無屏顯示技術及其在鐵路客站的應用研究

端嘉盈、史天運、沈海燕

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

0 引言

隨著新技術的蓬勃發展，鐵路客站智能化建設穩步推進。旅客通過屏幕獲取旅客服務相關信息，工作人員通過屏幕獲取列車、旅客、設備等相關信息。但屏幕為旅客和工作人員提供便利時，在顯示內容、成本、尺寸和靈活性上具有局限性。隨著智能投影、虛擬現實、增強現實、（偽）全息等新型顯示技術的發展，為客站帶來更多的可能性。因此，有必要基于客站實際需求，開展新型顯示技術的應用研究。

1 內涵及特征

1.1 顯示技術的發展歷程

顯示技術從有屏到無屏的發展經歷了三個階段，如圖1所示[1]。

圖1 顯示技術發展階段

1.1.1 第一階段：有屏升級，該階段表現為屏幕尺寸越來越大、顯示色彩越來越鮮艷豐富，以及曲面屏、柔性屏等。例如液晶屏、OLED、MINI-LED 顯示等。

1.1.2 第二階段：無屏過渡，在特定位置成像，需要顯示介質，但不是傳統屏幕，觀眾感受的顯示對象不附著在屏幕上。目前正處于該階段，觀眾感覺不到屏幕，但實際有屏幕，可以是眼鏡、薄膜、水幕、擋風玻璃等，包括增強現實、虛擬現實、抬頭顯示、空氣成像、（偽）全息、非傳統屏幕投影等技術。

1.1.3 第三階段：無屏時代，圖像完全呈現在空中不需要任何介質，目前顯示技術還不能達到，但隨著科技的發展終會實現。

1.2 無屏顯示技術內涵

狹義無屏顯示技術指不需要任何實體屏幕的顯示技術統稱，是顯示的終極目標，現階段技術無法實現。廣義無屏顯示技術指讓觀眾感覺上沒有屏幕的顯示技術，依然存在顯示介質。

1.3 無屏顯示技術特征

廣義無屏顯示技術有兩個特征：一是成像在空氣中或者非傳統意義的屏幕上（如水幕、紗幕、建筑物等），使觀眾感覺不到屏幕；二是立體3D 圖像，包含深度信息。

2 無屏顯示技術分類

根據成像原理可以將無屏顯示技術分為以下四類。

2.1 雙目立體視覺類

立體視覺是雙眼觀察景物能分辨物體遠近形態的感覺[2]。由于人的兩眼間距約為5cm，看任何物體時，兩只眼睛的角度不重合，即存在兩個視角。這種細微的視角差異經由視網膜傳遞到大腦里，就能區別出物體的前后遠近，產生強烈的立體感。

雙目立體視覺類無屏顯示技術有增強現實（AR）和虛擬現實（VR），VR/AR 眼鏡通過對左、右眼給予不同的圖像輸入，使人左右眼產生視差從而接收到不同的畫面，在大腦形成立體效果。

2.2 光學原理類

光學原理采用反射、折射、衍射等方式，達到在空氣中的特定位置（而非屏幕上）成像，使觀眾感覺畫面在空氣中出現的目的，包括佩珀爾幻象[3]和視覺暫留。

佩珀爾幻象：利用一張半透半反的膜，稱為透明全息膜，作為介質，使物體在膜中特定位置成虛像，稱為（偽）全息技術。

視覺暫留：物體在快速運動時，當人眼所看到的影像消失后，仍能繼續保留其影像0.1～0.4s 左右。全息風扇就是利用該原理將圖像投影在高速旋轉的鏡子或風扇上。

2.3 非傳統屏幕類

通過投影機、聚光燈等方式在水幕、紗幕、霧幕、建筑物甚至活體等非傳統意義的屏幕上成像的顯示技術。隨著投影系統的不斷擴展和延伸，投影設備和投影屏幕的表現形式都發生了根本性變化：投影設備的體積可以很小，可以集成在手表、手機等設備內；投影屏幕不拘泥于傳統屏幕，可以是空氣、水、人體、建筑物、車身等介質，甚至逐漸褪去、透明或者消失，由實體走向虛擬。

2.4 真全息技術類

真全息技術具有裸眼、無介質、影像在空氣中立體呈現、可360°觀看等特點。目前接近真全息技術的是空氣成像，通過電離空氣、聲鑷、光鑷等技術改變空氣性質，實現不需要任何承接屏幕的三維立體效果。

