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? ? ? ?（原文作者：?富士通半導(dǎo)體 Welch Ding 丁潔早）
? ? ? ?引言
??從3D著色到影像變形，現(xiàn)今繪圖顯示控制器（GDC）的功能，透過各式各樣的應(yīng)用呈現(xiàn)在使用者的眼前。眾多高階圖像顯示控制器的產(chǎn)品風(fēng)格與價值，塑造出讓消費者目眩神迷的影像，在頻譜的另一端，各種等級的GDC能明確而簡單地顯示資訊，讓使用者一目了然看到自己想要的訊息。
??不論是簡單的功能或炫麗的特色，能在繪圖功能上細心投入的，最后必會在許多層面獲得明顯的成果。打造完美圖像功能的第一步，是針對應(yīng)用目標(biāo)選擇一款適合的GDC，并以合理的價位獲得所需功能。GDC可根據(jù)其性價比分成下列三類：
??基本 - QVGA螢?zāi)?，預(yù)先著色的圖形，可包括影像輸入功能
??中階 - WVGA螢?zāi)唬?D動態(tài)繪圖為主，也可支援3D，有支援影像輸入功能
??高階 - SXGA或更高分辨率的螢?zāi)?，動態(tài)3D繪圖，多重影像輸入
??本白皮書將為您闡述這三種GDC功能，以及它們?nèi)绾芜_成各種應(yīng)用之目標(biāo)。文章最后將介紹富士通半導(dǎo)體陣容完備的GDC系列產(chǎn)品，還有該公司的360度環(huán)繞視訊影像技術(shù)?，F(xiàn)今各種產(chǎn)品研發(fā)業(yè)者最重要的設(shè)計任務(wù)之一，就是充分發(fā)揮GDC各項功能優(yōu)勢，包括跑步機、電冰箱、智慧型手機和汽車等產(chǎn)品。
??1 決定嵌入式繪圖架構(gòu)的因素
??1.1 成本壓力
??汽車產(chǎn)業(yè)是成本相對敏感應(yīng)用領(lǐng)域的一個很好的例子，對于系統(tǒng)研發(fā)業(yè)者而言，最重要的工作就是降低零組件（BOM）成本。就基本到中階的應(yīng)用而言，研發(fā)業(yè)者可采用系統(tǒng)單芯片（SoC）繪圖控制器來滿足此方面需求，利用這種元件作為單芯片解決方案，這些GDC能透過CAN總線來和其他汽車系統(tǒng)進行通訊，并能切換到關(guān)機的電源模式來節(jié)省電池電力。由于內(nèi)部VRAM記憶體的容量有限，加上各項系統(tǒng)瓶頸（像是總線速度）的限制，因此這些裝置所支援的圖像功能，彈性，像素填充率，以及螢?zāi)怀叽缍紩艿骄窒蕖?/p>
當(dāng)成本因素的重要性不及效能時，這類應(yīng)用可采用多重芯片架構(gòu)的高階芯片。這些GDC依賴外部車用來管理CAN傳輸作業(yè)，電源，以及像是步進馬達控制器等周邊元件。
??此外，由于這些GDC沒有內(nèi)建VRAM與程式快閃記憶體，因此會利用外部VRAM來支援高效能作業(yè)，在未來，運用內(nèi)建式VRAM可進一步降低高階車用GDC成本。
??相較于汽車產(chǎn)業(yè)，像是醫(yī)療和航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，面臨的成本壓力相對較低。系統(tǒng)研發(fā)業(yè)者可選擇采用獨立高階GDC芯片，因為客戶愿意多花一點錢來購買更高效能。若系統(tǒng)一開始設(shè)計時，需要重復(fù)使用軟體，而是把一個獨立GDC放到系統(tǒng)中就是個不錯的作法。
??運用一顆時脈速度約1GHz的CPU，像是英特爾的Atom，制造商可在不同產(chǎn)品線上重復(fù)使用一部分的硬體與軟體。有些產(chǎn)品可使用內(nèi)建在CPU內(nèi)的GDC。有些對價位較敏感的產(chǎn)品，但對效能的要求不是很高，則可采用SoC產(chǎn)品，其中效能強大的CPU整合了GDC處理核心。
