嵌入式绘图架构选择之汽车电子显示控制器方案分析

       （原文作者： 富士通半导体 Welch Ding 丁洁早）

       引言

  从3D着色到影像变形，现今绘图显示控制器（GDC）的功能，透过各式各样的应用呈现在使用者的眼前。众多高阶图像显示控制器的产品风格与价值，塑造出让消费者目眩神迷的影像，在频谱的另一端，各种等级的GDC能明确而简单地显示资讯，让使用者一目了然看到自己想要的讯息。

  不论是简单的功能或炫丽的特色，能在绘图功能上细心投入的，最后必会在许多层面获得明显的成果。打造完美图像功能的第一步，是针对应用目标选择一款适合的GDC，并以合理的价位获得所需功能。GDC可根据其性价比分成下列三类：

  基本 - QVGA萤幕，预先着色的图形，可包括影像输入功能

  中阶 - WVGA萤幕，以2D动态绘图为主，也可支援3D，有支援影像输入功能

  高阶 - SXGA或更高分辨率的萤幕，动态3D绘图，多重影像输入

  本白皮书将为您阐述这三种GDC功能，以及它们如何达成各种应用之目标。文章最后将介绍富士通半导体阵容完备的GDC系列产品，还有该公司的360度环绕视讯影像技术。现今各种产品研发业者最重要的设计任务之一，就是充分发挥GDC各项功能优势，包括跑步机、电冰箱、智慧型手机和汽车等产品。

  1 决定嵌入式绘图架构的因素

  1.1 成本压力

  汽车产业是成本相对敏感应用领域的一个很好的例子，对于系统研发业者而言，最重要的工作就是降低零组件（BOM）成本。就基本到中阶的应用而言，研发业者可采用系统单芯片（SoC）绘图控制器来满足此方面需求，利用这种元件作为单芯片解决方案，这些GDC能透过CAN总线来和其他汽车系统进行通讯，并能切换到关机的电源模式来节省电池电力。由于内部VRAM记忆体的容量有限，加上各项系统瓶颈（像是总线速度）的限制，因此这些装置所支援的图像功能，弹性，像素填充率，以及萤幕尺寸都会受到局限。

当成本因素的重要性不及效能时，这类应用可采用多重芯片架构的高阶芯片。这些GDC依赖外部车用来管理CAN传输作业，电源，以及像是步进马达控制器等周边元件。

  此外，由于这些GDC没有内建VRAM与程式快闪记忆体，因此会利用外部VRAM来支援高效能作业，在未来，运用内建式VRAM可进一步降低高阶车用GDC成本。

  相较于汽车产业，像是医疗和航空等领域的应用，面临的成本压力相对较低。系统研发业者可选择采用独立高阶GDC芯片，因为客户愿意多花一点钱来购买更高效能。若系统一开始设计时，需要重复使用软体，而是把一个独立GDC放到系统中就是个不错的作法。

  运用一颗时脉速度约1GHz的CPU，像是英特尔的Atom，制造商可在不同产品线上重复使用一部分的硬体与软体。有些产品可使用内建在CPU内的GDC。有些对价位较敏感的产品，但对效能的要求不是很高，则可采用SoC产品，其中效能强大的CPU整合了GDC处理核心。

  1.2 终端客户的期盼

  有些应用必须配合智慧型手机常见的高阶绘图能，此类应用之广包括汽车与各种家电产品。

  而在这些应用中，系统研发业者必须确保GDC能绘制出流畅清晰的影像，让系统能针对使用者的输入讯息做快速反应，因此，若要提供能满足最终使用者的经验，GDC就不能成为系统瓶颈，才不会产生延迟。

  基本型与中阶的应用也许使用真单芯片的SoC即足够。但对于高阶应用而言，这类元件无法提供足够效能，因此需要用到含有外部VRAM与快闪记忆体的高阶（多芯片架构）芯片。

  若产品的萤幕支援24位RGB输入讯号，则24位RGB输出功能的GDC可协助避免频带效应 - 亦即相同颜色的阴影会出现急剧变化。运用24位色彩可确保图像影像外观流畅，否则，这样的应用就必须动用GDC内的抖色功能，来抵销频带效应。抖色可在画面缓冲区中套用随机的杂讯，以避免因有限的色彩深度导致的频带效应。