3 無屏顯示技術在鐵路客站中的應用研究

目前，無屏顯示技術在鐵路客站的研究和應用較少，本文立足技術發展現狀，結合客站實際業務需求，開展前瞻性應用探索。

3.1 雙目立體視覺無屏顯示技術應用

3.1.1 增強現實（AR）

AR 技術通過將計算機生成的虛擬信息疊加到真實環境中來豐富人們與現實世界和數字世界的互動，以達到超越現實的感官體驗，AR 技術將在以下幾個方面得到應用[4]。

（1）旅客身份驗證，AR 融合人臉識別和旅客身份驗證技術，旅客在購票、檢票及乘車過程中，工作人員通過AR 眼鏡抓取旅客面部圖片，與系統中現有車票、身份證信息中的旅客信息進行對比并識別，有效提升車站旅客身份驗證的效率，解決短時大客流引發的旅客擁堵問題。也可與公安系統數據庫連接，自動識別犯罪嫌疑人及“老賴”等黑名單人群。

（2）設備巡檢及遠程運維，巡檢人員在設備前佩戴AR 眼鏡，AR 眼鏡自動識別獲取設備信息，并對周圍環境建模，在視野中顯示設備名稱、操作規程、巡檢記錄及注意事項等信息，巡檢人員每完成一個步驟，在AR 眼鏡上確認提交。若發現設備故障，可通過AR 眼鏡呼叫遠程技術人員并實時分享現場情況，實現現場問題快速處置。

（3）遠程監督、指導及協作，用于車站領導對站內各系統的遠程監督及快速處理。系統根據領導身份制定個性化界面，也可調取某系統或某攝像頭，在任何地點都能遠程監督各系統的運行情況并對現場人員進行指導。同時，可實現多組AR 眼鏡的遠程沉浸式會議。

3.1.2 虛擬現實（VR）

VR 技術是利用計算機模擬產生三維空間的虛擬世界，提供給用戶關于視覺、聽覺等感官體驗，讓用戶可以即時且沒有限制地觀察三維空間內的事物，可嘗試開發鐵路客站相關的培訓及展示系統[5]。

（1）車站職工培訓，日常培訓，例如設備拆解維護培訓。若現場使用的是舊型號的設備，當設備升級為新型號時，使用VR 提前對新型號設備進行建模，員工借助VR 終端，在虛擬化的沉浸環境中對新型號設備的使用及維護進行培訓，提升效率，降低培訓成本。

（2）虛擬場景培訓，指一些無法現場復現的場景可以采用虛擬場景進行培訓，如應急救援、火災救援。借助VR 終端，在虛擬世界中模擬真實的火災現場，培訓員工的應急救援能力。

（3）乘客體驗，一方面，對設計中的無人化、少人化、綠色等概念的未來車站進行建模，依靠VR 終端乘客可全方位體驗未來車站；另一方面，利用VR 終端進行虛擬的站內導航，使乘客熟悉車站環境及路線，節約進出站與換乘時間。

3.2 光學原理無屏顯示技術應用

3.2.1 （偽）全息

（偽）全息成像具有逼真、立體效果好的特征，比平面顯示更吸引乘客的注意。目前，（偽）全息在舞臺表演、產品展示等方面技術相對成熟，且180°單面幻影成像全息展示柜和360°金字塔形的全息展示柜已經被商用，因此（偽）全息成像可以在車站得到以下應用。

（1）站內虛擬工作人員，采用（偽）全息技術構建虛擬工作人員，如引導員、宣傳員、安檢宣導員等。區別以往靜態圖文、聲源廣播和專員引導等傳統的宣傳提醒方式，全息影像能夠像真人一樣進行信息介紹。配合語音識別交互，虛擬工作人員可以與乘客交流，回答乘客的問題，有效降低工作人員的壓力，減少引導指引、宣傳工作的人員配置，減員增效。

（2）信息展示，采用全息展示柜將政策宣傳、產品廣告、城市介紹等信息虛擬成像在空中，用動畫視頻的形式演繹，繪聲繪色、虛幻莫測，非常直觀。不僅為車站帶來高科技元素，而且在美化車站環境、提供視聽享受的同時，給乘客留下深刻印象，起到宣傳作用。

（3）輔助安檢，安檢時會出現開箱檢查或二次安檢的情況，但通常乘客不清楚哪個物品有問題，這時利用帶有交互功能的全息柜立體展示行李箱內的掃描情況，安檢人員將安檢不通過的位置圈出，使乘客快速知曉并取出，縮短安檢人員與乘客之間的溝通時間，加快安檢速度。

