子吸收，微表面因子被应用于模拟因薄膜粗糙表面引起的各向同性和各项异性等复杂的光学效果，拓展了已有薄膜模型的绘制功能。该方法被融入于基于几何光学的光线追踪器中，增强了干涉效果绘制功能，并可较好地应用于动画制作中。 (5)针对蝴蝶彩色效果真实感绘制难的问题，提出一种适用于光线追踪器的蝴蝶彩色效果绘制方法。该方法首先根据蝴蝶表面脊突结构构造多层薄膜模型，然后利用薄膜干涉方程模拟光在薄膜内部的多次反射、透射形成的混合散射特性。其中，菲涅耳公式被应用于解释反射波的幅值变化，微表面散射因子被创造性的引入以模拟蝴蝶粗糙表面的各向异性特性。最后，通过全波长光谱建模增强干涉效果。在此基础上，将该算法与光线追踪演染框架相结合，构建了可应用于光线追踪器的蝴蝶彩色效果绘制方法以有效地模拟蝴蝶翅膀表面光的幅值和相位变动。 (6)针对光线追踪器生成波动效果图像耗时长及不能有效绘制孔隙产生的衍射效果的问题，提出一种基于GPU的加速绘制方法，并设计了一个简化光线追踪模拟器。其中，基于GPU的加速绘制方法实现夫琅禾费衍射方程的傅里叶变换以绘制孔隙衍射效果，并相继获得CPU下的绘制结果，验证其计算高效性。所设计的简化模拟器首先获取光源、衍射缝隙和成像平面的参数配置，然后根据维格纳分布函数与几何光线角度之间的关系，预计算光谱角度分布值，最后进行光线追踪并计算成像平面光谱累加值以有效绘制单缝和双缝等缝隙生成的衍射效果。