基于 LCD 拼接显示技术的轨道交通车载应用研究与设计

当前，液晶显示器（LCD）运用于轨道交通的多个方面，如装于车顶板用于车厢媒体信息显示的吊顶电视、装于侧墙的LCD 多媒体电视、装于车门上方用于列车站点信息显示的条形 LCD 动态地图显示屏以及安装在通过台上方的车内信息显示屏等。虽然上述 LCD显示屏都用于信息展示，但各显示屏均独立播放及控制，无法做到多元素多互动一体化拼接显示，且显示方式单一、内容呆板，无特殊应用产品的互动及智慧引导。列车大量 LCD 的应用场景无法智慧拓展，主要存在以下问题：门区动态地图仅显示站点及线路相关信息，无媒体及定制化乘客引导显示功能；LCD 独立播放控制存在信息更新复杂，播放显示不同步问题；列车屏幕众多，实际显示单一、常规的互动性和智慧性不强。  

随着 LCD 拼接技术、图像区域显示技术、图像传输及同步技术等调度控制大屏相关技术的广泛应用，制约列车 LCD 智慧化、多样化显示的瓶颈已被突破，高清 LCD 显示技术、显示图像智慧拼接技术、高速网络通信及同步技术的成熟应用，为列车的乘客信息系统智慧显示带来巨大的发展潜力，并实现列车显示多样性、高互动性、智慧化、科技化等功能的巨大升级。

目前视频拼接技术分为 LCD 拼接及 LED（发光二极管）点阵屏拼接 2 条主流技术路线， LCD 拼接显示和LED 点阵显示技术之间区别较大，特别是它们的显示技术原理不同，导致在显示效果及功能方面的区别。但 2种技术特点各有优劣，尤其体现在室内显示中。本文列举了 LCD 拼接显示与 LED 点阵显示技术在技术领域和应用领域的区别。  

2.1技术区别  

LCD是一种工业显示屏，采用液晶显示技术，主要用于工业及商用显示场合，其延续了液晶技术一系列的显示特点，包括尺寸、亮色彩对比度等。LED 屏是一种利用芯片封装而成的灯珠组成的显示屏，它是由多个单元板拼接而成，它的特点是没有拼维影响，整个屏幕中无明显拼接缝隙但分辨率较低，因此在画面播放时有明显的像素感。  

2.2显示特点区别  

（1）清晰度。LCD 单屏分辨率可达到 1 920×1 080，整个屏非常清晰。而 LED 屏的清晰度由点间距决定，总体清晰度不如 LCD 高。  

（2）亮度。LCD 亮度略高于家用电视，适合长时间观看，LED 屏的亮度较 LCD 更高，亮度太高会给人带来刺眼的感觉，故 LED 屏更适用于采光较好的场所，不适合用于室内较为封闭的房间。  

（3）色彩对比度。LCD 的对比度高，色彩丰富，显示同一个画面其色阶要比 LED 屏效果好。  

（4）完整性。LCD 在拼接处会有一条几毫米的拼缝，而 LED 屏无拼缝，所以从整体的屏幕效果对比，LED 屏更加完整。  

2.3应用环境与用途区别  

LCD由于亮度及生产工艺的特点一般只适合用于室内，而 LED 屏既适用于室内，也适用于户外。由于LCD 屏是电子产品，不具备防水功能，一旦进水会发生电子短路。而 LED 屏不同，它是由芯片封装而成，稍加防水措施即可达到防水效果。LCD 屏的主要应用场景包括安防监控、指挥调度、中小型会议室、展厅、大数据分析、融媒体等平台。LCD 可在上述场景中得到应用与其本身的特点有关，如工业级的液晶面板保证其在监控显示中的应用，高清的分辨率保证其在会议室或者展厅等场合的应用。  

LED屏主要应用在广告宣传、信息发布、大型会议报告厅等领域。应用场景如户外的广告大屏、车站与机场的班次显示、政府的大型报告厅等。其原因在于，LED 屏本身没有拼缝，更适合整屏显示，加之上述场合的观看距离比较远，弱化了其分辨率低的缺陷。  

