無(wú)屏顯示技術(shù)研究進(jìn)展

從字面意思來(lái)看“無(wú)屏顯示技術(shù)”是指顯示圖像時(shí)不需要任何實(shí)體屏幕的顯示技術(shù)的一種統(tǒng)稱，這是無(wú)屏顯示技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)。但是，現(xiàn)階段是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。廣義無(wú)屏顯示技術(shù)是指讓觀看者感知到所顯示的對(duì)象不位于特定屏幕上的顯示技術(shù)。根據(jù)目前的科技發(fā)展水平，無(wú)屏顯示技術(shù)事實(shí)上都需要屏幕的支持，只是屏幕不同于傳統(tǒng)的“屏幕”，并不是完全沒(méi)有屏幕。

1 顯示技術(shù)的發(fā)展歷程

顯示技術(shù)從有屏到無(wú)屏的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，如圖1 所示。

圖1 顯示技術(shù)發(fā)展階段

（1）第一階段：有屏升級(jí)。

表現(xiàn)為屏幕尺寸越來(lái)越大、顯示色彩越來(lái)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。

（2）第二階段：無(wú)屏過(guò)渡。

在特定位置成像，需要顯示介質(zhì)，但不是傳統(tǒng)屏幕，觀眾感受的顯示對(duì)象不附著在屏幕上。目前正處于該階段，觀眾感覺(jué)不到屏幕，但實(shí)際有屏幕，可以是眼鏡、薄膜、水幕、擋風(fēng)玻璃等，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、抬頭顯示、空氣成像、（偽）全息、非傳統(tǒng)屏幕投影等技術(shù)。

（3）第三階段：無(wú)屏?xí)r代。

圖像完全呈現(xiàn)在空中不需要任何介質(zhì)，目前顯示技術(shù)還不能達(dá)到，隨著科技的發(fā)展終會(huì)實(shí)現(xiàn)。

2 無(wú)屏顯示技術(shù)內(nèi)涵、特征及原理

狹義無(wú)屏顯示技術(shù)是指不需要任何實(shí)體屏幕的顯示技術(shù)統(tǒng)稱，是顯示的終極目標(biāo)，現(xiàn)階段技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。廣義無(wú)屏顯示技術(shù)是指讓觀眾感覺(jué)上沒(méi)有屏幕的顯示技術(shù)，依然存在顯示介質(zhì)。

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

根據(jù)成像原理可以將無(wú)屏顯示技術(shù)分為以下四類。

2.1 雙目立體視覺(jué)類

立體視覺(jué)是雙眼觀察景物能分辨物體遠(yuǎn)近形態(tài)的感覺(jué)。由于人的兩眼間距約為5 cm，看任何物體時(shí)，兩只眼睛的角度不重合，即存在兩個(gè)視角。這種細(xì)微的視角差異經(jīng)由視網(wǎng)膜傳遞到大腦里，就能區(qū)別出物體的前后遠(yuǎn)近，產(chǎn)生強(qiáng)烈的立體感。

雙目立體視覺(jué)類無(wú)屏顯示技術(shù)有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），VR/AR 眼鏡通過(guò)對(duì)左、右眼給與不同的圖像輸入，使人左右眼產(chǎn)生視差從而接受到不同的畫(huà)面，在大腦形成立體效果。

2.2 光學(xué)原理類

光學(xué)原理采用反射、折射、衍射等方式，達(dá)到在空氣中的特定位置（而非屏幕上）成像，使觀眾感覺(jué)畫(huà)面在空氣中出現(xiàn)的目的，包括佩珀?duì)柣孟蠛鸵曈X(jué)暫留。

佩珀?duì)柣孟螅豪靡粡埌胪赴敕吹哪ぃQ為透明全息膜，作為介質(zhì)，使物體在膜中特定位置成虛像，稱為（偽）全息技術(shù)。

視覺(jué)暫留：物體在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)人眼所看到的影像消失后，仍能繼續(xù)保留其影像0.1 s～0.4 s 左右。全息風(fēng)扇就是利用該原理將圖像投影在高速旋轉(zhuǎn)的鏡子或風(fēng)扇上。

2.3 真全息技術(shù)類

真全息技術(shù)具有裸眼、無(wú)介質(zhì)、影像在空氣中立體呈現(xiàn)，可360°觀看等特點(diǎn)。目前接近真全息的技術(shù)是空氣成像，通過(guò)電離空氣、聲鑷、光鑷等技術(shù)改變空氣性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)不需要任何承接屏幕的三維立體效果。