??1.2 終端客戶的期盼
??有些應(yīng)用必須配合智慧型手機常見的高階繪圖能，此類應(yīng)用之廣包括汽車與各種家電產(chǎn)品。
??而在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)研發(fā)業(yè)者必須確保GDC能繪制出流暢清晰的影像，讓系統(tǒng)能針對使用者的輸入訊息做快速反應(yīng)，因此，若要提供能滿足最終使用者的經(jīng)驗，GDC就不能成為系統(tǒng)瓶頸，才不會產(chǎn)生延遲。
??基本型與中階的應(yīng)用也許使用真單芯片的SoC即足夠。但對于高階應(yīng)用而言，這類元件無法提供足夠效能，因此需要用到含有外部VRAM與快閃記憶體的高階（多芯片架構(gòu)）芯片。
??若產(chǎn)品的螢?zāi)恢г?4位RGB輸入訊號，則24位RGB輸出功能的GDC可協(xié)助避免頻帶效應(yīng) - 亦即相同顏色的陰影會出現(xiàn)急劇變化。運用24位色彩可確保圖像影像外觀流暢，否則，這樣的應(yīng)用就必須動用GDC內(nèi)的抖色功能，來抵銷頻帶效應(yīng)。抖色可在畫面緩沖區(qū)中套用隨機的雜訊，以避免因有限的色彩深度導(dǎo)致的頻帶效應(yīng)。
??盡管流暢鮮明的圖像總是能吸引目光，但像是設(shè)備等應(yīng)用，光靠較基本的圖像功能，就能達到堅固易用的設(shè)計目標(biāo)。在許多應(yīng)用中，較低階的GDC就能提供令人驚艷的效能，而且不會讓零組件成本攀升。
??1.3 繪圖內(nèi)容的性質(zhì) - 靜態(tài)或動態(tài)
??業(yè)者還必須根據(jù)圖像內(nèi)容的性質(zhì)來挑選GDC。若內(nèi)容屬于靜態(tài)，而且能預(yù)先判斷，像是Spirite引擎這類低成本GDC就足堪重任。預(yù)先著色的位元圖可儲存在Sprint GDC的外部快閃記憶體。這類GDC非常適合用來處理不同色彩格式（包括使用色彩查找表或把實際像素值儲存在畫面緩沖區(qū)），而且還能處理透明與Alpha-blending的作業(yè)。運用資源耗用較少的壓縮法，像是RLD（運行長度解碼器），可大幅降低預(yù)先著色繪圖的儲存需求，進而降低成本。
??其他需要動態(tài)圖像的應(yīng)用，像是地圖或隨機動畫等，其所需內(nèi)容都是當(dāng)場立即決定，這些應(yīng)用需要一個具備全功能管線的GDC，可透過貼圖（紋理貼圖）2D或3D來著色模型。像是硬體光源與云霧等，也可發(fā)揮這類功能的效益。對于較復(fù)雜的作業(yè)而言，內(nèi)含著色器的圖像引擎可帶來更高彈性。
??利用功能完備且具彈性的顯示控制器，不僅能簡化圖像建置的工作，還能支援更好的圖像功能，明確的說，圖像開發(fā)遠比控制器功能來得簡單，像是彈性圖層法以及支援多圖層與Alpha-blending，還有各種色彩深度。
??1.4 2D或3D圖像
??運用3D繪圖對于GDC的效能與功能需求會有顯著影響，例如，3D應(yīng)用需要的頂點處理性能遠高于2D應(yīng)用，再加上像是貼圖與Mipmap貼圖等功能所需的視野校正，這些都是3D圖像需要的功能（Mipmap是主要貼圖的優(yōu)化與調(diào)整尺寸版本，這種貼圖和主要貼圖儲存在同一處）。它們讓系統(tǒng)不必立即調(diào)整主要貼圖的尺寸，對于效能提升有明顯幫助。
??在3D圖像中光是加入？軸座標(biāo)，就會大幅增加處理需求。相較之下，2D繪圖著色的過程則簡單許多，若內(nèi)容屬于靜態(tài)，還能預(yù)先著色，就如同本文先前所討論，在2D或3D動態(tài)內(nèi)容方面，需要用到一個全管線化的圖像引擎。
??1.5 顯示屏分辨率
