增强现实环境下的3D画线交互与3D目标选择交互是三维目标自然交互中两大经典研究任务。画线交互是增强现实中内容创作的重要组成部分,也是促进与三维目标自然交互的重要手段。然而,目前三维目标画线交互的手段单一以及所采用的交互设备距离受限、环境受限,因而制约画线任务的自然交互。本文提出一种新的解决方法,旨在设计并且实现一种全新的便携式输入设备,能够在AR场景中提供基于笔式的交互,称之为“魔笔”。它是通过一组用户佩戴的超声波接收器和一个嵌入笔形装置的超声波发射器实现。与此同时,该AR原型系统通过一系列超声波信号处理,实时跟踪笔的空间位置,在AR环境中进行各种画线交互。根据Steering Law指导原则,对魔笔的画线交互性能进行评价,魔笔表现优秀,得到用户一致高度评价。最后探讨利用魔笔绘制草图、建立模型、操纵三维物体等与AR交互的设计空间,为未来的三维交互设计提供指导原则和启示。与此同时,考虑到增强现实环境下的3D目标选择交互问题,包括远、小目标选择问题,三维遮挡问题,密集目标选择问题和批量选择问题等。本文又提出一种新的三维目标选择技术,应用于头戴式显示器上的增强现实系统,称之为PhoneCursor技术。PhoneCursor是基于智能手机陀螺仪与加速度计并且结合三维物体到二维图像平面的映射机制和逐步细化的设计原则而设计的。通过ISO9241-9标准选择实验,将PhoneCursor技术与目前广泛使用的、性能良好的基于头部运动的选择技术进行比较。结果表明,PhoneCursor技术在选择时间和吞吐量方面都优于传统的技术。最后本文还提出并且实现一些应用,以展示在AR场景中使用PhoneCursor技术的潜力,为未来与AR交互提供一种可选择的交互方式。