（4）車站服務臺信息提示，在服務臺設置具有交互功能的（偽）全息投影設備，當乘客咨詢車站、列車信息及問路時，工作人員將相關信息進行實時展示，特別是針對詢問路線的乘客，這種展示效果可以立體呈現車站結構和導航路線，便于乘客能夠快速理解。

3.2.2 全息風扇

目前，全息風扇作為廣告宣傳的媒介出現在展覽、商店展示、藝術作品展示等場景中，在鐵路客站可以被應用于乘車信息、政策文化宣傳及廣告等的信息展示。全息風扇具有3D 視覺效果逼真、畫面清晰度舒適、成本低、能耗低、尺寸大小靈活可調等優勢，在檢票處、購票處、安檢處等重要地點展示重要的消息和通知，實時更新站內信息，減少人力物力。在商家店外安裝全息風扇吸引更多乘客進店，在店內安裝全息風扇幫助乘客更好地了解產品細節，推動消費，帶動站內經濟。除使用單架的全息風扇滿足小型展示需求外，還可使用由多架全息風扇構成的矩陣，進行大尺寸的乘車信息、政策宣傳、文化宣傳及廣告顯示，較LED 成本更低。

3.3 非傳統屏幕無屏顯示技術應用

非傳統屏幕無屏顯示指采用新型的投影裝置，實現不依賴傳統幕布的投影，該技術可以在鐵路客站進行以下應用。

3.3.1 站臺地標

目前，站臺上粘貼了不同顏色的地標標識列車車門的位置，但由于車型多且運行方向不同，乘客很難快速辨別。部分車站安裝了電子地標，可實時更新列車?？啃畔?，但標識位置固定、安裝難度大。因此，在站臺上安裝非傳統屏幕的電子地標，在列車進站之前將列車信息精準投影在站臺地面上，投影位置可根據列車車型和運行方向實時調整，列車進站之后投影在列車車體上，方便乘客快速準確找到車門。

3.3.2 引導標識

將霧幕投影裝置安裝在岔路口的各個分叉線路的頂部，使每個岔路口能夠被不同的霧幕區分開，霧幕屏上的立體標識能夠引起乘客注意，讓乘客清晰地看到引導標識，使乘客在確認好各個岔路走向何處后再做出選擇，減小錯誤發生的可能性。

3.3.3 信息提醒及廣告展示

在站內通道處使用霧幕投影將通道打造成“幻影通道”，在霧幕上投影廣告標語或者乘車相關提示信息，利用空氣分子的不規則運動，產生懸浮于空中的縹緲而立體的視覺感受，在提示乘客通道信息的同時也能為乘客帶來樂趣。

3.4 真全息無屏顯示技術應用

空氣成像是可交互的空中成像技術，其典型的價值體現在使用者可以與投影產生在空氣中的立體影像進行交互，可通過手、筆等工具操控這些立體影像，實現放縮、拉近、拉遠以及滑動等。該技術可以在鐵路客站進行以下應用。

3.4.1 “無接觸”的自助售票機、電梯虛擬按鍵

在自助售票機上增加空氣成像裝置，將自助售票機的操作界面呈現于空中，乘客直接點擊空中的操作畫面，即可完成購票、付款等功能，真正做到“無接觸”購票；將電梯按鍵呈現在空中，乘客通過點擊空中的按鈕選擇樓層。這項技術在新型冠狀病毒肺炎疫情防控常態化的背景下，可最大限度地降低交叉感染風險。

3.4.2 站內導航

在現有查詢機的基礎上增加空氣成像功能，立體展示車站結構圖和導航路線，支持乘客通過手勢、語音等的方式操控展示的路線、地圖，以便更好地了解和掌握車站的構造，更加容易記住行走路線。

4 結語

本文詳細分析顯示技術的發展歷程，提出無屏顯示技術的特征及內涵，研究提出由雙目立體視覺、光學原理、非傳統屏幕以及真全息四類成像原理實現無屏顯示。立足各種無屏顯示技術現階段的研究及應用情況，分析研究每種無屏顯示技術在鐵路客站的應用場景，提出了無屏顯示技術在旅客身份驗證、設備巡檢、員工培訓、站內導航、信息展示等諸多方面的應用建議，增加車站科技感和未來感的同時，切實降低工作人員的工作強度，提高乘客出行服務質量。