??因為尺寸較大，分辨率較高的顯示屏必須處理更多像素，因此采用較大顯示屏的應(yīng)用就需要更快，更強大的GDC。航空與醫(yī)療方面的應(yīng)用，通常在其低階機種需要640 × 480像素的顯示屏，而在高階機種中就需要1280 × 1024像素分辨率的顯示屏。在汽車市場，低階儀表板與中控臺的顯示屏尺寸通常為480X272像素，中階機種為800X480，而高階機種則為1280x480或更高像素。
??1.6 顯示屏數(shù)量
??不論是增加單一顯示屏的分辨率，或是增加顯示屏數(shù)量，其所涉及到的像素數(shù)量都會以倍數(shù)增加，并需提高GDC的處理需求。雖然可以運用多個GDC來應(yīng)付需求，但也有某些GDC內(nèi)含的顯示屏控制器能透過單一控制器來支援多個顯示屏。這些GDC能多工處理視訊輸出資訊，其運用兩倍的顯示屏或像素時脈頻率的速率，就像是處理一個顯示屏一樣，不過這兩個顯示屏必須擁有相同的時序?qū)傩耘c顯示屏分辨率。這類GDC對于汽車儀表板相當(dāng)實用，因為儀表板通常有兩個相同分辨率的顯示屏。
??另一方面，有些GDC整合了超過一個顯示屏控制器，能驅(qū)動多個不同時序與分辨率的顯示屏。這類控制器的成本會低于兩個獨立式GDC，設(shè)計工作也較簡化。這其中一個典型例子，就是車用抬頭顯示器（HUD），HUD在儀表板上的顯示屏分辨率就低于主顯示屏，而也有一種汽車應(yīng)用是運用單一GDC來控制儀表板與中控臺顯示屏。
1.7 視訊擷取的需求
??GDC針對不同的顯示屏影像輸入來源提供各種功能，包括攝像頭或其他訊號來源。有些GDC整合了必要的模擬電路來支援模擬式NTSC（美規(guī)）/ PAL（歐規(guī)）的影像輸入訊號，這些控制器對于基本視訊擷取應(yīng)用而言相當(dāng)實用。而其他GDC則支援?dāng)?shù)位YUV / RGB視訊格式，或需搭配AD轉(zhuǎn)換器。
??對于需要擷取多重視訊的應(yīng)用而言，可采用較高階的GDC，這類元件整合多個視訊擷取單元，其顯示屏控制器亦必須更強大，才能處理多重輸入訊號，并把視訊串流重疊到影像上。
??汽車抬頭顯示器就是這種功能的另一項應(yīng)用。由于影像投射在擋風(fēng)玻璃上，為了配合擋風(fēng)玻璃的曲度，其影像的調(diào)整處理過程便會類似魚眼校正。
??影像的變形需要有內(nèi)建3D功能的GDC來調(diào)整。若GDC能調(diào)整視訊影像的分辨率高低，對系統(tǒng)會很有幫助。
??支援多重攝影處理的全景系統(tǒng)提升駕駛輔助系統(tǒng)之功能
??另一項特殊應(yīng)用可能成為未來汽車的重要功能，就是利用裝在車體四周的多部攝影機，將其輸入影像結(jié)合成一張圖像。這種應(yīng)用中的系統(tǒng)必須要能處理高分辨率視訊，再加上各種特殊影像處理功能，以接合成一張環(huán)繞全景的影像。
??理想的解決方案，是采用一個能夠支援多重視訊輸入格式，并具備高速影像處理功能的GDC，這種方案不需要外部FPGA就能建置這些功能，并達到必要效能，將3D著色功能納入GDC內(nèi)，系統(tǒng)便可將接合影像對應(yīng)到碗狀表面，以顯示出逼真，無扭曲的360度車體四周環(huán)繞影像。
??1.8 特殊需求
??在許多情況中，各種特殊需求也會影響GDC的選擇。本章節(jié)接下來將會介紹這些需求。
??1.8.1 影像變形調(diào)整
??攝影機本身就存在鏡頭魚眼扭曲的問題，導(dǎo)致拍出的影像出現(xiàn)變形。若攝影機沒有內(nèi)建功能來校正此問題，GDC就必須運用一種名為影像變形的功能來校正扭曲影像，此過程會將輸入視訊影像對應(yīng)到3D表面，借以消除魚眼扭曲。如下圖所示，圖像表面是由一組包含（X，Y，Z）座標(biāo)點的模型網(wǎng)格所產(chǎn)生。
1.8.2 安全應(yīng)用
??在汽車產(chǎn)業(yè)，像是影像增強與物體偵測等功能，可協(xié)助防范意外與拯救性命。建置這類功能，需要動用GDC內(nèi)部的特殊影像處理模塊。
