你是否曾幻想擁有《鋼鐵俠》電影中托尼·斯塔克的實(shí)驗(yàn)室？他只需在空中揮揮手，就能將復(fù)雜的三維設(shè)計(jì)圖拆解、旋轉(zhuǎn)、組合，看上去十分酷炫。 

《鋼鐵俠》劇照

這些存在科幻電影中的場景現(xiàn)在已觸手可及。近日，由西班牙納瓦拉公立大學(xué)（UPNA）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾洛迪·布茲比布（Elodie Bouzbib）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在人機(jī)交互領(lǐng)域的頂級會(huì)議CHI 2025上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，向我們展示了一種名為“FlexiVol”的新型顯示技術(shù)。該技術(shù)首次讓用戶實(shí)現(xiàn)了直接與懸浮在空中的三維圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)的夢想。

從全息投影到體積顯示：兩種技術(shù)的區(qū)別

當(dāng)我們在電影里看到那些酷炫的懸浮空中的三維圖像時(shí)，腦海中浮現(xiàn)的第一個(gè)詞往往是“三維全息投影”（Hologram）。然而，正如麻省理工學(xué)院（MIT）3D顯示技術(shù)專家邁克爾·博夫（Michael Bove）指出，它更準(zhǔn)確的叫法應(yīng)該是“體積顯示”（Volumetric Display）。 

位于布里斯班的全息投影動(dòng)物園（圖源：Hologram Zoo）

這兩者究竟有什么區(qū)別呢？

簡單來說，全息投影，是用光來“重建”一個(gè)物體的立體圖像。全息投影技術(shù)會(huì)把物體反射光的“路徑和角度”都記錄下來，然后通過光的衍射把這些信息重新“播”出來。但它不是裸眼可見的實(shí)體，我們的手可以毫無阻礙地穿過去，無法與三維圖像“互動(dòng)”。

全息投影原理演示（圖源：Stanford Computational Imaging Lab） 

 相比較而言，體積顯示是在一個(gè)真實(shí)的三維空間體內(nèi)，用無數(shù)個(gè)快速移動(dòng)或同時(shí)點(diǎn)亮的光點(diǎn)，“堆”出一個(gè)看得見、甚至摸得著的立體發(fā)光物體。它可不是虛無的光影，而是實(shí)實(shí)在在占據(jù)著物理空間的“光雕塑”。

體積顯示器示例（圖源：LED Pulse）  

FlexiVol：從剛性平面到柔性幕布

體積顯示是如何工作的呢？大家肯定記得小時(shí)候玩過的翻頁動(dòng)畫書。當(dāng)我們快速翻動(dòng)書頁，靜止的畫面就動(dòng)了起來。體積顯示也利用了類似的原理——即視覺暫留效應(yīng)。

翻頁動(dòng)畫書示例（圖源：harun u?ur）

體積顯示技術(shù)通常依賴于一個(gè)高速振動(dòng)的平面器件，被稱為“擴(kuò)散器”（Diffuser）。投影儀以極高的頻率，將三維物體不同深度的一幀幀2D圖像連續(xù)投射到擴(kuò)散器上。由于我們的眼睛來不及分辨每一次的閃爍，大腦會(huì)自動(dòng)將這些連續(xù)的2D圖像“縫合”起來，形成一個(gè)穩(wěn)定、立體的三維影像。

使用體積顯示技術(shù)游玩《毀滅戰(zhàn)士》（圖源：Ancient|Youtube）

 不過，傳統(tǒng)的體積顯示技術(shù)有一個(gè)瓶頸問題：那塊擴(kuò)散器通常是剛性的。它雖然在高速運(yùn)動(dòng)，但本質(zhì)上仍是一面堅(jiān)固的“墻”。我們無法將手伸進(jìn)去與內(nèi)部的圖像互動(dòng)：任何物理接觸都可能損壞設(shè)備或傷到用戶。

而FlexiVol的絕妙之處在于，研究人員把這面“墻”改成了一塊用很多柔軟細(xì)條做成的“簾子”。當(dāng)你的手伸過去時(shí)，這些柔軟的細(xì)條會(huì)像門簾一樣自然地從你手指兩邊分開，等你手拿開，它又會(huì)恢復(fù)原樣。

FlexiVol示例（圖源：Asier Marzo）

 正是這個(gè)“彈性+條帶化”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，徹底打破了傳統(tǒng)技術(shù)物理交互的壁壘，讓用戶的手可以安全、自由地伸入三維圖像所在的體積空間中。 

不過，我們是真的“摸到”那些圖像了嗎？

從物理上來說，并非如此。

這是一種精妙的“交互幻覺”。FlexiVol系統(tǒng)集成了一套高速、高精度的成像設(shè)備，用來實(shí)時(shí)追蹤用戶手部的位置和動(dòng)作。當(dāng)你做出“抓取”、“推拉”或“旋轉(zhuǎn)”的動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻捕捉到這些意圖，并驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)更新三維圖形的狀態(tài)，使其看起來就好像真的被你操縱了一樣。

一個(gè)人“捏著”3D頭骨，并以精確方式旋轉(zhuǎn)它（圖源：UPNA）

 不用眼鏡也能看到“真三維”圖像，還能多人同時(shí)圍觀

FlexiVol 的另一個(gè)優(yōu)勢在于，它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的裸眼三維顯示。

傳統(tǒng)的3D觀影、VR體驗(yàn)常常需要佩戴眼鏡或頭顯設(shè)備，通過制造左右眼視差來“欺騙”人眼制造深度感。

3D電影（圖源：planetech）

FlexiVol 則不同，它利用雙眼不同視角接收到的圖像（雙眼視差）和眼球自動(dòng)調(diào)焦能力（焦點(diǎn)調(diào)節(jié)）這兩種視覺線索，讓人無需任何輔助設(shè)備，就能看到“漂浮在空中”的圖像，并感受到其空間深度。

這意味著，多個(gè)觀眾可以同時(shí)從不同角度觀看并交互，非常適合教學(xué)、醫(yī)學(xué)展示或工程討論等需要集體參與的場合。

兩個(gè)人正在觀察3D頭骨，其中一人正在“觸摸”眼孔（圖源：I?igo Ezcurdia）

當(dāng)然，F(xiàn)lexiVol的故事才剛剛開始。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在琢磨下一步了：他們計(jì)劃引入觸覺反饋系統(tǒng)，讓用戶在互動(dòng)時(shí)能感受到物體的溫度、壓力或材質(zhì)，營造更加逼真的體驗(yàn)。

畢竟，當(dāng)我們看到懸浮在空中的物體時(shí)，第一反應(yīng)往往就是想伸手去抓。而體積顯示，可能正是讓那種沖動(dòng)不再落空的技術(shù)。未來，數(shù)字世界將不再是遙不可及、冰冷抽象的存在，而是可以“觸摸”的真實(shí)體驗(yàn)。（劉若冰） 

審核： 龔雷中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院 光學(xué)與光學(xué)工程系 副教授

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