无屏显示技术研究进展

从字面意思来看“无屏显示技术”是指显示图像时不需要任何实体屏幕的显示技术的一种统称，这是无屏显示技术发展的终极目标。但是，现阶段是无法实现的。广义无屏显示技术是指让观看者感知到所显示的对象不位于特定屏幕上的显示技术。根据目前的科技发展水平，无屏显示技术事实上都需要屏幕的支持，只是屏幕不同于传统的“屏幕”，并不是完全没有屏幕。

1 显示技术的发展历程

显示技术从有屏到无屏的发展经历了三个阶段，如图1 所示。

图1 显示技术发展阶段

（1）第一阶段：有屏升级。

表现为屏幕尺寸越来越大、显示色彩越来越鲜艳丰富，以及曲面屏、柔性屏等，例如液晶屏、OLED、mini-LED 显示等。

（2）第二阶段：无屏过渡。

在特定位置成像，需要显示介质，但不是传统屏幕，观众感受的显示对象不附着在屏幕上。目前正处于该阶段，观众感觉不到屏幕，但实际有屏幕，可以是眼镜、薄膜、水幕、挡风玻璃等，包括增强现实、虚拟现实、抬头显示、空气成像、（伪）全息、非传统屏幕投影等技术。

（3）第三阶段：无屏时代。

图像完全呈现在空中不需要任何介质，目前显示技术还不能达到，随着科技的发展终会实现。

2 无屏显示技术内涵、特征及原理

狭义无屏显示技术是指不需要任何实体屏幕的显示技术统称，是显示的终极目标，现阶段技术无法实现。广义无屏显示技术是指让观众感觉上没有屏幕的显示技术，依然存在显示介质。

广义无屏显示技术有两个特征：一是成像在空气中或者非传统意义的屏幕上（如水幕、纱幕、建筑物等），使观众感觉不到屏幕；二是立体3D 图像，包含深度信息。

根据成像原理可以将无屏显示技术分为以下四类。

2.1 双目立体视觉类

立体视觉是双眼观察景物能分辨物体远近形态的感觉。由于人的两眼间距约为5 cm，看任何物体时，两只眼睛的角度不重合，即存在两个视角。这种细微的视角差异经由视网膜传递到大脑里，就能区别出物体的前后远近，产生强烈的立体感。

双目立体视觉类无屏显示技术有增强现实（AR）和虚拟现实（VR），VR/AR 眼镜通过对左、右眼给与不同的图像输入，使人左右眼产生视差从而接受到不同的画面，在大脑形成立体效果。

2.2 光学原理类

光学原理采用反射、折射、衍射等方式，达到在空气中的特定位置（而非屏幕上）成像，使观众感觉画面在空气中出现的目的，包括佩珀尔幻象和视觉暂留。

佩珀尔幻象：利用一张半透半反的膜，称为透明全息膜，作为介质，使物体在膜中特定位置成虚像，称为（伪）全息技术。

视觉暂留：物体在快速运动时，当人眼所看到的影像消失后，仍能继续保留其影像0.1 s～0.4 s 左右。全息风扇就是利用该原理将图像投影在高速旋转的镜子或风扇上。

2.3 真全息技术类

真全息技术具有裸眼、无介质、影像在空气中立体呈现，可360°观看等特点。目前接近真全息的技术是空气成像，通过电离空气、声镊、光镊等技术改变空气性质，实现不需要任何承接屏幕的三维立体效果。

2.4 非传统屏幕类

通过投影机、聚光灯等方式在水幕、纱幕、雾幕、建筑物甚至活体等非传统意义的屏幕上成像的显示技术。随着投影系统的不断扩展和延伸，投影设备和投影屏幕的表现形式都发生了根本性变化：投影设备的体积可以很小很便携，也可以集成在手表、手机等设备内；投影屏幕不拘泥于传统屏幕，可以是空气、水、人体、建筑物、车身等介质，甚至逐渐褪去、透明或者消失，由实体走向虚拟。

3 无屏显示技术体系

无屏显示具体包含哪些显示技术呢？通过对现有所有2D 和3D 显示技术进行梳理和研究，结合无屏显示技术特征、内涵和技术原理，梳理出无屏显示涵盖的显示技术，如图2 所示。

图2 无屏显示技术体系图

正方形区域是所有的显示技术，蓝色区域是3D显示技术，绿色区域是2D 显示技术，橙色区域是无屏显示技术，可以看出无屏显示技术包括了3D 技术的大部分技术和2D 显示的部分技术。