??世界許多地區(qū)的管理當(dāng)局規(guī)定許多安全功能，像是簽章單元 - 這種檢查碼功能可確保圖像內(nèi)容顯示在顯示面板上的正確位置。將這種功能內(nèi)建在系統(tǒng)中，可節(jié)省成本以及CPU耗用資源。
??1.8.3 支援舊硬體/軟體和獨立GDC需求
??某些應(yīng)用必須重復(fù)使用先前設(shè)計案的CPU，借以支援各種舊型需求，而且無法重頭開始設(shè)計。這些應(yīng)用通?？缮萍舆\用獨立式GDC，這類GDC沒有內(nèi)建CPU，而且可透過記憶體， PCI，或PCI Express的總線來和舊型CPU進行通訊。這種方式能支援可擴充設(shè)計，與各種不同效能和功能組合。
??1.8.4 序列鏈路連結(jié)遠端顯示屏
??有些應(yīng)用需要連結(jié)遠離GDC的遠端顯示屏，這類產(chǎn)品需要利用像是APIX這類高速序列總線，來把視訊內(nèi)容傳送到顯示屏。這種組態(tài)讓系統(tǒng)能采用客戶機/服務(wù)器架構(gòu)，由GDC扮演主控端，而顯示屏則是從屬端。分頭獨立開發(fā)從屬端與主控端系統(tǒng)，將有助于降低主控端的軟體與檢驗成本，因為印刷可重復(fù)用在整個系列的多款產(chǎn)品上。如果高速序列輸出功能是整合在GDC內(nèi)，這類建置方案將會非常有用。
??2 富士通的GDC方案
??如下圖所示，富士通提供眾多GDC，涵蓋各種類型的應(yīng)用，包括高階型到基本型。在每個類型當(dāng)中，富士通均提供一款適合各類型應(yīng)用的，整合CPU，GDC，以及各種周邊元件，這些元件將在以下章節(jié)詳細介紹。如果系統(tǒng)并不需要從基礎(chǔ)開始組裝，而且必須延用一部分的舊元件，富士通的全系列獨立GDC會是極具吸引力之方案。
??2.1 以下產(chǎn)品適合支援需要基礎(chǔ)且獨立之GDC且對成本敏感之應(yīng)用
??MB86291“Scarlet”是一款第二代GDC，具備3D著色功能以及一個幾何座標(biāo)處理器，此款元件支援視訊輸出與輸入功能。2MB的內(nèi)建VRAM記憶體可節(jié)省PCB空間與成本。
??MB86276“Lime”與MB86277“Mint”是沒有內(nèi)建幾何座標(biāo)處理器的GDC，但仍支援z-buffer元件。Lime能同時驅(qū)動兩個多工顯示屏。Lime與Mint（以及Scarlet）擁有SRAM接口來連結(jié)外部CPU。
??MB88F332“Indigo”是APIX應(yīng)用的專屬元件，它具備所有汽車必要的周邊元件，包括脈沖調(diào)變器（PWM），步進馬達控制器，類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）等。
??MB88F333“Indigo- L”是Indigo的低成本版本，它采用相同架構(gòu)，但結(jié)合一組優(yōu)化的周邊元件，并采用較小封裝來降低成本。
??富士通的中階應(yīng)用方案可兼顧成本，功能，以及效能：
??MB8629x“Coral”系列的GDC屬于全功能獨立式3D產(chǎn)品，這些GDC運作時頻率166MHz。
??富士通的高階獨立式GDC提供卓越的效能與/或支援適合的專屬應(yīng)用。所有這些獨立式產(chǎn)品都能運用GDC搭配外部CPU：
??MB86297“Carmine”是一款極強大的OpenGL ES的1.1產(chǎn)品，支援兩個獨立視訊輸入與輸出端
??MB86298“Ruby”是最新的獨立式GDC，采用的OpenGL ES 2.0核心，并內(nèi)建著色器引擎，這款產(chǎn)品支援四個獨立視訊輸入與兩個視訊輸出端。
