3D全息投影交通信号灯设计

关清晨 车 帅＊ 刘彦超 孙文洋 高振宁

（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

3D全息投影交通信号灯采用新一代科学技术和信息技术，减少传统交通信号灯的材料使用，通过车牌识别，在半空中悬浮成像有效地节约了电力等能源的消耗，有利于实现可持续发展。

1 国内城市交通安全设施分析

交通安全设施是城市交通基础设施的重要组成部分[1]，从使用功能上对城市道路交通设施进行分类是目前常见的一种分类方式，根据道路交通设施的不同功能主要将其划分为交通信号灯、交通标志标线、交通护栏、交通隔离设施等[2]。

城市道路常见信号灯名称及作用如表1所示。

表1 城市道路常见信号灯名称及作用

城市道路根据不同的承载功能，被划分为机动车道、公共汽车优先车道、非机动车道、人行通道等。由于交通信号灯的设计和设置等存在信号灯时长设置不合理[3]、信号灯亮度低、交通标志设置方位不正确等问题，无法对道路交通进行有效管理，驾驶员无法进行正确行车判断，从而造成城市的交通受到影响，影响车辆的正常通行，且容易增加交通事故发生的概率。

目前我国解决城市拥堵的主要措施为建设高架桥、隧道、拓宽道路、限行等方法。虽然在一定程度上解决了城市交通拥堵的问题，但机动车的数量也在增长，可能加剧交通拥堵、交通事故频繁等问题[4]。

2 城市道路交通信号灯的分析

交通信号灯和交通信号标志在城市道路交通中非常常见，我国的交通信号灯根据不同的道路交通需求，由红、绿、黄三种颜色按序排列组成。

交通信号灯顺序排列如图1所示。

图1 交通信号灯顺序排列

传统的城市道路交通信号灯的灯杆、灯架都采用金属材料、型钢等，在交通路口存在交通标志与道路交通信号灯互相遮挡的现象[5]。

信号灯采用的光源通常是白炽灯和卤素灯，两种材料价格便宜，电路比较简单，但也存在一定的缺点。其一是光效低，达到一定的光输出水平需要较多的电能；其二是寿命较短，需要定期对光源灯泡进行更换，需要投入大量资金用于维护[6]。

3 全息投影技术在智能信号灯中的应用

全息投影成像应用效果如图2所示。

图2 全息投影成像应用效果

全息技术又称全息照相术、全息摄影术，在照相胶片或平板上通过记录光波的振幅和相位分布并再现物体三维图像，产生立体视觉。全息技术通过记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）实现3D视觉效果[7]。

投影技术目前是应用较为广泛的一种显示技术[8]。3D全息投影技术也称虚拟成像技术，基本原理是在拍摄的过程中利用光的干涉原理记录拍摄物体的光波信息，在成像过程中利用光的衍射原理再次显现物体相关的光波信息，从而再现物体真实的三维图像。

全息投影成像原理如图3所示。

图3 全息投影成像原理

现阶段，合理分配交通信号灯时长是提高道路交会路口车辆通行效率的关键，增强道路交通信号灯的可视性与识别性是解决现阶段我国城市道路交通安全问题的关键节点。因此，改变传统交通信号灯的固有方式，采用新型科技制作更具有视觉冲击效果的交通信号灯非常必要。

4 全息投影运用于交通信号灯的优势

4.1 经济层面

从经济层面上看，交通投影信号灯虽然在造价方面高于普通交通设施，但其使用率高，功能完善，能够有效避免道路交通事故[9]。此外，本项目替换了传统交通信号灯使用的信号灯立柱、横臂、电源线、信号线等材料，间接节约了矿产资源以及半导体芯片等昂贵的材料[10]。

4.2 技术层面

从技术层面上看，全息投影技术可以在空中成像，且不需要借助物质作为成像载体，说明其在复杂的城市道路环境中实施具有非常大的可行性。采用新型科技，制作更具有视觉冲击效果的交通信号灯，可以为司机以及路人提供更清晰、更直观的交通信号提示[11-12]。

4.3 交通环境

从交通环境方面来看，本项目的新型信号灯打破了传统信号灯双方向红绿灯固定时长的特点，可根据车流量进行智能控制通行时长，在保证安全、节约能源的基础上，减少了机动车频繁启停和无效等红灯，提高车辆的行驶连续性，进而提高道路交会路口车辆的通行效率[13-15]。

4.4 道路交通安全

从道路交通安全方面来看，传统交通信号灯在夜间亮度较低，不利于司机夜间行车[16-18]。本项目改善了夜间行车光线差、能见度低的弊端。3D全息投影交通信号灯在夜间的亮度比传统的LED交通信号灯的亮度高，可见度更好，高清车牌识别系统可以使夜间行车的司机能够提前知道前方有交通信号灯以及是否为十字路口，提醒司机降低车速，观察交通信号灯颜色，也可以使夜间的行人在过马路时的视线更广阔。

4.5 环境保护

从环境保护方面来看，目前的交通信号灯所采用的制作材料在其生产过程以及原材料开采过程中，都会伴随额外的碳排放。相较传统交通信号灯的材料使用，3D全息投影交通信号灯采用新一代科学技术和信息技术，使用环保无污染的3D全息投影仪和高清车牌识别机作为主体结构，再通过计算机进行远程控制，从而达到交通信号灯的作用。

5 结语

全息投影技术目前在国内的研究尚处在研究开发时期，技术的开发和应用仍在不断发展和完善。因此，本项目还需要结合数字化技术、自动控制技术等共同研究，针对交通信号灯红绿灯的时长合理配置，信号灯亮度低等问题后续进行深入研究。本项目目前还处于试验研究阶段，还需要现场中试，最终设计出一款成熟、稳定、适用于现阶段道路现况的新型交通信号灯。