2.4 非傳統(tǒng)屏幕類

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

3 無(wú)屏顯示技術(shù)體系

無(wú)屏顯示具體包含哪些顯示技術(shù)呢？通過(guò)對(duì)現(xiàn)有所有2D 和3D 顯示技術(shù)進(jìn)行梳理和研究，結(jié)合無(wú)屏顯示技術(shù)特征、內(nèi)涵和技術(shù)原理，梳理出無(wú)屏顯示涵蓋的顯示技術(shù)，如圖2 所示。

圖2 無(wú)屏顯示技術(shù)體系圖

正方形區(qū)域是所有的顯示技術(shù)，藍(lán)色區(qū)域是3D顯示技術(shù)，綠色區(qū)域是2D 顯示技術(shù)，橙色區(qū)域是無(wú)屏顯示技術(shù)，可以看出無(wú)屏顯示技術(shù)包括了3D 技術(shù)的大部分技術(shù)和2D 顯示的部分技術(shù)。

3D 顯示技術(shù)分為非視差式和視差式兩大類。非視差式3D 顯示技術(shù)包括全息風(fēng)扇、激光束投影、空氣成像、（偽）全息，可以讓觀看者感知到所顯示的對(duì)象不位于屏幕上，并且采用的屏幕是非傳統(tǒng)意義上的屏幕，均納入無(wú)屏顯示技術(shù)。視差式3D 顯示技術(shù)包括眼鏡式3D、裸眼3D、VR、3D AR 以及MR。VR、3D AR 和MR 雖然也需要屏幕，但其屏幕為眼鏡等非傳統(tǒng)意義上的屏幕，所以屬于無(wú)屏顯示技術(shù)。而眼鏡式3D 和裸眼3D 雖然也實(shí)現(xiàn)了圖像在特定位置顯示的效果，但是必須呈現(xiàn)在傳統(tǒng)的LED屏幕上，所以沒(méi)有納入無(wú)屏顯示的范疇。

2D 顯示技術(shù)包括非傳統(tǒng)屏幕式和傳統(tǒng)屏幕式，非傳統(tǒng)屏幕式包括HUD 和非傳統(tǒng)屏幕投影，呈現(xiàn)形式不同于人們平常所理解的顯示屏幕，所以納入無(wú)屏顯示的范疇。2D AR 顯示技術(shù)是在傳統(tǒng)屏幕上疊加AR，所以不屬于無(wú)屏顯示，傳統(tǒng)屏幕式全部都不屬于無(wú)屏顯示。

因此，構(gòu)建了如表1 所示的無(wú)屏顯示技術(shù)體系。表中對(duì)所有顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了歸納總結(jié)，并將無(wú)屏顯示技術(shù)與成像原理進(jìn)行了匹配。

表1 無(wú)屏顯示技術(shù)體系

4 無(wú)屏顯示技術(shù)在鐵路的應(yīng)用探索

目前，無(wú)屏顯示技術(shù)在鐵路的研究和應(yīng)用較少，立足于技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合鐵路實(shí)際業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展前瞻性應(yīng)用探索。

4.1 雙目立體視覺(jué)無(wú)屏顯示技術(shù)應(yīng)用

4.1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）

AR 技術(shù)通過(guò)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加到真實(shí)環(huán)境中，來(lái)豐富人們與現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的互動(dòng)，以達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，AR 技術(shù)將在以下方面得到應(yīng)用。

（1）設(shè)備巡檢及遠(yuǎn)程運(yùn)維

巡檢人員在設(shè)備前佩戴AR 眼鏡，AR 眼鏡自動(dòng)識(shí)別獲取設(shè)備信息，并對(duì)周圍環(huán)境建模，在視野中顯示設(shè)備名稱、操作規(guī)程、巡檢記錄及注意事項(xiàng)等信息，巡檢人員每完成一個(gè)步驟，在AR 眼鏡上確認(rèn)提交。若發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，可通過(guò)AR 眼鏡呼叫遠(yuǎn)程技術(shù)人員并實(shí)時(shí)分享現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題快速處置。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)督、指導(dǎo)及協(xié)作

