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本文的研究工作主要围绕一种新型的基于手绘草图的三维CAD技术开展，它旨在引入全新的基于手绘草图的人机交互方式，使三维CAD系统能够更好地支持面向创新思维的概念设计，从而全面改进三维CAD系统的功能，使之成为真正以用户为中心的系统。 实现基于手绘草图的三维CAD系统的关键是设计一个自然、合理、高效的草图语义表达与获取框架，它主要着眼于解决用户在做什么和在哪里做这两方面的问题。本文详细地讨论了草图语义表达和获取框架的设计思路和实现方法，并进一步研究了二维手绘草图联机识别、手势的设计与识别等相关问题的解决方案。 结合本文的研究工作，一个原型系统被初步开发完成，该系统以一枝手写笔和一块手写板为交互输入设备，能够较自然高效地进行一些复杂的三维实体和三维场景设计。本文还通过该原型系统与目前主流的三维CAD系统solidWorks的融合实践，初步探讨了传统三维CAD系统发展成为新一代的基于手绘草图的三维CAD系统的可能性。