基于全息投影的新冠疫苗接种方舱设计研究

王珍　丁栋　张丰烁

关键词：疫苗接种 全息投影 智能规划 方舱设计 秩序高效

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）07-0158-03

引言

自新冠肺炎疫情发生以来，我国医科团队积极研发新冠肺炎病毒灭活疫苗，为抗击新冠疫情提供了强有力的保障。随着新冠疫苗临床试验的稳步推进，全国范围内现已开展大规模的疫苗接种工作。由于我国人口基数庞大，大规模接种点多为大型公共空间的直接转化，因此整项接种工作具有“工程繁巨、耗资不菲”的特点，为解决此问题文章提出了一种基于全息投影的新冠疫苗接种方舱设计方案，可以减少场地布置中各种隔断的耗材和占地，更加智能的为社会减负。

一、国内外疫苗接种现状

据《江南晚报》6.13日报道，国务院联防联控机制召开新闻发布会发出通报，截至6月10日，全国累计报告接种新冠病毒疫苗84529.9万剂次，已经覆盖6.22亿人，无论是在疫苗剂次上还是在覆盖人群数量上，我国都居于世界首位。[1] 随着新冠肺炎疫情在全球的蔓延，全球已有56个国家和地区开启新冠疫苗接种工作，然而由于国情不同，新冠疫苗的接种工作无论是在试剂数量还是人员管理方面都有很大的困难。

（一）全球疫苗分配严重不均：新加坡《联合早报》6.1日援引英国《卫报》报道，全球新冠疫苗分配严重不均，目前已接种的13亿剂新冠疫苗中，只有1%是在非洲接种的。来自非洲、亚洲、拉丁美洲和加勒比地区的多个国家正面临着疫苗数量不够，运输、存储、医疗基础设施不足等问题。[2] 截至2020年9月14日，非洲57个国家人口总数已逾12.8亿人次，约占全球总人口的17%，在这样庞大的人口基数下，非洲目前所持有的新冠疫苗仅为2800万剂次，对于整个非洲大陆来说可谓是杯水车薪。

（二）疫苗接种工作存在问题：当前国内陆续开展新冠疫苗接种工作，由于接种流程具有人员流动性强，接种速度快的特点，越来越多的新冠疫苗接种点采用方舱医院的概念实施相对隔断以确保接种秩序和效率，见图1。“方舱”所产生的隔断空间、导视系统、警示标语等一系列的设计需要耗费各种材料和设计成本，在搭建和拆除过程中又会用掉很多人力资源，且疫苗接种过后场地道具多作为医废垃圾处理，因此“方舱”概念下的疫苗接种工作仍有一些问题。此外，人们疫苗接种后还需前往留观区静候30分钟，若无异变则自行离开。接种人员在这30分钟内即便是没有不良反应，其等待过程也是相当乏味的。笔者在对周边疫苗接种现场进行实地调研后发现，上海松江大学城体育中心的接种人群在留观区并无消极情绪，其原因主要是留观区环绕着冰球赛场，冰球赛事与观众的高强互动性使得留观人群忘记时间的流逝，见图2，所以在疫苗接种环节的设计中还应注重缓解人们的心理压力和焦躁情绪。随着5G技术的到来，上述问题借助于大数据和人工智能完全可以解决，因此文章认为“方舱”概念虽然方便，但需要升级。

（三）疫苗接种范围逐步扩大：当前新冠疫苗接种人群的年龄在18-59岁之间，[3] 并且不能有任何禁忌和不宜接种的其他情况。国药中成北京所和北京科兴中维公司研制的灭活疫苗经审批后开展了3到17岁人群二期临床试验，其试验数据得到了专家的充分认可。国家有关部门规定，新冠疫苗在有需要的情况下用于3到17岁人群的接种。[1] 针对60岁以上的老人是否适合接种新冠疫苗的问题，国家卫健委表示目前已经对重点人群中有接种需求的老人进行了临床试验，下一步将按照《新冠病毒疫苗接种实施技术指导方案》（第一版）的具体要求有序做好老年人的接种工作。

（四）疫苗接种服务持续升级：为进一步提升新冠疫苗预防接种服务能力，各地新冠疫苗接种“方舱”运行工作持续推进。如湖北新冠疫苗接种便民服务不断优化升级，增设了接种机构、大型方舱式接种点和移动接种车。这些“方舱”大多设置在大型体育场、临时集中接种点、游泳馆等，场地布置和接种工作的引导与开展成为了一项工作重点。虽然相比固定的疫苗接种点，接种方舱具有搭建速度快、流动性强，安全性高的特点，但是在这些流程中需要耗费大量的人力和时间提前进行场地规划和布置，并且存在资源利用不充分的问题，因此亟需对接种方舱进行智能化转型。