3D 显示技术分为非视差式和视差式两大类。非视差式3D 显示技术包括全息风扇、激光束投影、空气成像、（伪）全息，可以让观看者感知到所显示的对象不位于屏幕上，并且采用的屏幕是非传统意义上的屏幕，均纳入无屏显示技术。视差式3D 显示技术包括眼镜式3D、裸眼3D、VR、3D AR 以及MR。VR、3D AR 和MR 虽然也需要屏幕，但其屏幕为眼镜等非传统意义上的屏幕，所以属于无屏显示技术。而眼镜式3D 和裸眼3D 虽然也实现了图像在特定位置显示的效果，但是必须呈现在传统的LED屏幕上，所以没有纳入无屏显示的范畴。

2D 显示技术包括非传统屏幕式和传统屏幕式，非传统屏幕式包括HUD 和非传统屏幕投影，呈现形式不同于人们平常所理解的显示屏幕，所以纳入无屏显示的范畴。2D AR 显示技术是在传统屏幕上叠加AR，所以不属于无屏显示，传统屏幕式全部都不属于无屏显示。

因此，构建了如表1 所示的无屏显示技术体系。表中对所有显示技术的实现方式、优缺点、应用场景进行了归纳总结，并将无屏显示技术与成像原理进行了匹配。

表1 无屏显示技术体系

4 无屏显示技术在铁路的应用探索

目前，无屏显示技术在铁路的研究和应用较少，立足于技术发展现状，结合铁路实际业务需求，开展前瞻性应用探索。

4.1 双目立体视觉无屏显示技术应用

4.1.1 增强现实（AR）

AR 技术通过将计算机生成的虚拟信息叠加到真实环境中，来丰富人们与现实世界和数字世界的互动，以达到超越现实的感官体验，AR 技术将在以下方面得到应用。

（1）设备巡检及远程运维

巡检人员在设备前佩戴AR 眼镜，AR 眼镜自动识别获取设备信息，并对周围环境建模，在视野中显示设备名称、操作规程、巡检记录及注意事项等信息，巡检人员每完成一个步骤，在AR 眼镜上确认提交。若发现设备故障，可通过AR 眼镜呼叫远程技术人员并实时分享现场情况，实现现场问题快速处置。

（2）远程监督、指导及协作

用于车站管理人员对站内各系统的远程监督及快速处理。系统根据管理人员身份制定个性化界面，也可调取某系统或某摄像头，在任何地点都能远程监督各系统的运行情况并对现场人员进行指导。同时，可实现多组AR 眼镜的远程沉浸式会议。

4.1.2 虚拟现实（VR）

VR 技术是利用计算机模拟产生三维空间的虚拟世界，提供给用户关于视觉、听觉等感官体验，让用户可以即时且没有限制地观察三维空间内的事物，可尝试开发铁路客站相关的培训及展示系统。

（1）职工培训

日常培训，例如设备拆解维护培训，若现场使用的是旧型号的设备，当设备升级为新型号时，使用VR 提前对新型号设备建模，员工借助VR 终端，在虚拟化的沉浸环境中对新型号设备的使用及维护进行培训，提升效率，降低培训成本。

虚拟场景培训，是指一些无法现场复现的场景可以采用虚拟场景进行培训，比如应急救援、火灾救援。借助VR 终端，在虚拟世界中模拟真实的火灾现场，培训员工的应急救援能力。

（2）乘客体验

一方面，对设计中的无人化、少人化、绿色等概念的未来铁路场景进行建模，依靠VR 终端乘客可全方位的体验未来铁路；另一方面，利用VR 终端进行虚拟的站内导航，使乘客熟悉车站环境及走行路线，节约进出站与换乘时间。

4.2 光学原理无屏显示技术应用

4.2.1 （伪）全息

（伪）全息成像具有逼真、立体效果好的特征，比平面显示更吸引乘客的注意，目前，（伪）全息在舞台表演、产品展示等方面技术相对成熟，且180度单面幻影成像全息展示柜和360 度金字塔型的全息展示柜已经商用，因此，（伪）全息成像可以在铁路得到以下应用：

