随着计算机软硬件技术的发展和应用需求的增加,目前占据主流地位的WIMP界面的缺点也日益体现出来。交互带宽的限制、复杂的操作语法和小屏幕效应等成为阻挠其继续发展的主要障碍。90年代以来,研究者们提出了下一代用户界面的思想,作为其中的一种主要界面形式,三维用户界面以其自然、直观等特点受到了人们的重视。维度的增加给用户界面带来了质的变化,三维用户界面研究中的交互范型、界面隐喻、交互技术、开发工具等都没有一个统一的原则可循。它和其它学科的交叉也使这种界面的构造面临种种困难。目前,三维用户界面的研究大多数集中在交互技术的设计方面,在提高用户性能上缺乏对人类本身特点的利用和空间线索的挖掘,更没有一个完整的系统的开发工具。可以说三维用户界面的研究还处在起步阶段,本文即在这样的背景下来进行桌面环境下的三维用户界面和三维交互技术的研究。 从目前的技术背景和用户界面的发展来看,三维用户界面要走向实用必须借助于主流交互环境的支持。为了研究通用的、大众化的三维用户界面,本文选取了桌面环境作为其研究环境,使用目前主流的交互设备来开展研究工作。 本文分析了三维用户界面的主要特征和层次模型,从两个研究角度深入讨论了双手交互和笔式三维交互技术,提出了三维用户界面开发工具的软件架构,并实现了几个典型的原型系统。这些内容涵盖了三维用户界面的理论、方法和实现等方面,是三维用户界面研究的基础工作。 在理论层次上,本文首先分析了三维用户界面的主要特征:多维性、连续性和隐含性,并分析了其层次模型。这些基础理论有助于我们发现三维用户界面的本质并为构造开发工具提供理论指导。在方法层次上,本文对三维交互技术进行了分类讨论,重点分析了两大类三维交互技术:场景漫游和对象操纵。从任务分析、任务分类到交互技术设计原理进行了深入细致的分析。总结了主流三维交互技术的适用性并给出了几个初步的设计准则。基于这些讨论本文提出了两种提高交互技术自然性的研究思路:一种是从对人类自身特点尤其是行为特点出发进行双手三维交互的研究;一种是从现实中的空间线索出发进行笔式三维交互研究。