实物用户界面是一种新的3D界面，为其研究和开发高可用的交互技术是这一领域的研究重点之一。目前，很多科研机构和高校已经在实物界面领域展开了广泛的研究，但是，通过总结已有的研究工作可以发现，在现有的硬件技术条件下进行基于实物界面的3D交互设计还存在许多亟待解决的问题，例如，现有的增强实物界面技术通常受到可用实物数目和工作空间的限制，很难使用有限的实物进行复杂的交互任务；此外，如何实现用户与真实世界和虚拟世界的无缝交互也是一个尚处于研究阶段的重要问题。为此，本文对实物用户界面中的若干技术问题进行创新性研究，以期对解决实物界面环境下的人机交互问题起到积极作用。　　 本文对实物界面构件(物理界面元素)的语义进行有效的设计和分类，构建出完备的实物标记分类系统，解决了桌面增强实物界面中可操作实物数目受限的问题。指定与这些界面元素关联的操作方法及它们所能完成的交互任务(即指定界面元素的交互语义和约束信息)，并给出物理空间与虚拟空间及操作空间之间的映射关系。基于上述分析讨论，建立了桌面增强实物界面的界面框架。　　 此外，本文对桌面增强实物界面中的交互任务和交互技术进行分类，并通过设计新的交互技术或复用已有的技术实现了各种交互功能，在一定程度上实现了物理空间与虚拟空间的无缝交互。例如，设计动态比例空间技术，复用paddle技术、双手交互技术，解决了桌面增强实物界面中交互空间受限的问题，同时，增强了用户与复杂场景中远距离、小比例模型的交互能力。为解决面向大场景的复杂交互中可操作实物数目受限的问题及多任务情况下的用户认知负担问题，引入时空复用的交互技术。　　 在此基础上，本文面向场景规划和物理教学应用，设计并实现了实物场景规划系统—TSPS和交互式水波模拟系统—12WS。与传统的场景规划系统相比，TSPS不仅能实时地生成三维结果，而且实现了更友好的人机交互方式，设计人员能够利用熟悉的操作方式和认知习惯进行更直观、更自然的交互。12WS不仅把复杂的物理现象生动、形象地再现出来，而且提高了学生的参与度，对物理教学过程起到良好的辅助作用。