笔式交互是人机交互主要的方式之一,因其易于操作、便于携带等优点在电子产品、医疗、军事等领域具有重要价值。通过笔式交互,用户可以实现模式切换、平移、缩放等功能,丰富了用户的交互体验。而研究笔输入参数的交互性能的影响是笔式交互技术的重要工作。目前,接触式笔式交互中,对笔旋转角、笔倾斜角、笔方位角、笔压等输入参数交互性能的研究已取得了丰富的成果,然而受交互维度、交互区域的限制,降低了手操作的灵活度,严重影响了交互体验。随着对交互方式自然性需求的不断提高,三维笔式交互应运而生。三维空间笔式交互的出现,使人们不再拘泥于计算机桌前进行交互操作,距离作为一种可调节的交互方式,不仅可作为一种交互输入参数,同时会影响用户的感知可用性。因此,研究三维交互中,笔滚动角、方位角、距离等输入参数的交互性能有一定的意义和价值。本文在自主研发超声笔的基础上集成IMU,开发了一种基于IMU和超声波的三维笔定位跟踪系统,然后分别从姿态角和距离的笔式交互性能方面展开研究。旨在提高笔式交互的自然性,丰富用户交互体验。本文的主要贡献和创新性如下:(1)在自主研发的三维超声定位装置的基础上,集成IMU(Inertial measurement unit),开发了一种基于IMU和超声波的三维笔定位跟踪系统。通过互补滤波融合算法提高姿态角的检测精度。该方法以陀螺仪角速度为基准,通过加速度计输出的加速度数据对陀螺仪输出的角速度数据出现的漂移误差进行修正,实现数据融合。为笔式交互性能研究提供硬件平台。(2)提出一种基于姿态角中的滚动角的三维笔式交互技术。通过设计书写和绘画的交互实验,研究笔的俯仰角、航向角和滚动角在完成正常绘图和书写任务时无意识使用笔的角度范围,同时研究了惯用手对交互任务的影响,确定滚动角可用于有目的的交互任务。在此基础上,分析了用户控制笔滚动的能力,确定了可用于有目的交互的滚动角角度范围,提出了基于滚动角的交互技术。实验结果表明:1)用户在书写和绘画时的无意识使用滚动角的角度范围为[-20 20]°,°;2)确定滚动角可用于有目的的笔滚动交互的角度范围为-135°<D<-20°和20°<D<135°;3)用户在书写和绘画时不需要考虑实验者的惯用手。(3)提出一种基于距离的交互方式。为了尽可能减少超声测距精度对交互性能研究的影响,首先优化超声波测距精度,通过时间基准补偿和数字增益补偿方法分别对飞行时间的接收时刻和发射时刻进行补偿,仿真结果表明,补偿的误差分别为3us~11us和3us。以此为基础,在23.5英寸LCD显示器上,研究距离的交互性能,设计实验确定最佳的交互距离为900~1000mm。当然在不同尺寸的显示屏下,最佳交互距离可能不同,但研究距离交互性能的方法具有普适性。然后研究距离的缩放功能,实验结果表明在距离为1500mm,通过调整fieldofView视野角度放大交互场景,当fieldofView在59°~65°之间时,可以达到距离为1000mm,fieldofView=50°时的性能指标,即可以通过缩放交互场景改善交互性能。本文探索了姿态角和距离的笔式交互性能,提出一种基于姿态角中的滚动角的三维笔式交互技术,此技术可用于有目的的笔滚动交互的角度范围为-135°<D<-20°和20°<D<135°。提出一种基于距离的交互方式,确定最佳的交互距离,虽然在不同尺寸的显示屏下,最佳交互距离可能不同,但研究距离交互性能的方法具有普适性。