汽車儀表盤中圖形顯示技術(shù)應(yīng)用

由于TFT顯示屏價(jià)格下降以及相應(yīng)的計(jì)算功能開始應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，這使基于圖形的解決方案在價(jià)格上變得可負(fù)擔(dān)。由于儀表盤是最重要的HMI組成之一，并且就放在駕駛員面前供其隨時(shí)查看，因此對(duì)于汽車廠商來(lái)說(shuō)是這一個(gè)非常重要的差異化特性。對(duì)于高端汽車，這將導(dǎo)致汽車廠商在這一領(lǐng)域投入大量資金。目前，TFT顯示屏在該領(lǐng)域似乎仍然被駕駛者認(rèn)為具有附加價(jià)值，因?yàn)樗徽J(rèn)為是一種高科技特性。這導(dǎo)致出現(xiàn)了使用高級(jí)的圖形技術(shù)模擬機(jī)械式儀表的情況。嘗試新的可能性僅僅是開始，但是在該領(lǐng)域仍然存在巨大的改進(jìn)空間。參考消費(fèi)品行業(yè)的產(chǎn)品，很顯然，良好定義的用戶界面如今已成為一個(gè)重要的差異化因素。該領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化的總體思路就是以更簡(jiǎn)單的方式顯示更復(fù)雜的信息-如何在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，目前還在探索和發(fā)展之中。這樣做的優(yōu)點(diǎn)不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)方面，還表現(xiàn)在商業(yè)方面。使用圖形技術(shù)可以很容易地向儀表盤添加品牌標(biāo)記。通過(guò)對(duì)HMI使用外殼或者支持下載額外的應(yīng)用，也許會(huì)創(chuàng)造新的收入流。

　　帶有圖形顯示的汽車儀表盤對(duì)此類解決方案的開發(fā)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。儀表板的復(fù)雜程度至少增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然該領(lǐng)域中使用的圖形技術(shù)本身來(lái)自于PC領(lǐng)域，但是在汽車中的應(yīng)用則剛剛出現(xiàn)。這需要開發(fā)團(tuán)隊(duì)具備新的技能，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成陡峭的學(xué)習(xí)曲線。

　　PC圖像質(zhì)量對(duì)于電子消費(fèi)品已經(jīng)很普遍，但是PC中的計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了嵌入式領(lǐng)域中可用的計(jì)算性能，這意味著呈現(xiàn)逼真的圖像將變得更加困難。

　　與PC領(lǐng)域相比，嵌入式領(lǐng)域還需要解決功耗和溫度等挑戰(zhàn)——其中的一些挑戰(zhàn)與手持設(shè)備中遇到的問(wèn)題類似。汽車解決方案的一個(gè)關(guān)鍵特征就是功能安全性，而計(jì)算機(jī)和手持設(shè)備市場(chǎng)則沒(méi)有這方面的要求。在汽車儀表盤呈現(xiàn)的信息中，至少有一部分信息被認(rèn)為是與安全有關(guān)的。在這里，呈現(xiàn)錯(cuò)誤的信息是難以接受的行為。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　在當(dāng)前市場(chǎng)，我們看到圖形儀表盤顯示屏被明確劃分為幾個(gè)類別。這種劃分基本上是由解決方案的成本驅(qū)動(dòng)的，因?yàn)榧由陷^大顯示屏后價(jià)格會(huì)增加較多，致使中低端汽車無(wú)法承受。所有分類的一個(gè)共同點(diǎn)就是都需要使用模擬指針 – 可以實(shí)現(xiàn)為機(jī)電式指針，或使用復(fù)雜的圖形解決方案呈現(xiàn)逼真的指針。

　　1.中間插接顯示屏

　　插接顯示屏是一種最常見(jiàn)的實(shí)例，目前已經(jīng)開始普及到低端汽車。儀表盤顯示屏仍然使用機(jī)械針，但是提供了一個(gè)額外的顯示屏，通常位于量程之間的中心位置。入門級(jí)使用4英寸QVGA或WQVGA顯示屏。