（1）站内虚拟工作人员

采用（伪）全息技术构建虚拟工作人员，比如引导员、宣传员、安检宣导员等。区别以往静态图文、声源广播和专员引导等传统的宣传提醒方式，全息影像能够像真人一样进行信息介绍。配合语音识别交互，虚拟工作人员可以与乘客交流，回答乘客的问题，有效降低工作人员的压力，减少引导指引、宣传工作的人员配置，减员增效。

（2）信息展示

采用全息展示柜将政策宣传、产品广告、城市介绍等信息虚拟成像在空中，用动画视频的形式演绎，绘声绘色，虚幻莫测，非常直观，给人留下较深的印象。不仅给车站带来高科技元素，美化车站环境提供视听享受的同时，给乘客留下深刻印象，起到宣传作用。

（3）辅助安检

安检时会出现开箱检查或二次安检的情况，但通常乘客不清楚哪个物品有问题，这时利用带有交互功能的全息柜立体展示行李箱内的扫描情况，安检人员将安检不通过的位置圈出，使乘客快速知晓并取出，缩短安检人员与乘客之间的沟通时间，加快安检速度。

（4）服务信息提示

在服务台设置具有交互功能的（伪）全息投影设备，当乘客咨询车站、列车信息及问路时，工作人员将相关信息进行实时展示，特别是针对询问路线的乘客，这种展示效果可以立体呈现车站结构和导航路线，便于乘客能够快速理解。

4.2.2 全息风扇

目前，全息风扇作为广告宣传的媒介出现在展览、商店展示、艺术作品展示等场景中，可以在车站、列车上应用于乘车信息、政策文化宣传及广告等信息展示：

全息风扇具有3D 视觉效果逼真、画面清晰度舒适、成本低、能耗低、尺寸大小灵活可调等优势，在检票处、购票处、安检处等重要地点展示重要的消息和通知，实时更新站内信息，减少人力物力。在商家店外安装全息风扇吸引更多乘客进店，在店内安装全息风扇帮助乘客更好的了解产品细节，推动消费，带动站内经济。除使用单架的全息风扇满足小型展示需求外，可使用由多架全息风扇构成的矩阵，进行大尺寸的乘车信息、政策宣传、文化宣传及广告显示，较LED 成本更低。

4.3 真全息无屏显示技术应用

空气成像是可交互的空中成像技术，其典型的价值体现在使用者可以与投影产生的空气中的立体影像进行交互，可通过手、笔等的工具来操控这些立体影像，实现放缩、拉近、拉远以及滑动等。该技术可以在车站进行以下应用：

（1）“无接触”的自助售/取票机、电梯虚拟按键

在自助售/取票机上增加空气成像装置，将自助售/取票机的操作界面呈现于空中，乘客直接点击空中的操作画面，即可完成购票、付款、打发票等功能，真正做到“无接触”；将电梯按键呈现在空中，乘客通过点击空中的按钮选择楼层，这项技术在疫情防控常态化的背景下，可最大限度降低交叉感染风险。

（2）站内导航

在现有查询机的基础上增加空气成像功能，立体展示车站结构图和导航路线，支持乘客通过手势、语音等的方式操控展示的路线、地图，以便旅客更好地了解和掌握车站的构造，更加容易地记住行走路线。

4.4 非传统屏幕无屏显示技术应用

非传统屏幕无屏显示是指采用新型的投影装置，实现不依赖传统幕布的投影，该技术可以进行以下应用：

（1）站台地标

目前，站台上粘贴了不同颜色的地标标识列车车门的位置，但由于车型多且运行方向不同，乘客很难快速辨别。部分车站安装了电子地标，可实时更新列车停靠信息，但标识位置固定、安装难度大。因此，在站台上安装非传统屏幕的电子地标，在列车进站之前将列车信息精准投影在站台地面上，投影位置可根据列车车型和运行方向实时调整，列车进站之后投影在列车车体上，方便乘客快速准确找到车门。

（2）引导标识

将雾幕投影装置安装在岔路口的各个分叉线路的顶部，使得每个岔路口能够被不同的雾幕区分开，雾幕屏上的立体标识能够引起乘客注意，让乘客清晰地看到引导标识，使乘客在确认好各个岔路走向何处后再做出选择，减小错误发生的可能性。

（3）信息提醒及广告展示

在站内通道处使用雾幕投影将通道打造成“幻影通道”，在雾幕上投影广告标语或者乘车相关提示信息，利用空气分子的不规则运动，产生悬浮于空中的飘渺而立体的视觉感受，在提示乘客通道信息的同时也能给乘客带去乐趣与新奇的科技感。