中文摘要：

传统笔式设备由于仅依赖于笔尖在手写板上的位置信息来实现输入而使得笔的输入能力相对薄弱。本课题以提高笔的输入能力和笔在界面设计中的自然性和易用性为目的，通过扩展和利用其它输入通道（笔压、笔倾斜角、笔方位角和笔旋转角），使笔具有包括二维的笔尖位置信息(X, Y)在内的6自由度输入能力。通过实证研究手段，本项目对通道合理值域区间，通道区间的离散化，用户使用各通道的能力，各通道之间的相关性和通道增加对输入性能的影响进行研究，提出基于压力和角度的多自由度笔式交互策略和通道融合算法，给出合理使用各通道的具体应用环境，进而提出面向特定任务的多自由度笔式交互模型。本项目是首个同时包含笔压、笔倾斜角、笔方位角、笔旋转角的多自由度笔式交互研究，不仅对于笔式界面和笔式设备的设计具有重要的基础性指导作用，对促进开发高效、自然的笔式交互技术具有重要的意义，而且丰富了笔式交互的研究内容，并可能带动一系列相关研究。

结论摘要：

针对笔式设备输入能力薄弱的问题，结合笔式设备的固有属性和人的用笔规律，扩展了笔式设备的输入通道，使笔压、笔倾斜角、笔方位角和笔旋转角以及笔管挠动和笔管敲击都可以作为输入方式；设计了能够识别笔管上的挠动和敲击动作的电子笔；通过静态和动态两个方面考察了笔各输入通道的有效值域区间，揭示了用户在绘画和书写不同内容、大小、位置、结构的符号时通道值的分布规律，发现笔各通道值分布符合正态分布；针对受控和非受控两种情况研究了人对笔各输入通道的控制能力，得出了使用笔压、笔倾斜角、笔方位角完成点击任务时遵循Fitts定理的结论；发现了利用笔倾斜角完成目标选择任务时，选择时间与目标宽度的幂指数关系（MT = a*W^b）；揭示了使用笔方位角完成输入时正方向的综合性能要显著优于斜方向；实证地研究了笔的各输入通道之间的相关性，并分析了不同的相关性与人手结构、用笔方式和任务类型之间的关系；考察了同时使用的笔输入通道量增加时用户的认知负载和对输入性能产生的影响，给出了除笔尖的坐标量以外，用户同时使用的额外笔输入通道量不超过2的建议；从通道值离散化、双向性、运动/视觉反馈、循环周期性、目标获取方式等角度综合对比了笔各输入通道的特性，并给出了各输入通道的最舒适操作区间，提出了多自由度笔式交互中的通道融合策略。基于压力和角度的多自由度笔式输入，提高了笔的输入带宽，为用户提供了自然直观的操作效果，获得了更加人性化的用户体验。本项目首次提出了多自由度笔式交互的概念，丰富了笔式交互的研究内容；项目工作和研究结论对于笔式界面和笔式设备的设计具有基础性指导作用，对促进开发高效、自然的笔式交互技术具有理论和实际意义。