　　該顯示屏用于呈現(xiàn)當(dāng)前油料消耗、溫度或類似的信息。還可以有選擇地呈現(xiàn)來(lái)自信息娛樂(lè)系統(tǒng)的信息。

　　中高端汽車通常使用更大尺寸的比例顯示屏。這使得顯示屏可顯示照相機(jī)圖像，如夜視圖、后視攝像圖，甚至是泊車輔助系統(tǒng)的鳥瞰圖。

　　由于機(jī)電儀表的儀表盤分區(qū)是固定的，因此不適用于這種情形。

　　2.兩個(gè)帶有中心量程的顯示屏

　　一種基于傳統(tǒng)機(jī)電式指針但同時(shí)提供擴(kuò)展的圖形功能的折中方案就是，在中央機(jī)械量程的兩旁各設(shè)計(jì)一個(gè)顯示屏。這種方案可以更加靈活地顯示信息，但是仍然使用固定的布局和一個(gè)固定的機(jī)電式指針。

　　3.全面可配置的儀表盤

　　全面可配置的儀表盤使用1600×480像素分辨率的大尺寸顯示屏。這些顯示屏仍然是一項(xiàng)較大的成本因素，因此目前其應(yīng)用僅限于高端汽車。由于沒(méi)有使用機(jī)械式指針，當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)主要側(cè)重于呈現(xiàn)逼真的模擬指針。由于儀表盤內(nèi)容完全由軟件定義，因此可以靈活地針對(duì)具體使用情形調(diào)整。通過(guò)放大、縮小或移動(dòng)與當(dāng)前情況無(wú)關(guān)的內(nèi)容，可以將夜視圖等依賴具體情況的信息有效地集成到儀表盤中。

　　4.平視顯示屏

　　平視顯示屏可以將圖像信息投影到擋風(fēng)玻璃上。這種顯示屏的分辨率通常很低，并且圖像內(nèi)容也非常簡(jiǎn)單。平視顯示屏的內(nèi)容必須進(jìn)行預(yù)彎曲處理，從而補(bǔ)償由彎曲的擋風(fēng)玻璃引起的變形。實(shí)現(xiàn)預(yù)彎曲處理的方式有許多種，包括軟件、圖形加速器或?qū)Ｓ玫挠布Ｆ揭曪@示屏在儀表盤中通常結(jié)合TFT顯示屏使用。

       技術(shù)

應(yīng)用實(shí)例的復(fù)雜度是不同的。原因有以下幾個(gè)。

　　● 屏幕尺寸：各種屏幕尺寸導(dǎo)致生成的像素也有很大的差異。對(duì)于目前市場(chǎng)上已有的或正在開發(fā)的解決方案，每個(gè)幀需要處理的像素范圍為75k像素到1.3M像素。

　　● 動(dòng)畫頻率：只要顯示快速的移動(dòng)，就必須提供一個(gè)較高的動(dòng)畫頻率。一個(gè)重要的用例就是速度計(jì)或轉(zhuǎn)速表中的量程指針。

　　● 場(chǎng)景復(fù)雜性：各種期望的光學(xué)效果，包括典型的圖形用戶界面菜單，和有發(fā)光、反射和陰影效果渲染的3D場(chǎng)景。

　　為了滿足前一章節(jié)描述的不同復(fù)雜程度的用例，需要應(yīng)用不同的技術(shù)來(lái)生成圖像。

　　1.光柵圖形

　　在光柵圖形中，每個(gè)像素的顏色值都將被保存。圖元處理通常就是指處理由像素組成的矩形區(qū)域。

　　光柵圖形的一個(gè)重要特征就是會(huì)受到分辨率的影響?？s放將導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的光衰減。

　　光柵圖形是一種常見(jiàn)的自然影像(照片)技術(shù)，大多數(shù)圖形格式都可以表示光柵圖形(jpg、bmp、png、gif)。許多應(yīng)用都支持處理光柵圖形，包括Adobe Photoshop、GIMP、Aperture。

　　1.1 光柵圖形處理器

　　要加速光柵圖形，標(biāo)準(zhǔn)解決方案就是使用光柵圖形處理器，該工具能夠復(fù)制/填充/組合由像素組成的矩形區(qū)域。光柵圖形加速器通常執(zhí)行內(nèi)存到內(nèi)存之間的操作，即從內(nèi)存中讀取元數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。目前尚不存在普遍認(rèn)可的API標(biāo)準(zhǔn)。一些專有API都提供了類似的功能。較為先進(jìn)的加速器在此基礎(chǔ)上提供了繪制基本圖形的功能，如繪制線條和圓圈。