用于車站管理人員對(duì)站內(nèi)各系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)督及快速處理。系統(tǒng)根據(jù)管理人員身份制定個(gè)性化界面，也可調(diào)取某系統(tǒng)或某攝像頭，在任何地點(diǎn)都能遠(yuǎn)程監(jiān)督各系統(tǒng)的運(yùn)行情況并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行指導(dǎo)。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多組AR 眼鏡的遠(yuǎn)程沉浸式會(huì)議。

4.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）

VR 技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生三維空間的虛擬世界，提供給用戶關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官體驗(yàn)，讓用戶可以即時(shí)且沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，可嘗試開(kāi)發(fā)鐵路客站相關(guān)的培訓(xùn)及展示系統(tǒng)。

（1）職工培訓(xùn)

日常培訓(xùn)，例如設(shè)備拆解維護(hù)培訓(xùn)，若現(xiàn)場(chǎng)使用的是舊型號(hào)的設(shè)備，當(dāng)設(shè)備升級(jí)為新型號(hào)時(shí)，使用VR 提前對(duì)新型號(hào)設(shè)備建模，員工借助VR 終端，在虛擬化的沉浸環(huán)境中對(duì)新型號(hào)設(shè)備的使用及維護(hù)進(jìn)行培訓(xùn)，提升效率，降低培訓(xùn)成本。

虛擬場(chǎng)景培訓(xùn)，是指一些無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)復(fù)現(xiàn)的場(chǎng)景可以采用虛擬場(chǎng)景進(jìn)行培訓(xùn)，比如應(yīng)急救援、火災(zāi)救援。借助VR 終端，在虛擬世界中模擬真實(shí)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，培訓(xùn)員工的應(yīng)急救援能力。

（2）乘客體驗(yàn)

一方面，對(duì)設(shè)計(jì)中的無(wú)人化、少人化、綠色等概念的未來(lái)鐵路場(chǎng)景進(jìn)行建模，依靠VR 終端乘客可全方位的體驗(yàn)未來(lái)鐵路；另一方面，利用VR 終端進(jìn)行虛擬的站內(nèi)導(dǎo)航，使乘客熟悉車站環(huán)境及走行路線，節(jié)約進(jìn)出站與換乘時(shí)間。

4.2 光學(xué)原理無(wú)屏顯示技術(shù)應(yīng)用

4.2.1 （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(tái)表演、產(chǎn)品展示等方面技術(shù)相對(duì)成熟，且180度單面幻影成像全息展示柜和360 度金字塔型的全息展示柜已經(jīng)商用，因此，（偽）全息成像可以在鐵路得到以下應(yīng)用：

（1）站內(nèi)虛擬工作人員

采用（偽）全息技術(shù)構(gòu)建虛擬工作人員，比如引導(dǎo)員、宣傳員、安檢宣導(dǎo)員等。區(qū)別以往靜態(tài)圖文、聲源廣播和專員引導(dǎo)等傳統(tǒng)的宣傳提醒方式，全息影像能夠像真人一樣進(jìn)行信息介紹。配合語(yǔ)音識(shí)別交互，虛擬工作人員可以與乘客交流，回答乘客的問(wèn)題，有效降低工作人員的壓力，減少引導(dǎo)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(chǎn)品廣告、城市介紹等信息虛擬成像在空中，用動(dòng)畫(huà)視頻的形式演繹，繪聲繪色，虛幻莫測(cè)，非常直觀，給人留下較深的印象。不僅給車站帶來(lái)高科技元素，美化車站環(huán)境提供視聽(tīng)享受的同時(shí)，給乘客留下深刻印象，起到宣傳作用。

（3）輔助安檢

安檢時(shí)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)箱檢查或二次安檢的情況，但通常乘客不清楚哪個(gè)物品有問(wèn)題，這時(shí)利用帶有交互功能的全息柜立體展示行李箱內(nèi)的掃描情況，安檢人員將安檢不通過(guò)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(shí)間，加快安檢速度。

（4）服務(wù)信息提示

在服務(wù)臺(tái)設(shè)置具有交互功能的（偽）全息投影設(shè)備，當(dāng)乘客咨詢車站、列車信息及問(wèn)路時(shí)，工作人員將相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，特別是針對(duì)詢問(wèn)路線的乘客，這種展示效果可以立體呈現(xiàn)車站結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航路線，便于乘客能夠快速理解。

4.2.2 全息風(fēng)扇

目前，全息風(fēng)扇作為廣告宣傳的媒介出現(xiàn)在展覽、商店展示、藝術(shù)作品展示等場(chǎng)景中，可以在車站、列車上應(yīng)用于乘車信息、政策文化宣傳及廣告等信息展示：

