曾幾何時(shí)，能觸摸的 3D 全息圖還只是科幻電影中的想象場(chǎng)景，如今這一夢(mèng)想已被科學(xué)家變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。西班牙納瓦拉公立大學(xué)（UPNA）的研究團(tuán)隊(duì)在三維顯示技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，成功開發(fā)出首款可觸摸的 3D 全息圖，讓人們能夠通過手勢(shì)自然地與空中虛擬物體進(jìn)行互動(dòng)。

可觸摸 3D 全息圖的技術(shù)奧秘

傳統(tǒng)的體積顯示設(shè)備雖能在空氣中呈現(xiàn) 3D 圖像，但大多存在交互性不足的問題，且剛性擴(kuò)散器在高速振蕩時(shí)可能因接觸人體而損壞或造成傷害。UPNA 團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于用彈性擴(kuò)散器取代了傳統(tǒng)的剛性擴(kuò)散器，并精心測(cè)試了多種材料的光學(xué)和機(jī)械性能，解決了彈性材料變形帶來的圖像校正難題。

傳統(tǒng)的體積顯示技術(shù)（Volumetric Display）雖能在空氣中呈現(xiàn)立體圖像，卻受限于兩大核心問題：

1. 交互性缺失：商用原型（如 Voxon Photonics 產(chǎn)品）僅能 “觀看” 而無法 “觸摸”，用戶無法直接用手與虛擬物體互動(dòng)，沉浸感局限于視覺層面。
2. 剛性擴(kuò)散器的隱患：傳統(tǒng)設(shè)備采用剛性擴(kuò)散器（高速振蕩的薄片）投射圖像，但振蕩時(shí)若與人手接觸，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或人體劃傷，安全性與實(shí)用性不足。

UPNA 團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新突破點(diǎn)在于顛覆擴(kuò)散器材質(zhì) —— 用 彈性擴(kuò)散器（Elastic Diffuser）替代剛性材質(zhì)，并通過多學(xué)科技術(shù)融合，解決了光學(xué)成像與機(jī)械交互的雙重挑戰(zhàn)。

該設(shè)備的工作原理是通過高速投影儀將圖像同步投射到快速振蕩的彈性擴(kuò)散器上（每秒 2880 張圖像）。借助人眼的視覺暫留效應(yīng)，在不同高度投射的圖像會(huì)被感知為一個(gè)完整的立體體積，從而形成懸浮在空中的 3D 圖形。更令人驚喜的是，用戶可以直接用手抓取、拖拽這些虛擬物體，實(shí)現(xiàn)如用食指和拇指捏住立方體進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，或用食指和無名指模擬腿部在虛擬表面行走等操作，交互體驗(yàn)自然直觀。彈性擴(kuò)散器的技術(shù)革新：

1.材質(zhì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了多種彈性材料（如硅膠、彈性聚合物），篩選出兼具光學(xué)透明性（確保圖像清晰）與機(jī)械柔韌性（承受手指按壓不變形）的材料。最終采用的彈性擴(kuò)散器厚度僅毫米級(jí)，可在高速振蕩（2880 次 / 秒）中保持穩(wěn)定，同時(shí)允許手指接觸時(shí)發(fā)生可控形變。

2.動(dòng)態(tài)圖像校正算法

彈性材料在受力時(shí)會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致投影圖像扭曲。為此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了實(shí)時(shí)圖像校正算法：

• 通過傳感器實(shí)時(shí)捕捉擴(kuò)散器的形變數(shù)據(jù)；
• 利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)形變對(duì)圖像的影響；
• 動(dòng)態(tài)調(diào)整投影圖像的像素分布，抵消形變導(dǎo)致的失真，確保用戶看到的虛擬物體始終保持幾何精度。

