CN1538366A - 隧道列车随动画面系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道列车随动画面系统，特别是这种系统的设计方法。在这种设计方法中，在确定了效果所要求的每秒展示画面帧数m的基础上，所述系统中的各灯箱的宽度用公式：L_n＝(v/m)+(2n－1)·(a/2)·(1/m²)，L＝((v/m)+(a/2m)确定；画面间距可以用公式d_n＝v₀t/36+at(n+0.75)/10m+at²/2000(cm)确定。在采用这种方法设计的隧道列车随动画面系统中，由于画面的宽度作为列车行驶速度和加速度的函数而变化，所以，基本上在除站台以外的地铁的全程都可以播放影片，特别是可以长时间地播放广告，为地铁公司增加效益，也增加了乘客乘车时的乐趣。

Description

隧道列车随动画面系统的设计方法

                     技术领域

本发明涉及一种隧道列车随动画面系统的设计方法及由此方法设计的隧道列车随动画面系统。所述隧道列车随动画面系统可以在地铁中实施，也可以在海底列车隧道、煤矿中的载人列车巷道以及较长的山洞列车隧道中实施，还可以在两侧设置了隔音壁的地面铁路沿线实施。

在这种随动画面系统中，在沿隧道的两壁上设置一系列逐渐变化的画面，利用人的视觉暂留效应、似动心理及放电影的逆原理，当以一定的速度行驶时，车内的人就会看到放电影的效果。这种系统既可以为广告发布开发新的媒介，也可以用来播放故事片、风光片等等，使旅客乘车的同时得到艺术享受。也可以用其播放广告，充分利用现有设施为地铁或铁路系统创造更大的利润。

                     背景技术

早在上世纪四十年代已经有人提出了类似隧道列车随动画面系统的想法。半个多世纪以来，这个领域中的专利申请量不少于一百多份，其中授权专利也很多。但是迄今为止，这种放映方式还没有得到实施。阻碍这种技术实施的主要原因在于尚没有人提出能够达到较理想的放映效果的画面的尺寸。在CN1337661A中提出，“每幅图画的大小与列车的一块窗口相符”，这种过于简单的设计完全没有考虑人的视觉暂留时间，也没有考虑到列车速度的因素，所以不可能达到放映的效果。一些人进一步提出了按照每秒24帧的原则设计画面的尺寸。特别是在CN1326174A中具体地提出了画面的尺寸为0.8×0.6米，每幅之间的宽度为0.05-0.1米，这一尺寸是根据80公里的时速估算出来的，当列车运行速度不是80公里时便不适用，其画面间距也不可行，实施时并达不到类似于电影的效果。

随着广告业及相关技术的发展，在地铁隧道设置可供观看的画面，成为了一个可以实现的利润增长点，关键在于：在列车各种匀速变速状态的前提下，基于不同的展示(电影、动画卡通等)效果的要求，如何确定画面的尺寸。

与本发明有关的电影技术参数有：无声电影画面16帧/秒，有声电影画面24帧/秒，电影最高放映速度72帧/秒。在以24帧/秒放映电影的情形下，每1/24秒的单位时间里，1/4的时间用于拉片(同时遮光)，3/4的时间画面静止(中间有一次遮光，这样每幅画面在荧幕上出现两次)，画面闪烁频率为48次/秒；人的视觉暂留时间为1/30到1/5秒；动画效果的每秒帧数视展示要求定。同时灯箱的超薄化使其可以安全地匹配地铁隧道的各种限界。本发明用这些参数来确定前述画面的尺寸。

                     发明内容

本发明的目的就是要提供一种隧道列车随动画面系统，其使乘客在列车匀速变速运行时都能够欣赏短片和卡通，因此，充分利用了隧道的全长。通过将列车经过的线形长度与电影放映中胶片状态的时间长度等量齐观，本发明试图达到的这种效果以一种新颖的隧道列车随动画面系统的设计方法实现的。这种设计方法的主要特征在于，在根据效果要求确定每秒展示画面帧数的前提下，根据列车行驶速度来确定画面的宽度和两画面的间距之和(即两幅相邻画面的中心点之间的距离)。这里所说的画面宽度是指画面在列车行驶方向上的尺寸。由于列车每次在两站之间同一位置上的速度基本上相同，所以，上述速度与宽度和间距之和之间的关系可以转化为位置与宽度和间距之和之间的关系，例如，距起始站的距离与宽度和间距之和之间的关系。