全息風(fēng)扇具有3D 視覺(jué)效果逼真、畫(huà)面清晰度舒適、成本低、能耗低、尺寸大小靈活可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，在檢票處、購(gòu)票處、安檢處等重要地點(diǎn)展示重要的消息和通知，實(shí)時(shí)更新站內(nèi)信息，減少人力物力。在商家店外安裝全息風(fēng)扇吸引更多乘客進(jìn)店，在店內(nèi)安裝全息風(fēng)扇幫助乘客更好的了解產(chǎn)品細(xì)節(jié)，推動(dòng)消費(fèi)，帶動(dòng)站內(nèi)經(jīng)濟(jì)。除使用單架的全息風(fēng)扇滿足小型展示需求外，可使用由多架全息風(fēng)扇構(gòu)成的矩陣，進(jìn)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。

4.3 真全息無(wú)屏顯示技術(shù)應(yīng)用

空氣成像是可交互的空中成像技術(shù)，其典型的價(jià)值體現(xiàn)在使用者可以與投影產(chǎn)生的空氣中的立體影像進(jìn)行交互，可通過(guò)手、筆等的工具來(lái)操控這些立體影像，實(shí)現(xiàn)放縮、拉近、拉遠(yuǎn)以及滑動(dòng)等。該技術(shù)可以在車站進(jìn)行以下應(yīng)用：

（1）“無(wú)接觸”的自助售/取票機(jī)、電梯虛擬按鍵

在自助售/取票機(jī)上增加空氣成像裝置，將自助售/取票機(jī)的操作界面呈現(xiàn)于空中，乘客直接點(diǎn)擊空中的操作畫(huà)面，即可完成購(gòu)票、付款、打發(fā)票等功能，真正做到“無(wú)接觸”；將電梯按鍵呈現(xiàn)在空中，乘客通過(guò)點(diǎn)擊空中的按鈕選擇樓層，這項(xiàng)技術(shù)在疫情防控常態(tài)化的背景下，可最大限度降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

（2）站內(nèi)導(dǎo)航

在現(xiàn)有查詢機(jī)的基礎(chǔ)上增加空氣成像功能，立體展示車站結(jié)構(gòu)圖和導(dǎo)航路線，支持乘客通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音等的方式操控展示的路線、地圖，以便旅客更好地了解和掌握車站的構(gòu)造，更加容易地記住行走路線。

4.4 非傳統(tǒng)屏幕無(wú)屏顯示技術(shù)應(yīng)用

非傳統(tǒng)屏幕無(wú)屏顯示是指采用新型的投影裝置，實(shí)現(xiàn)不依賴傳統(tǒng)幕布的投影，該技術(shù)可以進(jìn)行以下應(yīng)用：

（1）站臺(tái)地標(biāo)

目前，站臺(tái)上粘貼了不同顏色的地標(biāo)標(biāo)識(shí)列車車門的位置，但由于車型多且運(yùn)行方向不同，乘客很難快速辨別。部分車站安裝了電子地標(biāo)，可實(shí)時(shí)更新列車?？啃畔?，但標(biāo)識(shí)位置固定、安裝難度大。因此，在站臺(tái)上安裝非傳統(tǒng)屏幕的電子地標(biāo)，在列車進(jìn)站之前將列車信息精準(zhǔn)投影在站臺(tái)地面上，投影位置可根據(jù)列車車型和運(yùn)行方向?qū)崟r(shí)調(diào)整，列車進(jìn)站之后投影在列車車體上，方便乘客快速準(zhǔn)確找到車門。

（2）引導(dǎo)標(biāo)識(shí)

將霧幕投影裝置安裝在岔路口的各個(gè)分叉線路的頂部，使得每個(gè)岔路口能夠被不同的霧幕區(qū)分開(kāi)，霧幕屏上的立體標(biāo)識(shí)能夠引起乘客注意，讓乘客清晰地看到引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，使乘客在確認(rèn)好各個(gè)岔路走向何處后再做出選擇，減小錯(cuò)誤發(fā)生的可能性。

（3）信息提醒及廣告展示

在站內(nèi)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(biāo)語(yǔ)或者乘車相關(guān)提示信息，利用空氣分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生懸浮于空中的飄渺而立體的視覺(jué)感受，在提示乘客通道信息的同時(shí)也能給乘客帶去樂(lè)趣與新奇的科技感。