二、全息投影技术简述

全息投影技术是一种3D立体呈现技术，1947年英国物理学家丹尼斯·盖伯在研究增强电子显微镜性能手段时偶然发明了这种技术，经过几代人的研究与发展到今天日渐成熟。文章运用文献分析法对全息投影技术的技术原理、投影特点、技术应用和发展前景展开综述，并据全息投影在生活中的运用寻其于疫情防控工作的可能性。

（一）技术原理：全息投影技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。[4] 所谓“全息”即全部信息，包括被摄物体的振幅和相位信息。以照片拍摄为例，相机除了记录被摄物体的轮廓、色彩等二维信息还会记录被摄物体的相位信息，即物体在环境中的空间关系、运动轨迹、观察距离等。我们所拿到的静态照片事实上是经过了对相位信息和光强信息的逻辑处理，然而并未对相位信息中的动态过程进行储存。全息投影则是记录并再现物体真实的三维图像，人们在投影场景下不需要借助3D眼镜就可以获得真实的空间视觉感受。全息投影技术主要分为透射全息投影、全息膜投影、激光旋转投影、雾幕投影和空气投影。透射全息投影主要是应用了物光和参考光，相机在拍摄时同时记录了光强和相位从而呈现出视觉上的纵深感，当我们去看全息投影拍摄的感光底片时，只能看到指纹一样的干涉条纹，但在激光的照射下，我们的眼睛可直接透过底片看到被拍摄物体的三维立体图像，从而可以从任意角度观看悬浮于实景中的虚拟立体影像。全息膜投影则是借助了一层透明度很高的薄膜来反射出全息影像，使用时需要将全息膜相对于水平面45°放置，通過投影装置投影在全息膜上，经其折射得到逼真效果。它的实现依赖于暗光的搭配，因此对环境有很高的要求。激光旋转投影主要应用于展陈设计中，其原理为通过高速旋转的镜面来反射打在其表面的激光，利用观众的视觉差来制造3D效果。雾幕投影由空气的微粒反射镭射光的光波而得，在实际应用中需要人工借助雾化设备制造大量喷雾从而形成雾墙，再由投影仪将图像投射到雾墙上，从而形成虚幻的立体图像。空气投影与海市蜃楼的原理有些相像，其工作原理是通过一套投影系统和一个空气屏幕系统，直接在空气中呈现具有交互功能的图像，[5] 空气投影所构建的虚拟场景更加真实，可以真正不依赖于屏幕和全息模等媒介。

（二）投影特点：全息投影技术的最大特点在于体验者不需要借助3D眼镜便可得到真实的三维视觉效果，从其应用方式来看总结为以下四个特征：

1.互动性：全息投影最大的一个优势就是所要即所得。以往我们获取服务信息需要借助第三方的支持，譬如电子屏的使用。全息投影可以帮助我们在处理信息时脱离第三方平台的束缚，弱化距离感，增强互动体验。我们在生活中会发现身边大大小小的产品都在朝模块化发展，其本质在于打破传统产品的静态、一体化设计，实现更加多元的服务。在舞台演出中全息投影技术打破了LED屏过往所受到的限制，给舞台营造更具科技感、时尚感的灯光效果，[6]配合声音控制技术、红外线动作捕捉的全息投影可以令使用者身临其境，借助触摸屏还可以实现用户与信息的趣味互动，从多重感官调动用户的使用情绪和积极性，从而最大程度地保证信息的准确传递与接收。

2. 个性化：由于全息投影的呈现形式并非实物，因此基于该技术下的场景具有实时更替、重组的能力。人们在商场购买衣服时往往在逛很多家后仍無法选中自己想要的衣服，整个过程看似无成本支出，实则对顾客和店家都造成了一定的损失。举例来说，顾客在试换各种衣服的时候产生了时间成本，这是不可逆的，同时衣服因参与了使用环节所造成的相应磨损也是不可逆的。因此如果将全息投影与试衣间相配合，[7]顾客可以随心挑选衣物的同时又不必试穿店内的衣物，在满足个性化的同时也减少了双方的损失。

3.时效性：全息投影技术在一定程度上虽然可以不受空间的限制，但却无法摆脱时间的束缚。当预设时间结束后，投影空间将自动消失，留下来的只是一些静态图像信息。而在疫情期间做到信息在视觉感知层面的有效的传播与接收至关重要，[8]全息投影正是一个良好的传递载体。

