曾幾何時，能觸摸的 3D 全息圖還只是科幻電影中的想象場景，如今這一夢想已被科學家變為現實。西班牙納瓦拉公立大學（UPNA）的研究團隊在三維顯示技術領域取得重大突破，成功開發出首款可觸摸的 3D 全息圖，讓人們能夠通過手勢自然地與空中虛擬物體進行互動。

可觸摸 3D 全息圖的技術奧秘

傳統的體積顯示設備雖能在空氣中呈現 3D 圖像，但大多存在交互性不足的問題，且剛性擴散器在高速振蕩時可能因接觸人體而損壞或造成傷害。UPNA 團隊的創新之處在于用彈性擴散器取代了傳統的剛性擴散器，并精心測試了多種材料的光學和機械性能，解決了彈性材料變形帶來的圖像校正難題。

傳統的體積顯示技術（Volumetric Display）雖能在空氣中呈現立體圖像，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，沉浸感局限于視覺層面。
2. 剛性擴散器的隱患：傳統設備采用剛性擴散器（高速振蕩的薄片）投射圖像，但振蕩時若與人手接觸，可能導致設備損壞或人體劃傷，安全性與實用性不足。

UPNA 團隊的創新突破點在于顛覆擴散器材質 —— 用 彈性擴散器（Elastic Diffuser）替代剛性材質，并通過多學科技術融合，解決了光學成像與機械交互的雙重挑戰。

該設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散器上（每秒 2880 張圖像）。借助人眼的視覺暫留效應，在不同高度投射的圖像會被感知為一個完整的立體體積，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，實現如用食指和拇指捏住立方體進行移動和旋轉，或用食指和無名指模擬腿部在虛擬表面行走等操作，交互體驗自然直觀。彈性擴散器的技術革新：

1.材質與結構設計

研究團隊測試了多種彈性材料（如硅膠、彈性聚合物），篩選出兼具光學透明性（確保圖像清晰）與機械柔韌性（承受手指按壓不變形）的材料。最終采用的彈性擴散器厚度僅毫米級，可在高速振蕩（2880 次 / 秒）中保持穩定，同時允許手指接觸時發生可控形變。

2.動態圖像校正算法

彈性材料在受力時會發生形變，導致投影圖像扭曲。為此，團隊開發了實時圖像校正算法：

• 通過傳感器實時捕捉擴散器的形變數據；
• 利用機器學習模型預測形變對圖像的影響；
• 動態調整投影圖像的像素分布，抵消形變導致的失真，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

設備通過高速投影儀將二維圖像序列投射到彈性擴散器上，每秒投射2880 張圖像，配合擴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（Persistence of Vision），使連續的二維圖像在視網膜上融合為立體的三維體積圖像。這種技術無需佩戴 3D 眼鏡或頭盔，即可實現裸眼 3D 效果。

自然交互的實現：從手勢到觸覺反饋

1.直接手勢交互

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

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

2.觸覺反饋的隱性設計

盡管當前技術尚未提供物理觸覺反饋，但通過視覺 - 運動協同實現了擬真交互體驗：

• 彈性擴散器受壓變形時，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；
• 結合音效（如物體碰撞聲）增強交互沉浸感，形成多感官協同體驗。

廣泛的應用場景

這種可觸摸的 3D 全息圖在多個領域展現出巨大的應用潛力：

• 教育領域：能將復雜的機械結構以 3D 形式立體呈現，學生可以親手拆解和組裝發動機部件，讓抽象的知識變得觸手可及，極大地提升學習的直觀性和趣味性。
• 協同合作場景：無需佩戴虛擬現實頭盔，多個用戶可同時與空中的 3D 圖形互動，適用于遠程會議中共同討論設計方案、醫療團隊協作進行手術模擬等場景。
• 文化娛樂領域：在博物館中，參觀者可以直接走進并觸摸歷史文物的 3D 全息復制品，獲得更沉浸式的參觀體驗；在影視和游戲行業，也將帶來全新的交互敘事方式。

研究背后的力量

這項研究是 InteVol 項目的一部分，由 UPNA 領導，并獲得了歐洲研究委員會（ERC）的資助。研究團隊由 Elodie Bouzbib 博士等多位專家組成，他們的成果已在 HAL 平臺發表研究論文，相關視頻也在 YouTube 上發布。此外，團隊還將在 2025 年 4 月 26 日至 5 月 1 日于日本橫濱舉辦的 CHI 2025 會議上展示該研究，屆時微軟、Meta、蘋果、Adobe 等企業都將參會，共同探討交互技術和設備的最新進展。

可觸摸 3D 全息圖的誕生，標志著人機交互進入了一個全新的維度。隨著技術的不斷成熟，它有望像智能手機一樣融入我們的日常生活，在教育、醫療、娛樂、工業設計等領域掀起一場交互革命，讓曾經只存在于科幻作品中的場景成為日常。