下面推导出画面宽度及两画面间距之和L与列车行驶速度V之间的函数关系。

设：运行中的列车在T秒的时间内从速度V₀(km/h)变速为速度V_T(km/h)，其加速度为a，路程为S，期间瞬间速度为V_i(i取从1-T的整数值)，

则： $a=\frac{V_T-V_0}{T}$

$S=V_{0}T+\frac{1}{2}a\·T^2$

V_i＝V₀+a·T_i

在i取值特定时刻的情况下，以1/m(m为大于2.5的数，等于每秒展示画面的帧数)秒为单位时间，计算列车的位移如下：

$S_1=\frac{v_i}{m}+\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2},S_2=\frac{{2v}_i}{m}+\frac{a}{2}\·\frac{2^2}{m^2},S_3=\frac{{3v}_i}{m}+\frac{a}{2}\·\frac{3^2}{m^2}$

$......,S_m=\frac{{\mathrm{mv}}_i}{m}+\frac{a}{2}\·\frac{m^2}{m^2}$

则：在各个单位时间里，列车与乘客的位移为：

$L_{1i}=S_1=\frac{v_i}{m}+\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}$

$L_{2i}=S_2-S_1=\frac{v_i}{m}+3\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}$

$:L_{3i}=S_3-S_2=\frac{v_i}{m}+5\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}$

$L_{\mathrm{ni}}=S_n-S_{n-1}=\frac{v_i}{m}+[n^2-{(n-1)}^2]\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}=\frac{v_i}{m}+(2n-1)\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}...\left(1\right)$

式中n＝1，2，3，......m

也可以将列车在第i秒内的位移S_i作m等分，求取L_ni的近似值L_i。

$S_i=V_i\×1\left(s\right)+\frac{1}{2}a.{\left(1s\right)}^2=V_i+\frac{a}{2}\left(\mathrm{cm}\right)$

$L_i=\frac{S_i}{m}=\frac{v_i}{m}+\frac{a}{2m}......\left(2\right)$

L_ni或L_i可以视为第i秒内第n号画面所能占用的宽度，包括画面宽度1和画面间距d。

当加速度a＝0时，即，列车匀速运行状态下，V₀＝V_i，

(1)式可以简化为： $L_{\mathrm{ni}}=\frac{v_i}{m}......\left(3\right)$

(2)式可以简化为： $L_i=\frac{v_i}{m}......\left(4\right)$

则 $L_i=L_{\mathrm{ni}}=v_0(\mathrm{km}/h)\×\frac{1}{m}\left(s\right)=\frac{v_0}{36}(\mathrm{cm}/\mathrm{ms})\×\frac{1000}{m}\left(\mathrm{ms}\right)=\frac{27.8}{m}{v}_0\left(\mathrm{cm}\right)$

比照正常速度播放的电影，m＝24(即每秒展示24帧画面)时，则可以得到相当于电影的效果。这时：

$L_i=L_{\mathrm{ni}}=V_0(\mathrm{km}/h)\×\frac{1}{24}\left(s\right)=\frac{v_0}{24}\×\frac{100000}{3600}=1.158V_0\left(\mathrm{cm}\right).$

由于将速度V作为秒i的函数是很不实际的做法，因此，可以将上述(1)、(2)式中的下标i去掉，得到：

$L_n=\frac{v}{m}+(2n-1)\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2}......\left(5\right)$

$L=\frac{v}{m}+\frac{a}{2m}......\left(6\right)$

以及a＝0时的

$L=\frac{27.8}{m}v......\left(7\right)$

式中V为列车的瞬时速度，L的起点位于速度恰为V处。

在明确不同的展示效果的要求的前提下，按照本发明，所述隧道列车随动画面系统的设计方法包括如下步骤：

a.确定各画面的宽度与两画面间距之和L(即两幅相邻画面的中心点之间的距离)；

b.确定各画面的间距d；

c.确定各画面的高度h；

其特征在于：上述步骤a进一步包括：

a.1确定两相邻站台之间的一站内各处列车行驶的速度V和加速度a；

a.2根据步骤a.1中确定的各处的速度V，利用上面的式(5)和式(6)来计算出各处的画面宽度与画面间距之和L。

b.画面的间距，实际上起到类似电影遮光拉片的效果，同一幅画面的遮光可以由画面的频闪照明实现(当m＝24时，频闪可采用大于等于临界频率48次/秒)，更换画面的遮光拉片则以画面间无光泽的黑色间距替代实现。

假设在每个单位时间1/m里，先设置画面，再设置间距，则d_n＝v_n+at²/2＝[v₀(km/h)+a(m/s²)·(n/m+3/4m)(s)]·t(ms)+a(m/s²)t²(ms)/2＝v₀·100000/3600000(cm/ms)·t(ms)+a·100/1000000(cm/ms²)·1000/m(ms)·(n+0.75)+100at²/2000000(cm)

＝v₀t/36+at(n+0.75)/10m+at²/20000(cm)

比照电影以正常速度放映，每1/24秒的单位时间里，1/4的时间用于拉片(同时遮光)，t＝1/24·1/4(s)＝10.42(s)，

若m＝24，d_n＝0.289v₀+0.0434an+0.038a(cm)