4.引导性：全息投影具有引导人们产生正确行为的特征，譬如我们在小吃街吃完东西后会产生残食、包装纸等垃圾，而在人群密集的情况下我们似乎很难判断垃圾桶的正确方位，甚至朝着远离垃圾桶的一侧寻找。[9]而全息投影可以在空中形成引导性标志，清晰告诉游客具体方位，引导其选择正确的道路，避免因找不到垃圾桶而处于尴尬境地。

（三）技术应用：目前全息投影技术及其批量生产条件相对成熟，在设计领域的应用已屡见不鲜。由于国内外技术发展的不均衡，国内将其主要用于展览、博物馆、舞台剧、时装秀等相对较小的场合，并随着技术的不断成熟其展示效果也愈加真切。2015年春晚较早地用到了全息投影技术，李宇春与其虚拟人相互配合共同完成了佳作《蜀绣》，在观众看来就是5个李宇春在进行舞台表演，效果极为震撼，但由于技术问题还是能看出虚拟人与真人的不同。不过2021年李宇春再现春晚，舞台上出现18个身着华服的李宇春，竟看不出孰真孰假，由此看见虽时隔五年，但全息投影技术已取得很大进步。国外早在2010年将其用作舞台效果，世嘉公司在日本东京举办的“初音未来”演唱会就首次利用全息投影技术创造了演唱会的虚拟形象偶像，此后更是将这种技术的应用场景扩大化。如乌克兰的全息投影红绿灯直接利用投影仪在道路中投射了一道巨幅光墙，见图3，红色的外表与国内的红灯在色感上保持一致，同时光墙上有着类人高的白色倒计时，在这种情境下就算人们本来有闯红灯的想法也绝不敢越雷池半步。

（四）发展前景：目前国外学者对全息投影技术的研究更为广泛，且已取得了阶段性成果。文章利用Web of Science数据库对全息（Holographic）进行检索，共得到相关文献2634篇，通过VOSviewer对这些文章的关键词进行分析，得其聚类视图，见图4。聚类视图表明当前国外对于全息投影技术主要探究其展示作用，并与光效、图像和算法有着密不可分的联系。

伴随着技术开发，全息投影的发展前景一定是人机间的交互式体验，然其在发展过程中同样也面临着诸多问题与挑战。比如全息投影设备、全息膜、软件开发等都需要大量的资金支撑，一项利用该技术的舞台剧表演的基础预算就要几十万到上百万不等，且与舞台效果配套的后期技术支撑更是繁巨。[10]在未来随着研发费用的降低和技术的成熟，全息投影将会出现于我们生活的方方面面。笔者通过走访国家会展中心获悉，30㎡左右的定制型展位价格在10万元左右，在展会开始前展商需要提前一天前往场地布展，待展会结束后所搭建的展台全部作废，无法二次利用，见图5。虽然对于企业来说它们的宣传价值远超过10万元，但如果采用投影布景的方式，不仅可以减少成本支出，而且还可以享受科技带来的个性化定制。在军事领域，全息投影技术也可以用于模拟户外战场环境，以逼真的效果、显著的视觉特性大幅度提高武器的作战效能，在安全环境下还原战场环境帮助作战人员提升临场反应能力以达到在战场上应对自如的目的。当下国际卫生环境未有定势，新冠肺炎对全球的影响仍在持续，全息投影技术可以为疫情防控创造更多可能，其独特的交互体验将更有助于大型公共卫生事件的管理和布局。因此全息投影技术正以其不可比拟的虚拟效果被逐步应用，其发展前景将势如破竹。

三、基于全息投影的新冠疫苗接种方舱设计实例及扩展应用

由于国内外疫苗接种工作仍在持续，且进度不一。因此本文提出了基于全息投影的新冠疫苗接种方舱设计实例（以下简称投影方舱），来探讨全息投影于疫情防控的可能。

（一）接种人群分析：随着未成年人和60岁以上老人新冠疫苗接种临床试验的不断推进，我国接种人群的年龄范围将进一步扩大，因此在对投影方舱设计时有必要对一般人群和特殊人群在公共场合中的行为需求进行分析，进而得出投影方舱在设计时应着重考虑的设计要素。

1. 一般人群：一般人群是指听力、视力、触觉等发展良好，不受行为能力限制可以独立完成相关工作的人群，在公共空间中能自然处理绝大部分环境信息，有效应对相关工作和服务。在投影方舱中对于这部分人群的设计应考虑信息的“易得性”和“普适性”，依据人们的经验习惯从色彩、形式、布局、互动等方面给出合理规划。