具体选择采用 LCD 还是 LED 屏，还需根据显示效果及应用 2 方面进行选择。若需长时间开机，并追求清晰度及稳定性且用于监控显示或会议显示等场合，同时对显示和维护要求不高，则可以选择使用 LCD。若用于户外或者室内的大型场合，主要用于显示单屏画面，则选择使用 LED 点阵屏幕更为合适。  

2.4轨道交通列车应用分析  

结合以上所述 LCD 屏及 LED 屏的常规应用场景，并根据轨道交通列车主要技术指标无法实现直接安装应用的条件，需对显示屏进行定制化开发及可靠性验证评估。根据 EN 50155-2005《铁路应用——机车车辆上使用的电子设备检验规范》及GB/T 25119-2019《轨道交通 - 机车车辆电子装置检验规范》的技术指标，总结显示屏的关键指标如下。  

（1）使用寿命。列车乘客信息显示类设备寿命须不小于 8 万 h，即能正常稳定工作 10 年。  

（2）外形尺寸。轨道交通列车车厢空间有限，对屏幕的外形尺寸有特殊要求，常规 LED 屏及 LCD 屏难以直接使用。  

（3）电气接口。轨道交通列车采用 DC110V（直流110 V）及工业以太网通信，相关电气接口须根据列车要求进行定制化开发。  

（4）功耗及控制主机使用环境。轨道交通列车采用蓄电池及接触网供电，对车载乘客信息系统设备具有低功耗、低热量和小安装空间的技术要求。LCD 及 LED 屏的技术特点对比如表 1 所示。  

本文基于列车常规 LCD 屏幕外观尺寸、应用场景和显示内容，通过嵌入式系统软件设计实现画面分割、上传、同步以达到拼接显示，实现该全新显示技术在轨道交通列车上安装应用，以智能列车的全新理念，提升乘客的乘车舒适性，其设计架构如图 1 所示。LCD 在智慧列车上应用包括以下几个方面。

（1）乘客引导业务增强。运行全新全场景的 LCD拼接技术，实现列车顶板、列车端部、门区上方的全屏化环视显示效果。  

（2）影视娱乐业务增强。客室电视增加拼接显示动画、滚动字幕及安全引导，实现屏幕的显示互动性和导向性。  

（3）智慧显示业务增强。结合列车车顶常规白色顶板的大面积单一视觉，创新性引入 LCD 天幕技术，实现车顶大面积区域的智慧化场景投放，营造主题式车厢场景。  

3.1系统设计  

本文基于 3 个动态地图显示屏和 1 台控制终端进行系统设计，控制终端为服务端，3 个动态地图显示屏为客户端，控制终端调用本地资源，根据资源类型不同，做相应的逻辑设计。比如，控制终端向动态地图显示屏发送视频资源时，控制终端获取视频的每一帧数据，并将其分割成 3 部分，将分割后的数据进行流处理并编解码，然后采用多网络应用分层的传输控制协议（TCP）在无线网络中将分割后的流数据传输至动态地图显示屏，工作流程如图 2 所示。

3.2资源切割  

关于资源切割技术以控制终端上 MP4 格式视频为例进行说明。本研究将视频切割成 3 部分，假设一个视频分辨率为高清1 080 p，将其切割成 3×640×1 080并以 802.11n 标准传输，带宽为 150 ～ 300 Mbps，对于 150 Mbps 的带宽，传输速率为 17.5 ～ 37.5 MB/s，经压缩及隔行刷新的方法，传输速率提高约 4 倍，在802.11n 协议下，1 920×1 080 可达到 15 ～ 30 帧 /s。对于 MP4 格式，将其切割为每秒 18 帧，实现视频的流畅播放。控制器端调用本地视频，首先获取每帧图像。其次对获得的每帧图像按 1 : 1 : 1 比例进行显示源画面切割，将切割后的图像分别编码压缩，取其中一份进行解码，另一份传至LCD，实现显示画面的解码显示，如图 3 所示。