若m＝16，d_n＝0.289v₀+0.0651an+0.054a(cm)

当a＝0，t＝10.42(ms)，即列车匀速运动时，d_n＝v₀t/36(cm)

这时，d_n＝L_n/4(cm)

当t＝1/96(s)时，d_n＝0.289v₀(cm)

c.由a，b得出的数值，以L减d得到画面的宽度；可以运用电影电视常用的高宽比(1∶1.38，1∶1.66，3∶4)或黄金分割率将这一宽度折算出画面的高度h。

确定画面宽度时，要综合考虑列车车窗的尺寸及观看距离等因素。

确定画面高度时，也要综合考虑列车车窗尺寸(宽度约为144cm)及观看距离(依隧道限界和车体限界，观看距离约为320cm，现行电视观看距离是画面高度的4-6倍)等因素。

列车运行在各站间的中段时间，加速度a＝0，如果m取值为24(即每秒展示24帧画面)，这时，

$L=V_0(\mathrm{km}/h)\×\frac{1}{24}\left(s\right)=\frac{V_0}{24}\×\frac{100000}{3600}1.158V_0\left(\mathrm{cm}\right)$

下表列出的是在列车匀速区段、m取值为24和16时，据前述公式推出的车速与画面尺寸之间的对应关系(高宽比为3∶4，间距耗时t＝10.42毫秒的情况下)

车速(km/h)	m＝16				m＝24
									画面宽度与间距之和(cm)	间距(cm)	宽度(cm)	高度(cm)	画面宽度与间距之和(cm)	间距(cm)	宽度(cm)	高度(cm)
	35	60.8	10.1	50.7	38.0	40.5	10.1	30.4									22.8
40									69.4	11.6	57.8	43.4	46.3	11.6	34.7	26.0
	50	86.8	14.5	72.3	54.2	57.9	14.5	43.4									32.6
60									104.2	17.4	86.8	65.1	69.5	17.4	52.1	39.1
	70	121.5				81.1	20.3	60.8									45.6
80									138.9				92.6	23.2	69.4	52.1
	90					104.2	26.1	78.1									58.6
100													115.8	29.0	86.8	65.1
	110					127.4	31.9	95.5									71.7
120													139.0	34.8	104.2	78.2
	128	222.2	37.1	185.1	138.8	148.2	37.1	111.1									83.4

画面及间距的尺寸直接决定于车速和每秒帧数m，m值可以随着时速的显著变化而变化。为实现画面容量最大化，本发明建议：当车速大于等于60公里/小时，m的取值在24左右；当车速小于60公里/小时，m的取值在16左右。

对于列车变速区段，可以实地测量变速的各物理量(速度、加速度、时间)，然后以本发明推出的公式，计算画面尺寸。加速区段画面由小变大，减速区段画面由大变小，类似于电影的圈入圈出和变形电影的手法。

下表列出的是在列车变速区段，根据前述公式推出的车速与画面尺寸之间的对应关系(式中n一般为从初始速度开始的单位时间的序数，在变速过程中以时速60公里为n和m取值的变化点，时速大于60公里时m＝24，时速小于60公里时m＝16；间距耗时t＝10.42毫秒)

变速参数		画面间距与宽度之和Ln(cm)	间距dn(cm)	宽度ln(cm)
					0加速到35km/h，平均a＝1m/s2S＝47.259mT＝9.722s		Ln＝0.391n-0.2	dn＝0.0651n+0.05	ln＝0.326n-0.1
0加速到60km/h，平均a＝0.6m/s2S＝231.485mT＝27.778s		Ln＝0.234n-0.1	dn＝0.039n+0.03	ln＝0.195n-0.1
					0加速到80km/h，平均a＝0.4m/s2S＝1543.235mT＝55.556s时速达到60km前耗时41.667秒	时速达到60km之前，m＝16	Ln＝0.156n-0.2	dn＝0.026n+0.02	ln＝0.13n-0.2
时速达到60km之后，m＝24，n从达到60km/h的时刻起重新计数	Ln＝0.0694n+69.4	dn＝0.01736n+17.4	ln＝0.052n+52
				80km/h减速到0，平均a＝1m/s2S＝246.913mT＝22.222s时速降至60km前耗时5.556秒		时速降至60km之前，m＝24	Ln＝92.5-0.1736n	dn＝17.3-0.0434n	ln＝75.2-0.13n
时速降至60km之后，m＝16，n从降至60km/h的时刻起重新计数	Ln＝104.2-0.39n	dn＝17.3-0.0651n	ln＝86.9-0.325n

