1、選擇合適的選擇合適的圖像圖像圖像顯示控制器顯示控制器設計嵌入式繪圖架構時之關鍵因素富士通半導體(上海有限公司市場部 Welch Ding (丁潔早介紹從3D 著色到影像變形,現今繪圖顯示控制器(GDC 的功能,透過各式各樣的應用呈現在使用者的眼前。眾多高階圖像顯示控制器的產品風格與價值,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,是針對應用目標選擇一款適合的GDC ,并以合理的價位獲得所需功能。GDC

2、 可根據其性價比分成下列三類:基本 - QVGA 螢幕,預先著色的圖形,可包括影像輸入功能 中階 - WVGA 螢幕,以2D 動態繪圖為主,也可支援3D ,有支援影像輸入功能高階 - SXGA 或更高解析度的螢幕,動態3D 繪圖,多重影像輸入本白皮書將為您闡述這三種GDC 功能,以及它們如何達成各種應用之目標。文章最后將介紹富士通半導體陣容完備的GDC 系列產品,還有該公司的360度環繞視訊影像技術。現今各種產品研發業者最重要的設計任務之一,就是充分發揮GDC 各項功能優勢,包括跑步機、電冰箱、智慧型手機和汽車等產品。決定嵌入式決定嵌入式繪圖繪圖繪圖架構的因素架構的因素1. 成本壓力汽車產業是

3、成本相對敏感應用領域的一個很好的例子,對于系統研發業者而言,最重要的工作就是降低零組件(BOM 成本。就基本到中階的應用而言,研發業者可采用系統單芯片(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進行通訊,并能切換到關機的電源模式來節省電池電力。由于內部VRAM記憶體的容量有限,加上各項系統瓶頸(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,以及螢幕尺寸都會受到局限。 當成本因素的重要性不及效能時,這類應用可采用多重芯片架構的高階芯片。這些GDC依賴外部車用微控制器來管理CAN傳輸作業,電源,以及像是步進

4、馬達控制器等周邊元件。此外,由于這些GDC沒有內建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,在未來,運用內建式VRAM可進一步降低高階車用GDC成本。相較于汽車產業,像是醫療和航空等領域的應用,面臨的成本壓力相對較低。系統研發業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。若系統一開始設計時,需要重復使用軟體,而是把一個獨立GDC放到系統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,制造商可在不同產品線上重復使用一部分的硬體與軟體。有些產品可使用內建在CPU內的GDC。有些對價位較敏感的產品,但對效能的要求不是很高

5、,則可采用SoC產品,其中效能強大的CPU整合了GDC處理核心。2. 終端客戶的期盼有些應用必須配合智慧型手機常見的高階繪圖能,此類應用之廣包括汽車與各種家電產品。而在這些應用中,系統研發業者必須確保GDC能繪制出流暢清晰的影像,讓系統能針對使用者的輸入訊息做快速反應,因此,若要提供能滿足最終使用者的經驗,GDC就不能成為系統瓶頸,才不會產生延遲。基本型與中階的應用也許使用真單芯片的系統芯片SoC即足夠。但對于高階應用而言,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(多芯片架構芯片。若產品的螢幕支援24位RGB輸入訊號,則24位RGB輸出功能的GDC可協助避免頻帶

6、效應 - 亦即相同顏色的陰影會出現急劇變化。運用24位色彩可確保圖像影像外觀流暢,否則,這樣的應用就必須動用GDC內的抖色功能,來抵銷頻帶效應。抖色可在畫面緩沖區中套用隨機的雜訊,以避免因有限的色彩深度導致的頻帶效應。盡管流暢鮮明的圖像總是能吸引目光,但像是工業電子設備等應用,光靠較基本的圖像功能,就能達到堅固易用的設計目標。在許多應用中,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。3. 繪圖內容的性質 - 靜態或動態業者還必須根據圖像內容的性質來挑選GDC。若內容屬于靜態,而且能預先判斷,像是Spirite引擎這類低成本GDC就足堪重任。預先著色的位元圖可儲存在Sprin

7、t 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,而且還能處理透明與Alpha-blending的作業。運用資源耗用較少的壓縮法,像是RLD(運行長度解碼器,可大幅降低預先著色繪圖的儲存需求,進而降低成本。其他需要動態圖像的應用,像是地圖或隨機動畫等,其所需內容都是當場立即決定,這些應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,也可發揮這類功能的效益。對于較復雜的作業而言,內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

8、援更好的圖像功能,明確的說,圖像開發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。 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應用需要的頂點處理性能遠高于2D應用,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是主要貼圖的優化與調整尺寸版本,這種貼圖和主要貼圖儲存在同一處。它們讓系統不必立即調整主要貼圖的尺寸,對于效能提升有明顯幫助。在3D 圖像中光是加入軸座標,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,若內容屬于靜態,還能預先著

9、色,就如同本文先前所討論,在2D 或3D 動態內容方面,需要用到一個全管線化的圖像引擎。5。顯示屏顯示屏解析度解析度 因為尺寸較大,解析度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用就需要更快,更強大的GDC 。航空與醫療方面的應用,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像素解析度的顯示屏。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。6。顯示屏顯示屏數量數量 不論是增加單一顯示屏的解析度,或是增加顯示屏數量,其所涉及到

10、的像素數量都會以倍數增加,并需提高GDC 的處理需求。雖然可以運用多個GDC 來應付需求,但也有某些GDC 內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屬性與顯示屏解析度。這類GDC 對于汽車儀表板相當實用,因為儀表板通常有兩個相同解析度的顯示屏。另一方面,有些GDC 整合了超過一個顯示屏控制器,能驅動多個不同時序與解析度的顯示屏。這類控制器的成本會低于兩個獨立式GDC ,設計工作也較簡化。這其中一個典型例子,就是車用抬頭顯示器(HUD ,HUD 在儀