　　1.2 直接位圖傳送引擎(精靈引擎)

　　與光柵圖形處理器類似，直接位圖傳送引擎也處理像素組成的矩形。關(guān)鍵差別在于圖形操作的結(jié)果不會(huì)寫回到內(nèi)存。直接位圖傳送引擎是顯示屏控制器的一部分，它把從內(nèi)存的不同位置讀取的每個(gè)幀組成最終的圖像。對(duì)嵌入式系統(tǒng)使用直接位圖傳送引擎的主要優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省內(nèi)存和內(nèi)存帶寬。此外，它還可以非常高效地生成圖形，因?yàn)橹恍枰薷脑獢?shù)據(jù)，如某些矩形的位置，而不是修改像素?cái)?shù)據(jù)本身。直接位圖傳送引擎的最大缺點(diǎn)就是合并后的限制。當(dāng)超出設(shè)備功能的極限后，將難以生成更復(fù)雜的圖形。如果使用的是光柵圖形，那么只會(huì)導(dǎo)致呈現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)。這方面的解決方案有一個(gè)專有API，在引擎功能方面存在顯著的差異。

　　2. 矢量圖形

　　矢量圖形基于2D空間中對(duì)形狀的數(shù)學(xué)描述，與分辨率無(wú)關(guān)。因此，矢量圖形可以以任意分辨率呈現(xiàn)，不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。矢量圖形是一種常見(jiàn)的技術(shù)，常見(jiàn)于如今的許多應(yīng)用。最突出的例子是TrueType字體，但是它也用于可擴(kuò)展的矢量圖形格式SVG中，所有最新的瀏覽器都支持這種格式。Adobe Flash之類的格式也大量應(yīng)用矢量圖形。

　　一些應(yīng)用程序都可以生成矢量圖形：Adobe Illustrator、Inkscape、Adobe Flash Professional。適用于矢量圖形加速器的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)API是OpenVG[0]。

　　3 3D圖形

　　目前的實(shí)時(shí)渲染功能基于一個(gè)由三角形組成的3D模型。要實(shí)現(xiàn)下降效果，需要向三角形應(yīng)用紋理效果。以這種方式切分三角形將為模型定義細(xì)節(jié)層次，從而影響渲染效果。這使得模型在一定程度上會(huì)依賴分辨率。

　　對(duì)于嵌入式領(lǐng)域，有兩種相關(guān)的API定義針對(duì)3D圖形。這兩種API都來(lái)自最初由Silicon Graphics發(fā)起的標(biāo)準(zhǔn)OpenGL。對(duì)于嵌入式版本，去掉了幾個(gè)與嵌入式設(shè)備無(wú)關(guān)的特性。這減小了硬件加速器的大小，并簡(jiǎn)化了所需的驅(qū)動(dòng)器。

　　許多應(yīng)用都可以生成3D模型。最常見(jiàn)的應(yīng)用包括Autodesk 3ds Max、Blender、Autodesk Maya。 

      開發(fā)流程

　　汽車儀表盤的開發(fā)流程目前仍然處于不斷發(fā)展的階段。在這一開發(fā)流程中，將根據(jù)底層的圖形技術(shù)采用不同的開發(fā)方法。這一過(guò)程被分為若干個(gè)部分。

　　首先由藝術(shù)設(shè)計(jì)部門提供圖元和完整的解決方案的草圖。大多數(shù)情況下，這些內(nèi)容將轉(zhuǎn)交給軟件開發(fā)部門，他們將開發(fā)編程邏輯來(lái)實(shí)際實(shí)施解決方案。由于許多細(xì)節(jié)都沒(méi)有確定好，因此通常需要花大量時(shí)間來(lái)反復(fù)修改，直到最終的效果滿足設(shè)計(jì)部門的要求。

　　對(duì)于非3D圖形，要縮短執(zhí)行重復(fù)工作的周期，一個(gè)辦法就是使用Adobe® Flash®，這是一種圖形動(dòng)畫工具，適用于定義動(dòng)畫序列和人機(jī)界面像素精度。對(duì)動(dòng)畫序列的進(jìn)一步處理通常通過(guò)手工或半自動(dòng)化的方式完成，并且需要手寫程序代碼。