  尽管流畅鲜明的图像总是能吸引目光，但像是设备等应用，光靠较基本的图像功能，就能达到坚固易用的设计目标。在许多应用中，较低阶的GDC就能提供令人惊艳的效能，而且不会让零组件成本攀升。

  1.3 绘图内容的性质 - 静态或动态

  业者还必须根据图像内容的性质来挑选GDC。若内容属于静态，而且能预先判断，像是Spirite引擎这类低成本GDC就足堪重任。预先着色的位元图可储存在Sprint GDC的外部快闪记忆体。这类GDC非常适合用来处理不同色彩格式（包括使用色彩查找表或把实际像素值储存在画面缓冲区），而且还能处理透明与Alpha-blending的作业。运用资源耗用较少的压缩法，像是RLD（运行长度解码器），可大幅降低预先着色绘图的储存需求，进而降低成本。

  其他需要动态图像的应用，像是地图或随机动画等，其所需内容都是当场立即决定，这些应用需要一个具备全功能管线的GDC，可透过贴图（纹理贴图）2D或3D来着色模型。像是硬体光源与云雾等，也可发挥这类功能的效益。对于较复杂的作业而言，内含着色器的图像引擎可带来更高弹性。

  利用功能完备且具弹性的显示控制器，不仅能简化图像建置的工作，还能支援更好的图像功能，明确的说，图像开发远比控制器功能来得简单，像是弹性图层法以及支援多图层与Alpha-blending，还有各种色彩深度。

  1.4 2D或3D图像

  运用3D绘图对于GDC的效能与功能需求会有显着影响，例如，3D应用需要的顶点处理性能远高于2D应用，再加上像是贴图与Mipmap贴图等功能所需的视野校正，这些都是3D图像需要的功能（Mipmap是主要贴图的优化与调整尺寸版本，这种贴图和主要贴图储存在同一处）。它们让系统不必立即调整主要贴图的尺寸，对于效能提升有明显帮助。

  在3D图像中光是加入？轴座标，就会大幅增加处理需求。相较之下，2D绘图着色的过程则简单许多，若内容属于静态，还能预先着色，就如同本文先前所讨论，在2D或3D动态内容方面，需要用到一个全管线化的图像引擎。

  1.5 显示屏分辨率

  因为尺寸较大，分辨率较高的显示屏必须处理更多像素，因此采用较大显示屏的应用就需要更快，更强大的GDC。航空与医疗方面的应用，通常在其低阶机种需要640 × 480像素的显示屏，而在高阶机种中就需要1280 × 1024像素分辨率的显示屏。在汽车市场，低阶仪表板与中控台的显示屏尺寸通常为480X272像素，中阶机种为800X480，而高阶机种则为1280x480或更高像素。

  1.6 显示屏数量

  不论是增加单一显示屏的分辨率，或是增加显示屏数量，其所涉及到的像素数量都会以倍数增加，并需提高GDC的处理需求。虽然可以运用多个GDC来应付需求，但也有某些GDC内含的显示屏控制器能透过单一控制器来支援多个显示屏。这些GDC能多工处理视讯输出资讯，其运用两倍的显示屏或像素时脉频率的速率，就像是处理一个显示屏一样，不过这两个显示屏必须拥有相同的时序属性与显示屏分辨率。这类GDC对于汽车仪表板相当实用，因为仪表板通常有两个相同分辨率的显示屏。

  另一方面，有些GDC整合了超过一个显示屏控制器，能驱动多个不同时序与分辨率的显示屏。这类控制器的成本会低于两个独立式GDC，设计工作也较简化。这其中一个典型例子，就是车用抬头显示器（HUD），HUD在仪表板上的显示屏分辨率就低于主显示屏，而也有一种汽车应用是运用单一GDC来控制仪表板与中控台显示屏。

1.7 视讯撷取的需求

  GDC针对不同的显示屏影像输入来源提供各种功能，包括摄像头或其他讯号来源。有些GDC整合了必要的模拟威廉希尔官方网站 来支援模拟式NTSC（美规）/ PAL（欧规）的影像输入讯号，这些控制器对于基本视讯撷取应用而言相当实用。而其他GDC则支援数位YUV / RGB视讯格式，或需搭配AD转换器。

