近年来,伴随着虚拟现实、多媒体技术的不断进步,体感交互成为一种热门的人机交互方式,被广泛应用在工业仿真、虚拟教学、虚拟漫游等各个领域,把人与计算机的交互方式变得更加自然与丰富。其中Leap Motion作为一款采用手势进行交互的体感设备,通过计算机视觉识别技术能够实现自然手势的采集、特征的提取以及用户需求的反馈。系统框架与设计方法是人机交互系统设计的基础保障,然而目前基于Leap Motion的虚拟系统设计往往围绕功能和技术为研究中心,缺少一个通用有效的手势交互系统设计框架和设计方法。本文针对Leap Motion的人机交互系统特点进行分析,旨在以系统操作者为研究视角,从人的情境感知和以用户为中心的设计原则考虑,提出手势交互系统的设计框架和设计方法,将其运用在虚拟场景的交互设计中,提高手势交互技术在虚拟场景应用的可行性。本论文主要研究工作包括:(1)分析了基于Leap Motion手势交互系统的人机交互特性,概括了基于Leap Motion的手势设计原则,在此基础上设计了面向虚拟场景的手势交互系统设计框架;(2)针对系统设计框架提出了面向虚拟场景的手势交互系统的设计策略,其包括:交互信息的集成策略、手势感知的交互信息驱动以及对象交互行为管理;(3)基于用户心智模型理论提出了系统交互手势的设计方法,并结合虚拟场景的特点,提出了通过特征集合描述虚拟手势的方法,提高了手势交互功能的开发效率;(4)基于传统Web3D虚拟博物馆界面交互功能和任务,将前文提出的系统设计框架与设计方法应用在系统的设计中,并利用Unity3D和Leap Motion开发了一款运用手势交互的虚拟博物馆,对系统进行测试验证了本文提出的设计框架和设计方法的可行性。经过测试验证本课题提出的设计框架和设计方法能有效指导整个虚拟场景的交互设计,提高了系统手势交互过程的体验,对相关手势交互系统的开发具有指导性。