人机(计算机)交互(Human-Computer Interaction)系统包括人、计算机输入、输出设备及其相应人机界面(Human-Computer Interface)。随着个人计算机的普及，人机交互采用更加自然的交流方式，即实现拟人化，这是人机交互系统的最新发展方向。人的一个手指就能够在三维空间的六个自由度上运动，但与之对应的输入设备——鼠标和键盘，在本质上分别只能采集一个和二个自由度的信息。显然提高输入设备的自由度是迫切需要的。目前市场上的各类手写板、游戏操纵杆只是进行了局部的改进，不能实时采集三维空间的六自由度信息。为此本文针对一种笔式三维人机交互系统进行了研究。主要的工作有：第一，分析交互系统所要实现的功能及性能指标，并给出了模型。然后，建立了一种笔式三维交互设备的概念模型，即笔杆的空间位置姿态通过机械跟踪转换成六个编码器转角值。给出了根据转角计算笔杆三维坐标的数学模型，并用C语言实现算法加以验证。第二，运用计算机图形学理论，结合OpenGL图形库，实现了三维场景和一只铅笔的几何模型，并且利用纹理映射技术使场景更加丰富。为了增强虚拟环境的真实感，在场景中加入了光照、阴影以及融合效果。第三，研究了三维动画生成技术，采用双缓存机制实现动画的显示，从而达到实时交互的目的。最后用二自由度机械跟踪器、DSP数据采集器、蓝牙通信模块、PC机以及研制的界面软件，组建了研究试验环境，对所设计的三维人机交互系统进行了综合性的测试，并进行了改进。最终的结果表明：系统具有良好的实时性，并且用户界面支持虚拟铅笔在六个自由度方向上的运动。