2. 特殊人群：倪春洪将特殊人群分为老人、儿童、残障人士、视障人士，他认为特殊人群受行为能力和心理诉求的影响对公共服务空间中的导视系统设计需求多于常人。[11]老年人由于身体机能下降所造成的老花眼、青光眼等问题应在导视系统设计中予以高度重视，对于字体的选择应兼顾美观和易识别性，尽量采用大号字体。付永民认为对于儿童产品的设计应把握简单布局，采用儿童所喜欢的图标或符号信息，在色彩应用上应尽量使用鲜明、欢快的颜色。[12]残障人士主要为肢体活动异常、感官灵敏度降低或消失的人群，可以通过开设残障人士专用通道来提高服务质量和效率。视障人士主要为视力有明显损伤的人群，因此对于视觉环境设计有很高的要求，在场景设计时应配合光线强弱和色彩的变化给予其通行便利。[11]综上所述，四类特殊人群均对视觉系统的设计提出了相应的需求，文章认为对于视觉符号的设计应将“易得性”“互动性”“美观性”和“舒适性”纳入考虑，为投影方舱的设计提供设计原则。

（二）技术应用分析：文章选用空气投影作为疫苗接种方舱的技术手段。由于高速流动的空气可以改变气流密度，进而改变空气的折射率，因此人们利用激光投射于空气中便可得到虚拟的三维图像。以往的全息投影需要借助各种“介质”来实现其立体影像的展示，如全息膜、高速旋转的镜面、水雾幕墙等。而空气投影以“气流”为介质，气流有着不同于以往介质的独特之处，不仅实现了介质“零成本”，而且这种介质还可以不受环境的约束，随时随地被获取应用。尽管目前空气投影技术还未普及，但是諸如Waiik投影仪等先进设备已经可以完成一定程度的影像投射，并可与用户进行沉浸式互动，因此文章选用空气投影作为主要技术手段可以实现很多难点突破。

（三）设计实例分析：投影空间共设置“等候区、登记区、接种区、观察区和应急处理区”五个区域，每块区域上方有非常明显的文字标志提醒人们快速找到相应的位置，见图6。首先是等候区，传统的红色地标能在一定程度上达到接种人群间隔排队的目的，与上文所提及的乌克兰光幕红灯类似，人们依据以往的知识经验会对红色标识产生一定距离，并且这种距离主要源于人们的心理认知。但在一些疫情肆虐的国家，民众还是会抵触疫苗接种，究其根本还是内心活动的反应。红色本身就具有“危险、禁止、恐怖”的情感色彩，试想如果被接种人员缺乏安全感，红色地表的设计可能会更加剧内心的恐慌。笔者在利用Cinema 4D进行渲染时将科技蓝作为主色调以平复接种人群的各种不安情绪，同时在等候区设置了红外感应模块，以“距离”为约束条件。当有人“越界”，其脚下的两条蓝色地标会瞬间融为红色方块来提醒“越界”人员，见图7。

进入场地后依次是登记区、接种区、留观区和应急保障区。文章采用方舱概念对将四个区域进行投影隔断，工作人员可以根据场地需要使用移动终端提前设置投影间数量。留观区的设计突破现有技术中的视觉、听觉层次，增加触觉体验，例如等候者可在此期间通过触摸反应建立健康检测通道，投影壁会依据不同操作提供不同的身体指标数据。接种人群在等候时如若发现疑似不良反应，投影间内的危险警报感应器将通过监测声波频率，光感、热能变化立即闪烁红色立体投影光线，引导应急保障区内的专业医护人员会携带抢救设备对出现不良反应的人群进行快速处理。

（四）方舱扩展应用：文章所提出的投影方舱概念不限场地位置、光线明暗、使用场合、使用人群等，只要符合临时、突发、短期、大型中的其中一个条件，均可使用此方案背后的运作逻辑进行场地规划。如在建筑施工中，其动工流程往往是先由工人不断地去测量各种场地尺寸、角度等相关数据，然后建筑设计师按照数据要求绘制施工图纸，待图纸过审后方可安排动工。那么在运用全息投影技术之后，可以输入整栋建筑的具体参数，并进行立体投影。工人则可以按照投影的位置进行标记，帮助建筑设计师更快更准确的进行楼宇建设。

结语与展望

全息投影作为当下热门的交互技术手段，在很大程度上推动了产业交融，为疫情防控带来了契机。文章深究疫苗接种所带来的现实问题，结合全息投影所提出的新冠疫苗接种方舱设计概念可以弥补传统疫苗接种方舱的不足，降低人员接触的可能。当下国内疫情已趋于稳定，国际环境仍错综复杂，投影方舱承其技术的特殊性可以不受地域和环境限制助力国内外疫苗接种等疫情防控措施。尽管技术的实现还有一定难度，但从技术发展的角度距其实现已不再遥远。此外，全息膜投影方式较之空气投影更加成熟，文章所探讨的投影方舱亦可借助全息膜投影技术以实现同类场景的应用。