在按本发明所述方法安置画面时，应该使前后画面的中心线、基准点严格保持在人的视网膜同一个相应位置。

在一组画面的开始和结束的适当位置，可以设置光电开关控制画面的照明，开关的位置取决于第一节车厢进入画面区段、最后一节车厢离开画面区段的时间以及画面照明系统从通电到稳定的反应时间。这样既可以减少隧道的光污染，又可以节电。

在可以对列车播音系统进行改装的前提下，也可以用光电开关控制每节车厢的播音，使各节车厢的乘客在看到画面的同时听到相应的同期配音。

                    附图的简要说明

附图示出了本发明的隧道列车随动画面系统中的三幅画面的平面图。

                  本发明的最佳实施形式

如图所示，本发明的隧道列车随动画面系统包括沿着铁路线设置的一系列画面。画面上绘有连续变化的图案。当列车以特定速度行驶时，乘车者就会看到具有动画效果的影像。本发明的特征在于：这些画面的尺寸采用本发明的设计方法确定。

图中1表示隧道壁，2表示画面，箭头A表示列车行驶的方向。各尺寸分别为：

L画面的宽度与画面间距之和(即两幅相邻画面的中心点之间的距离)

l画面宽度

d画面间距

h画面高度

画面宽度与间距之和用上面的式(5)或(6)求出。

按照本发明的隧道列车随动画面系统的设计方法的优选的实施形式，根据车速v0和画面间隔耗时t(t可以综合现场因素优选确定)，计算画面间距d_n＝v₀t/36+at(n+0.75)/10m+at²/20000(cm)

再根据所计算出的和L、d确定画面宽度l＝L-d，

并利用既有高宽比例求出各画面的高度。

对于列车变速区段，可以实地测量变速的各物理量(速度、加速度、时间)，然后以本发明推出的公式，计算画面尺寸。加速区段画面由小变大，减速区段画面由大变小，类似于电影的圈入圈出手法。

按照本发明的隧道列车随动画面系统的优选实施形式，所述画面优选为灯箱。

在按本发明所述方法安置画面时，应该使前后画面的中心线、基准点严格保持在人的视网膜同一个相应位置。

本发明的隧道列车随动画面系统优选设置在地铁内。

由于采用了本发明的方法设计隧道列车随动画面系统，画面的宽度作为列车行驶速度和加速度的函数而变化，所以，除站台以外的地铁的全程或者选用区段都可以播放影片，特别是可以长时间地播放广告，为地铁公司增加效益，也增加了乘客乘车时的乐趣。

Claims (9)

1.在根据效果要求确定每秒展示画面帧数m(m＞2.5，m值可以随着车速的显著变化而变化)的前提下，隧道列车随动画面系统的设计方法，包括如下步骤：

a.确定各画面的宽度与两画面间距之和L(即两幅相邻画面的中心点之间的距离)；

b.确定各画面的间距d；

c.确定各画面的高度h；

其特征在于：上述步骤a进一步包括：

a.1确定两相邻站台之间的一站内各处列车行驶的速度V和加速度a；

a.2根据步骤a.1中确定的各处的速度，利用下面的公式，根据时间等分： $L_n=\frac{v}{m}+(2n-1)\·\frac{a}{2}\·\frac{1}{m^2},$ 或根据长度等分 $L=\frac{v}{m}+\frac{a}{2m},$ 再代入m、n值(n一般为从初始速度开始的单位时间的序数)，计算出各处的画面宽度与画面间距之和L(即两幅相邻画面的中心点之间的距离)，

式中V为列车行驶的瞬时速度，该速度所对应的沿线位置在距离L的起点与终点之间。

2，如权利要求1的设计方法，其特点在于：速度V所对应的位置在距离L的起点处。

3，如权利要求1的设计方法，其特点在于：速度V所对应的位置在距离L的中点。

4，如权利要求1的设计方法，其特点在于：速度V所对应的位置在距离L的终点。

5.如权利要求1的设计方法，其特征在于：根据车速v₀和画面间隔耗时t(t可以综合现场因素优选确定；比照电影放映的正常速度，t可以取值10.42毫秒)，计算画面间距d_n＝v₀t/36+at(n+0.75)/10m+at²/20000(cm)

再根据所计算出的和L、d确定画面宽度l＝L-d，

并根据宽度l，利用既有高宽比例(1∶1.38，1∶1.66，3∶4或黄金分割率)求出各画面的高度h。

6.一种隧道列车随动画面系统，包括沿隧道设置的一系列画面，各画面隔开一定间距，其特征在于：采用权利要求1所述的设计方法来确定画面的尺寸。

7.如权利要求3的随动画面系统，其特征在于：进一步采用权利要求5中的方法确定画面宽度l、画面间距d和画面高度h。

8.如权利要求3或4的系统，其特征在于：所述画面为灯箱。

9.如权利要求5的系统，其特征在于该系统设置在地铁中。

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