3.高速投影與視覺暫留原理

設(shè)備通過高速投影儀將二維圖像序列投射到彈性擴(kuò)散器上，每秒投射2880 張圖像，配合擴(kuò)散器在垂直方向的高速振蕩（模擬不同高度的投影平面），利用人眼的視覺暫留效應(yīng)（Persistence of Vision），使連續(xù)的二維圖像在視網(wǎng)膜上融合為立體的三維體積圖像。這種技術(shù)無需佩戴 3D 眼鏡或頭盔，即可實(shí)現(xiàn)裸眼 3D 效果。

自然交互的實(shí)現(xiàn)：從手勢(shì)到觸覺反饋

1.直接手勢(shì)交互

用戶可通過手部動(dòng)作與空中全息圖進(jìn)行 “穿透式交互（Reach-Through Interaction）”：

• 抓取與旋轉(zhuǎn)：用食指和拇指捏住虛擬立方體，通過手部旋轉(zhuǎn)動(dòng)作改變物體方向；
• 拖拽與縮放：手指接觸虛擬物體后拖動(dòng)，或通過雙指開合調(diào)整物體大小；
• 多點(diǎn)觸控：同時(shí)用多個(gè)手指模擬復(fù)雜操作，如用食指和無名指 “行走” 在虛擬平面上，控制虛擬角色移動(dòng)。

2.觸覺反饋的隱性設(shè)計(jì)

盡管當(dāng)前技術(shù)尚未提供物理觸覺反饋，但通過視覺 - 運(yùn)動(dòng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)了擬真交互體驗(yàn)：

• 彈性擴(kuò)散器受壓變形時(shí)，虛擬物體的視覺反饋同步變化（如被按壓的虛擬球體表面凹陷），利用視覺暗示讓用戶感知 “觸摸” 的力度與位置；
• 結(jié)合音效（如物體碰撞聲）增強(qiáng)交互沉浸感，形成多感官協(xié)同體驗(yàn)。

廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景

這種可觸摸的 3D 全息圖在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力：

• 教育領(lǐng)域：能將復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)以 3D 形式立體呈現(xiàn)，學(xué)生可以親手拆解和組裝發(fā)動(dòng)機(jī)部件，讓抽象的知識(shí)變得觸手可及，極大地提升學(xué)習(xí)的直觀性和趣味性。
• 協(xié)同合作場(chǎng)景：無需佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，多個(gè)用戶可同時(shí)與空中的 3D 圖形互動(dòng)，適用于遠(yuǎn)程會(huì)議中共同討論設(shè)計(jì)方案、醫(yī)療團(tuán)隊(duì)協(xié)作進(jìn)行手術(shù)模擬等場(chǎng)景。
• 文化娛樂領(lǐng)域：在博物館中，參觀者可以直接走進(jìn)并觸摸歷史文物的 3D 全息復(fù)制品，獲得更沉浸式的參觀體驗(yàn)；在影視和游戲行業(yè)，也將帶來全新的交互敘事方式。

研究背后的力量

這項(xiàng)研究是 InteVol 項(xiàng)目的一部分，由 UPNA 領(lǐng)導(dǎo)，并獲得了歐洲研究委員會(huì)（ERC）的資助。研究團(tuán)隊(duì)由 Elodie Bouzbib 博士等多位專家組成，他們的成果已在 HAL 平臺(tái)發(fā)表研究論文，相關(guān)視頻也在 YouTube 上發(fā)布。此外，團(tuán)隊(duì)還將在 2025 年 4 月 26 日至 5 月 1 日于日本橫濱舉辦的 CHI 2025 會(huì)議上展示該研究，屆時(shí)微軟、Meta、蘋果、Adobe 等企業(yè)都將參會(huì)，共同探討交互技術(shù)和設(shè)備的最新進(jìn)展。

可觸摸 3D 全息圖的誕生，標(biāo)志著人機(jī)交互進(jìn)入了一個(gè)全新的維度。隨著技術(shù)的不斷成熟，它有望像智能手機(jī)一樣融入我們的日常生活，在教育、醫(yī)療、娛樂、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域掀起一場(chǎng)交互革命，讓曾經(jīng)只存在于科幻作品中的場(chǎng)景成為日常。