  对于需要撷取多重视讯的应用而言，可采用较高阶的GDC，这类元件整合多个视讯撷取单元，其显示屏控制器亦必须更强大，才能处理多重输入讯号，并把视讯串流重叠到影像上。

  汽车抬头显示器就是这种功能的另一项应用。由于影像投射在挡风玻璃上，为了配合挡风玻璃的曲度，其影像的调整处理过程便会类似鱼眼校正。

  影像的变形需要有内建3D功能的GDC来调整。若GDC能调整视讯影像的分辨率高低，对系统会很有帮助。

  支援多重摄影处理的全景系统提升驾驶辅助系统之功能

  另一项特殊应用可能成为未来汽车的重要功能，就是利用装在车体四周的多部摄影机，将其输入影像结合成一张图像。这种应用中的系统必须要能处理高分辨率视讯，再加上各种特殊影像处理功能，以接合成一张环绕全景的影像。

  理想的解决方案，是采用一个能够支援多重视讯输入格式，并具备高速影像处理功能的GDC，这种方案不需要外部FPGA就能建置这些功能，并达到必要效能，将3D着色功能纳入GDC内，系统便可将接合影像对应到碗状表面，以显示出逼真，无扭曲的360度车体四周环绕影像。

  1.8 特殊需求

  在许多情况中，各种特殊需求也会影响GDC的选择。本章节接下来将会介绍这些需求。

  1.8.1 影像变形调整

  摄影机本身就存在镜头鱼眼扭曲的问题，导致拍出的影像出现变形。若摄影机没有内建功能来校正此问题，GDC就必须运用一种名为影像变形的功能来校正扭曲影像，此过程会将输入视讯影像对应到3D表面，借以消除鱼眼扭曲。如下图所示，图像表面是由一组包含（X，Y，Z）座标点的模型网格所产生。

1.8.2 安全应用

  在汽车产业，像是影像增强与物体侦测等功能，可协助防范意外与拯救性命。建置这类功能，需要动用GDC内部的特殊影像处理模块。

  世界许多地区的管理当局规定许多安全功能，像是签章单元 - 这种检查码功能可确保图像内容显示在显示面板上的正确位置。将这种功能内建在系统中，可节省成本以及CPU耗用资源。

  1.8.3 支援旧硬体/软体和独立GDC需求

  某些应用必须重复使用先前设计案的CPU，借以支援各种旧型需求，而且无法重头开始设计。这些应用通常可善加运用独立式GDC，这类GDC没有内建CPU，而且可透过记忆体， PCI，或PCI Express的总线来和旧型CPU进行通讯。这种方式能支援可扩充设计，与各种不同效能和功能组合。

  1.8.4 序列链路连结远端显示屏

  有些应用需要连结远离GDC的远端显示屏，这类产品需要利用像是APIX这类高速序列总线，来把视讯内容传送到显示屏。这种组态让系统能采用客户机/服务器架构，由GDC扮演主控端，而显示屏则是从属端。分头独立开发从属端与主控端系统，将有助于降低主控端的软体与检验成本，因为印刷可重复用在整个系列的多款产品上。如果高速序列输出功能是整合在GDC内，这类建置方案将会非常有用。

  2 富士通的GDC方案

  如下图所示，富士通提供众多GDC，涵盖各种类型的应用，包括高阶型到基本型。在每个类型当中，富士通均提供一款适合各类型应用的，整合CPU，GDC，以及各种周边元件，这些元件将在以下章节详细介绍。如果系统并不需要从基础开始组装，而且必须延用一部分的旧元件，富士通的全系列独立GDC会是极具吸引力之方案。

  2.1 以下产品适合支援需要基础且独立之GDC且对成本敏感之应用

  MB86291“Scarlet”是一款第二代GDC，具备3D着色功能以及一个几何座标处理器，此款元件支援视讯输出与输入功能。2MB的内建VRAM记忆体可节省PCB空间与成本。

  MB86276“Lime”与MB86277“Mint”是没有内建几何座标处理器的GDC，但仍支援z-buffer元件。Lime能同时驱动两个多工显示屏。Lime与Mint（以及Scarlet）拥有SRAM接口来连结外部CPU。