??富士通的GDC產(chǎn)品將CPU、GDC，以及周邊元件，都整合到一顆單芯片中，可提供高整合度以及具吸引力之成本：
??MB91590“Sapphire”采用富士通的專利32位元RISC微控制器，并內(nèi)建一個雙核心GDC，包含位元模塊轉(zhuǎn)換器（位塊傳送或BLT），以及Sprite引擎。而其整合1MB的快閃記憶體與800KB的VRAM記憶體，并提供一個外部接口來連結(jié)平行或串行式快閃記憶體。Sapphire對于基本產(chǎn)品而言非常實用，讓這類產(chǎn)品能采用預(yù)先著色的圖像內(nèi)容，可驅(qū)動較小的顯示屏。由于Sapphire亦支援類比與數(shù)位攝像頭輸入，因此對于簡單的攝影機應(yīng)用而言相當(dāng)實用。
??在中階應(yīng)用方面，MB86R0x“Jade Family”系列提供多功能，低成本的芯片解決方案，此系列元件具備333MHz的的ARM926EJ - S強大的CPU，并內(nèi)含一個完整的3D圖像引擎。Jade系列支援獨立的雙視訊輸入與輸出端，此系列中的一款元件，B86R02“Jade- D”支援APIX，另一款MB86R03“Jade- L”則建置適合低成本系統(tǒng)的功能。Jade相當(dāng)適合支援中階應(yīng)用，這類應(yīng)用須處理動態(tài)內(nèi)容并需要3D管線，但屏幕分辨率則屬于800 × 480的等級。此系列元件亦支援較高的屏幕分辨率 - 最高達1280x768的像素。由于其結(jié)合視訊擷取與3D功能，使此系列元件能處理影像變形功能，可校正攝影機或屏幕的扭曲。
??MB86R1x“Emerald Family”是富士通最新的2D/3D 繪圖SOC芯片，整合了GDC與GPU。此款尖端元件包含一個強大的ARM的Cortex - A9處理器，時脈高達533MHz，并含有的OpenGL ES 2.0技術(shù)與著色器圖形引擎。Emerald擁有4個獨立視訊輸入端，以及3個獨立視訊輸出端，它還提供豐富的周邊組合。這些功能讓Emerald成為極具吸引力的元件，能為高分辨率的屏幕提供動態(tài)與精采的3D內(nèi)容。由于支援多重視訊輸入與內(nèi)建影像處理功能，Emerald亦適合用在多重攝影機的駕駛輔助系統(tǒng)與安全應(yīng)用。Emerald- L與Emerald- P的主要差別，是Emerald- P速度較快，CPU主頻533MHz，且具備APIX接口來支援高速序列像素鏈路。Emerald-L的CPU主頻是400MHz。
??2.2 富士通的360度環(huán)繞視訊影像技術(shù)
??一組專門針對多重攝影機先進駕駛輔助系統(tǒng)之工具組
??富士通亦提供360度環(huán)繞視訊影像技術(shù)，作為一種多重攝影機駕駛輔助與安全應(yīng)用，這種技術(shù)亦整合成富士通的繪圖芯片功能組。富士通的技術(shù)采用先進的3D算法，把四部攝影機的影像結(jié)合，組成一個涵蓋360度的全方位車輛圍繞視圖。富士通的技術(shù)具備一項重要創(chuàng)新，就是能提供動態(tài)更新的可自設(shè)視角，或“自由視角點”。系統(tǒng)研發(fā)業(yè)者與駕駛?cè)丝衫谩白杂梢暯屈c“來選擇特定駕駛情境下的最佳視角 - 包括虛擬三維之”第三者“視角，可同時看到車輛與四周影像。
??3 結(jié)語
??總結(jié)來說，現(xiàn)今極廣泛的GDC功能，讓元件選擇成為應(yīng)用開發(fā)的一個重要環(huán)結(jié)。富士通協(xié)助簡化這種選擇工作，針對各種應(yīng)用提供許多量身打造的GDC選擇，這些GDC產(chǎn)品都具備多元功能，并且獲得業(yè)界肯定，具備競爭力與成本效益。
工商網(wǎng)監(jiān)
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