3.3实时传输  

由于实时传输对带宽和延迟比较敏感，因此采用网络实时传输协议（RTP）对实时音视频进行传输。RTP是针对多媒体数据流的一种高速实时传输协议，用于一对一或一对多传输。在底层面向连接和非连接的传输协议上，一般使用网络组播通信协议（UDP）进行传输。对 MP4 格式的 1 080 p 视频，以每秒 18 帧捕捉视频图片，然后将图片按序切割，每张图片分成3 部分，视频控制器将分割编码的图像以每秒 18 张的速度发送给拼接显示组的全部LCD，各 LCD 根据各自的位置和图像编码ID 对接收到的数据，收到数据后使用 LCD屏幕自带控制板的嵌入式系统提供的解码程序对所收到的数据进行解码播放，使图像经解码及编组处理后成为可播放的流媒体视频画面。  

LCD自带可以运行嵌入式 Linux 系统的主板（如瑞芯微 RK3399）具备 JPEG、PNG、GIF 和 BMP 图片格式的编解码功能，支持 3GP、WAV 和 MP3 音频格式的编解码，支持 3GP、H.263、H.264 和 MP4 视频格式的编解码处理能力。在压缩比方面，H.264 比 H.263 和 MPEG4 提高了 1 倍，有利于存储更多的视频数据。在网络传输方面，采用面向数据包编码的方法，更有益于把数据打包后在网络中传输。  

本文采用 H.264 编码方式传输数据，采用 Java 的 jni 技术，通过使用 C/C++ 编写 H.264 函数，使用 Make 对 C/C++ 源码进行编译生成库文件，嵌入式系统调用库文件可实现 H.264 编码格式的调用及画面播放显示。  

3.4时间同步  

由于 LCD 需要对传入的数据块预处理，所以接收数据后应延迟一段时间再播放，该延迟时间要足够长，以满足视频播放的同步性。延迟时间会随着网络状况而改变，所以超过延迟时间到达的数据包会丢失。本技术是在丢失率尽可能低的情况下减小播放延迟，以改善传输的实时性。具体校验同步机制如图 4 所示。

3.5实验结果  

基于列车常规 LCD 屏幕外观尺寸、应用场景和显示内容，动态地图条形屏可实现画面分割拼接显示，常规标准尺寸 LCD 可进行区域动画互动场景拼接显示，具体如下。  

（1）条形屏拼接显示。列车动态地图显示屏为长条形显示，可采用全侧板 LCD 拼接显示，增加车厢显示的动态感和立体感。动态地图拼接显示如图 5 所示。

（2）客室电视标准屏拼接显示。列车车厢客室一侧安装 3 ～ 5 块 21 寸 LCD 液晶显示屏，可通过拼接技术实现列车视频叠加拼接动画（火车、龙等）或滚动字幕，行车途中或即将到站时给乘客更直观清晰的视觉引导。客室电视动画字幕拼接显示如图 6 所示。

（3）智慧车顶大尺寸屏幕拼接显示。列车车厢顶部安装 3 ～ 5 块 55 寸LCD 液晶显示屏，可通过拼接技术实现列车车顶的星空、晴天、创意效果等显示，取代既有常规全白顶板的单调视觉效果，营造更舒适的乘车体验。智慧天窗拼接显示如图 7 所示。

在列车 LCD 拼接显示架构中，列车部署设备包括列车视频播控器、客室视频控制器、列车交换机、LCD 屏幕等设备，实现全列视频播放的集中控制和画面、动画分区播放等功能。

本文根据轨道交通列车的应用特性和技术性能指标，结合 LCD 拼接显示技术成熟的市场应用，采用工业以太网及拼接播控器全网络化架构设计，在具备示范应用或科研论证的技术条件下，针对列车 LCD 拼接显示可靠性安装的技术问题，研究得出通过采用定制化设计，从架构设计、视频资源切割、实时传输及相关的软件算法等方面同步进行开发，能够满足轨道交通列车技术和性能要求。  

基于该研究的 LCD 拼接显示技术，能够实现列车信息显示、影视娱乐、智慧显示业务的场景化、智慧化增强，并通过列车视频播控器强大的计算和处理能力实现多路视频源的分区、分场景播控，为智慧显示业务发展奠定基础。同时，该技术具备低成本、运维高效、灵活部署实施的优点，可在其他领域如高速公路隧道、大型地下广场等场景实现便捷的安装部署，提升应用场景的智慧化水平。