11、表板上的顯示屏解析度就低于主顯示屏,而也有一種汽車應用是運用單一GDC 來控制儀表板與中控臺顯示屏。 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/ PAL(歐規的影像輸入訊號,這些控制器對于基本視訊擷取應用而言相當實用。而其他GDC則支援數位YUV / RGB視訊格式,或需搭配AD轉換器。對于需要擷取多重視訊的應用而言,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用。由

12、于影像投射在擋風玻璃上,為了配合擋風玻璃的曲度,其影像的調整處理過程便會類似魚眼校正。影像的變形需要有內建3D功能的GDC來調整。若GDC能調整視訊影像的解析度高低,對系統會很有幫助。支援支援多重攝影多重攝影多重攝影處理的全景系統處理的全景系統處理的全景系統提升駕駛輔助系統之功能提升駕駛輔助系統之功能另一項特殊應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,將其輸入影像結合成一張圖像。這種應用中的系統必須要能處理高解析度視訊,再加上各種特殊影像處理功能,以接合成一張環繞全景的影像。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

13、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,系統便可將接合影像對應到碗狀表面,以顯示出逼真,無扭曲的360度車體四周環繞影像。 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。本章節接下來將會介紹這些需求。影像變形調整攝影機本身就存在鏡頭魚眼扭曲的問題,導致拍出的影像出現變形。若攝影機沒有內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 座標點的模型網格所產生。 安全應用在汽車產業,像是影像增強與物體偵測等

14、功能,可協助防范意外與拯救性命。建置這類功能,需要動用GDC 內部的特殊影像處理模塊。世界許多地區的管理當局規定許多安全功能,像是簽章單元 - 這種檢查碼功能可確保圖像內容顯示在顯示面板上的正確位置。將這種功能內建在系統中,可節省成本以及CPU 耗用資源。支援舊硬體/軟體和獨立GDC 需求某些應用必須重復使用先前設計案的CPU ,借以支援各種舊型需求,而且無法重頭開始設計。這些應用通常可善加運用獨立式GDC ,這類GDC 沒有內建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計,與各種不同效能和功能組合。序列鏈路連結遠端

15、序列鏈路連結遠端顯示屏顯示屏有些應用需要連結遠離GDC 的遠端顯示屏,這類產品需要利用像是APIX 這類高速序列總線,來把視訊內容傳送到顯示屏。這種組態讓系統能采用客戶機/服務器架構,由GDC 扮演主控端,而顯示屏則是從屬端。分頭獨立開發從屬端與主控端系統,將有助于降低主控端的軟體與檢驗成本,因為印刷電路板可重復用在整個系列的多款產品上。如果高速序列輸出功能是整合在GDC 內,這類建置方案將會非常有用。 富士通的GDC方案如下圖所示,富士通提供眾多GDC,涵蓋各種類型的應用,包括高階型到基本型。在每個類型當中,富士通均提供一款適合各類型應用的系統芯片,整合CPU,GDC,以及各種周邊元件,這些

16、元件將在以下章節詳細介紹。如果系統并不需要從基礎開始組裝,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。 :以下產品適合支援需要基礎且獨立之GDC且對成本敏感之應用且對成本敏感之應用:MB86291“Scarlet”是一款第二代GDC,具備3D著色功能以及一個幾何座標處理器,此款元件支援視訊輸出與輸入功能。2MB 的內建VRAM 記憶體可節省PCB 空間與成本。MB86276“Lime”與MB86277“Mint”是沒有內建幾何座標處理器的GDC ,但仍支援z-buffer 元件。Lime 能同時驅動兩個多工顯示屏。Lime 與Mint (以及Scarlet 擁有S

17、RAM 介面來連結外部CPU 。MB88F332“Indigo”是APIX 應用的專屬元件,它具備所有汽車必要的微控制器周邊元件,包括脈沖調變器(PWM ,步進馬達控制器,類比至數位轉換器(ADC 等。MB88F333“Indigo- L”是Indigo 的低成本版本,它采用相同架構,但結合一組優化的周邊元件,并采用較小封裝來降低成本。富士通的中階應用方案可兼顧成本富士通的中階應用方案可兼顧成本,功能功能,以及效能以及效能:MB8629x“Coral”系列的GDC 屬于全功能獨立式3D 產品,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用

18、。所有這些獨立式產品都能運用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,并內建著色器引擎,這款產品支援四個獨立視訊輸入與兩個視訊輸出端。富士通的GDC 產品將CPU 、GDC ,以及周邊元件以及周邊元件,都整合到一顆單芯片中片中,可提供高整合度以及具吸引力之成本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,并內建一個雙核心GDC ,包含位元模塊轉換器(位

19、塊傳送或BLT ,以及Sprite 引擎。而其SOC 芯片整合1MB 的快閃記憶體與800KB 的VRAM記憶體，并提供一個外部介面來連結平行或串行式快閃記憶體。 Sapphire 對于基本產品而言非常實用，讓這類產品能采用預先著色的 圖像內容，可驅動較小的顯示屏。由于 Sapphire 亦支援類比與數位攝 像頭輸入，因此對于簡單的攝影機應用而言相當實用。 在中階應用方面，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，并內含一個完整的 3D 圖像引擎。Jade 系列支援獨立的雙視訊輸

20、 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的功能。Jade 相當適合 支援中階應用，這類應用須處理動態內容并需要 3D 管線，但屏幕解析 度則屬于 800 × 480 的等級。此系列元件亦支援較高的屏幕解析度 最高達 1280x768 的像素。由于其結合視訊擷取與 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