　　這種開發(fā)流程的一大弊端就是缺乏靈活性，難以在開發(fā)過(guò)程的后期進(jìn)行更改。此外，還需要做大量的工作來(lái)進(jìn)行歸檔和維護(hù)。

　　通過(guò)引入圖形標(biāo)準(zhǔn)API，市場(chǎng)上目前有一些解決方案可以加快開發(fā)過(guò)程，并且不再需要手寫特定代碼。這些產(chǎn)品通常利用了使用相應(yīng)的圖形設(shè)計(jì)應(yīng)用設(shè)計(jì)的圖元，并提供了一個(gè)圖形用戶界面來(lái)設(shè)計(jì)儀表盤的HMI。使用這種HMI構(gòu)建工具不需要具有編程技能。只需要關(guān)心生成的HMI的美觀性和功能。HMI開發(fā)工具的輸出是運(yùn)行在嵌入式目標(biāo)之上的軟件圖像。為了方便起見(jiàn)，通常使用模擬器來(lái)在開發(fā)PC上直接測(cè)試HMI。

　　其他常見(jiàn)的額外功能包括檢查生成的HMI的一致性和生成準(zhǔn)確的文檔。通過(guò)將實(shí)際的表示從HMI邏輯中分離出來(lái)，HMI構(gòu)建工具還能夠消除不同圖形技術(shù)之間的巨大差異，這將允許在低端的光柵圖形平臺(tái)上生成簡(jiǎn)化的HMI，并使用相同的HMI描述生成出色的3D HMI。

　　討論

　　汽車儀表盤中使用的圖形技術(shù)提供了許多新的可能性。如今的大多數(shù)解決方案?jìng)?cè)重于機(jī)械式儀表盤的外觀和感覺(jué)。從技術(shù)角度講，要求實(shí)時(shí)地生成逼真的圖像是一項(xiàng)很困難的工作。特別是對(duì)于3D圖形，這將加重專用3D加速模塊的負(fù)荷，甚至需要借用幾個(gè)來(lái)自3D游戲領(lǐng)域的技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)一些一般的光學(xué)效果?？紤]到圖形加速器的性能在未來(lái)會(huì)進(jìn)一步提高，渲染逼真的圖像將變得更加可行。然而，這種渲染過(guò)的機(jī)械儀表盤的最佳效果看上去和十年前的汽車儀表盤差不多。

　　未來(lái)將在技術(shù)開發(fā)方面投入更多努力來(lái)利用新的功能，最終改善HMI人體工程學(xué)。這是一個(gè)非常廣闊的領(lǐng)域，可以作為一個(gè)差異化因素來(lái)積極地利用。未來(lái)開發(fā)的一般思想就是以一種簡(jiǎn)單的方式呈現(xiàn)更復(fù)雜的信息。如今我們已經(jīng)在汽車中看到了此類演變，例如，通過(guò)顯示屏上的綠葉數(shù)量形象地指示駕駛風(fēng)格的經(jīng)濟(jì)性。在這個(gè)領(lǐng)域還有許多潛在的改進(jìn)。

　　● 外殼：通過(guò)提供各種外殼使用戶能夠定義儀表盤的感觀。

　　● 使用模糊效果來(lái)集中駕駛者的注意力。

　　● 使用色彩吸引駕駛者的注意力，如在超速時(shí)改變渲染的速度指針的顏色。

　　● 對(duì)顯示屏動(dòng)態(tài)分區(qū)——根據(jù)顯示屏翻轉(zhuǎn)的度數(shù)，顯示有關(guān)具體情況的更多相關(guān)信息。

　　電子消費(fèi)品市場(chǎng)在最近幾年已經(jīng)證明HMI對(duì)客戶的重要性，也證明了它是一種對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生了巨大影響的全新概念。盡管目前無(wú)法預(yù)見(jiàn)未來(lái)汽車的標(biāo)準(zhǔn)是什么，但顯而易見(jiàn)的是，儀表盤擁有產(chǎn)生真正差異化優(yōu)勢(shì)的潛力。作為駕駛者獲取信息的主要來(lái)源，它對(duì)汽車的整體觀感產(chǎn)生了巨大的影響。