  MB88F332“Indigo”是APIX应用的专属元件，它具备所有汽车必要的周边元件，包括脉冲调变器（PWM），步进马达控制器，类比至数位转换器（ADC）等。

  MB88F333“Indigo- L”是Indigo的低成本版本，它采用相同架构，但结合一组优化的周边元件，并采用较小封装来降低成本。

  富士通的中阶应用方案可兼顾成本，功能，以及效能：

  MB8629x“Coral”系列的GDC属于全功能独立式3D产品，这些GDC运作时频率166MHz。

  富士通的高阶独立式GDC提供卓越的效能与/或支援适合的专属应用。所有这些独立式产品都能运用GDC搭配外部CPU：

  MB86297“Carmine”是一款极强大的OpenGL ES的1.1产品，支援两个独立视讯输入与输出端

  MB86298“Ruby”是最新的独立式GDC，采用的OpenGL ES 2.0核心，并内建着色器引擎，这款产品支援四个独立视讯输入与两个视讯输出端。

  富士通的GDC产品将CPU、GDC，以及周边元件，都整合到一颗单芯片中，可提供高整合度以及具吸引力之成本：

  MB91590“Sapphire”采用富士通的专利32位元RISC微控制器，并内建一个双核心GDC，包含位元模块转换器（位块传送或BLT），以及Sprite引擎。而其整合1MB的快闪记忆体与800KB的VRAM记忆体，并提供一个外部接口来连结平行或串行式快闪记忆体。Sapphire对于基本产品而言非常实用，让这类产品能采用预先着色的图像内容，可驱动较小的显示屏。由于Sapphire亦支援类比与数位摄像头输入，因此对于简单的摄影机应用而言相当实用。

  在中阶应用方面，MB86R0x“Jade Family”系列提供多功能，低成本的芯片解决方案，此系列元件具备333MHz的的ARM926EJ - S强大的CPU，并内含一个完整的3D图像引擎。Jade系列支援独立的双视讯输入与输出端，此系列中的一款元件，B86R02“Jade- D”支援APIX，另一款MB86R03“Jade- L”则建置适合低成本系统的功能。Jade相当适合支援中阶应用，这类应用须处理动态内容并需要3D管线，但屏幕分辨率则属于800 × 480的等级。此系列元件亦支援较高的屏幕分辨率 - 最高达1280x768的像素。由于其结合视讯撷取与3D功能，使此系列元件能处理影像变形功能，可校正摄影机或屏幕的扭曲。

  MB86R1x“Emerald Family”是富士通最新的2D/3D 绘图SOC芯片，整合了GDC与GPU。此款尖端元件包含一个强大的ARM的Cortex - A9处理器，时脉高达533MHz，并含有的OpenGL ES 2.0技术与着色器图形引擎。Emerald拥有4个独立视讯输入端，以及3个独立视讯输出端，它还提供丰富的周边组合。这些功能让Emerald成为极具吸引力的元件，能为高分辨率的屏幕提供动态与精采的3D内容。由于支援多重视讯输入与内建影像处理功能，Emerald亦适合用在多重摄影机的驾驶辅助系统与安全应用。Emerald- L与Emerald- P的主要差别，是Emerald- P速度较快，CPU主频533MHz，且具备APIX接口来支援高速序列像素链路。Emerald-L的CPU主频是400MHz。

  2.2 富士通的360度环绕视讯影像技术

  一组专门针对多重摄影机先进驾驶辅助系统之工具组

  富士通亦提供360度环绕视讯影像技术，作为一种多重摄影机驾驶辅助与安全应用，这种技术亦整合成富士通的绘图芯片功能组。富士通的技术采用先进的3D算法，把四部摄影机的影像结合，组成一个涵盖360度的全方位车辆围绕视图。富士通的技术具备一项重要创新，就是能提供动态更新的可自设视角，或“自由视角点”。系统研发业者与驾驶人可利用“自由视角点“来选择特定驾驶情境下的最佳视角 - 包括虚拟三维之”第三者“视角，可同时看到车辆与四周影像。

  3 结语

  总结来说，现今极广泛的GDC功能，让元件选择成为应用开发的一个重要环结。富士通协助简化这种选择工作，针对各种应用提供许多量身打造的GDC选择，这些GDC产品都具备多元功能，并且获得业界肯定，具备竞争力与成本效益。