汽車儀表盤中圖形顯示技術應用

由于TFT顯示屏價格下降以及相應的計算功能開始應用于嵌入式領域，這使基于圖形的解決方案在價格上變得可負擔。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查看，因此對于汽車廠商來說是這一個非常重要的差異化特性。對于高端汽車，這將導致汽車廠商在這一領域投入大量資金。目前，TFT顯示屏在該領域似乎仍然被駕駛者認為具有附加價值，因為它被認為是一種高科技特性。這導致出現了使用高級的圖形技術模擬機械式儀表的情況。嘗試新的可能性僅僅是開始，但是在該領域仍然存在巨大的改進空間。參考消費品行業的產品，很顯然，良好定義的用戶界面如今已成為一個重要的差異化因素。該領域進行優化的總體思路就是以更簡單的方式顯示更復雜的信息-如何在汽車領域實現這一點，目前還在探索和發展之中。這樣做的優點不僅僅體現在技術方面，還表現在商業方面。使用圖形技術可以很容易地向儀表盤添加品牌標記。通過對HMI使用外殼或者支持下載額外的應用，也許會創造新的收入流。

　　帶有圖形顯示的汽車儀表盤對此類解決方案的開發提出了新的技術挑戰。儀表板的復雜程度至少增加了一個數量級。雖然該領域中使用的圖形技術本身來自于PC領域，但是在汽車中的應用則剛剛出現。這需要開發團隊具備新的技能，需要相當長的時間來完成陡峭的學習曲線。

　　PC圖像質量對于電子消費品已經很普遍，但是PC中的計算性能遠遠超過了嵌入式領域中可用的計算性能，這意味著呈現逼真的圖像將變得更加困難。

　　與PC領域相比，嵌入式領域還需要解決功耗和溫度等挑戰——其中的一些挑戰與手持設備中遇到的問題類似。汽車解決方案的一個關鍵特征就是功能安全性，而計算機和手持設備市場則沒有這方面的要求。在汽車儀表盤呈現的信息中，至少有一部分信息被認為是與安全有關的。在這里，呈現錯誤的信息是難以接受的行為。

　　應用實例

　　在當前市場，我們看到圖形儀表盤顯示屏被明確劃分為幾個類別。這種劃分基本上是由解決方案的成本驅動的，因為加上較大顯示屏后價格會增加較多，致使中低端汽車無法承受。所有分類的一個共同點就是都需要使用模擬指針 – 可以實現為機電式指針，或使用復雜的圖形解決方案呈現逼真的指針。

　　1.中間插接顯示屏

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

　　該顯示屏用于呈現當前油料消耗、溫度或類似的信息。還可以有選擇地呈現來自信息娛樂系統的信息。

　　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圖像，如夜視圖、后視攝像圖，甚至是泊車輔助系統的鳥瞰圖。

　　由于機電儀表的儀表盤分區是固定的，因此不適用于這種情形。

　　2.兩個帶有中心量程的顯示屏

　　一種基于傳統機電式指針但同時提供擴展的圖形功能的折中方案就是，在中央機械量程的兩旁各設計一個顯示屏。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固定的機電式指針。

　　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較大的成本因素，因此目前其應用僅限于高端汽車。由于沒有使用機械式指針，當前的實現主要側重于呈現逼真的模擬指針。由于儀表盤內容完全由軟件定義，因此可以靈活地針對具體使用情形調整。通過放大、縮小或移動與當前情況無關的內容，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玻璃上。這種顯示屏的分辨率通常很低，并且圖像內容也非常簡單。平視顯示屏的內容必須進行預彎曲處理，從而補償由彎曲的擋風玻璃引起的變形。實現預彎曲處理的方式有許多種，包括軟件、圖形加速器或專用的硬件。平視顯示屏在儀表盤中通常結合TFT顯示屏使用。

?? ? ? 技術

應用實例的復雜度是不同的。原因有以下幾個。

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

　　● 動畫頻率：只要顯示快速的移動，就必須提供一個較高的動畫頻率。一個重要的用例就是速度計或轉速表中的量程指針。

　　● 場景復雜性：各種期望的光學效果，包括典型的圖形用戶界面菜單，和有發光、反射和陰影效果渲染的3D場景。

　　為了滿足前一章節描述的不同復雜程度的用例，需要應用不同的技術來生成圖像。

　　1.光柵圖形

　　在光柵圖形中，每個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域。

　　光柵圖形的一個重要特征就是會受到分辨率的影響?？s放將導致出現嚴重的光衰減。

　　光柵圖形是一種常見的自然影像(照片)技術，大多數圖形格式都可以表示光柵圖形(jpg、bmp、png、gif)。許多應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，標準解決方案就是使用光柵圖形處理器，該工具能夠復制/填充/組合由像素組成的矩形區域。光柵圖形加速器通常執行內存到內存之間的操作，即從內存中讀取元數據，然后將結果數據寫入內存。目前尚不存在普遍認可的API標準。一些專有API都提供了類似的功能。較為先進的加速器在此基礎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。關鍵差別在于圖形操作的結果不會寫回到內存。直接位圖傳送引擎是顯示屏控制器的一部分，它把從內存的不同位置讀取的每個幀組成最終的圖像。對嵌入式系統使用直接位圖傳送引擎的主要優點是可以節省內存和內存帶寬。此外，它還可以非常高效地生成圖形，因為只需要修改元數據，如某些矩形的位置，而不是修改像素數據本身。直接位圖傳送引擎的最大缺點就是合并后的限制。當超出設備功能的極限后，將難以生成更復雜的圖形。如果使用的是光柵圖形，那么只會導致呈現時間延長。這方面的解決方案有一個專有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空間中對形狀的數學描述，與分辨率無關。因此，矢量圖形可以以任意分辨率呈現，不會產生質量問題。矢量圖形是一種常見的技術，常見于如今的許多應用。最突出的例子是TrueType字體，但是它也用于可擴展的矢量圖形格式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用矢量圖形。

　　一些應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工業標準API是OpenVG[0]。

　　3 3D圖形

　　目前的實時渲染功能基于一個由三角形組成的3D模型。要實現下降效果，需要向三角形應用紋理效果。以這種方式切分三角形將為模型定義細節層次，從而影響渲染效果。這使得模型在一定程度上會依賴分辨率。

　　對于嵌入式領域，有兩種相關的API定義針對3D圖形。這兩種API都來自最初由Silicon Graphics發起的標準OpenGL。對于嵌入式版本，去掉了幾個與嵌入式設備無關的特性。這減小了硬件加速器的大小，并簡化了所需的驅動器。

　　許多應用都可以生成3D模型。最常見的應用包括Autodesk 3ds Max、Blender、Autodesk Maya。?

?? ? ?開發流程

　　汽車儀表盤的開發流程目前仍然處于不斷發展的階段。在這一開發流程中，將根據底層的圖形技術采用不同的開發方法。這一過程被分為若干個部分。

　　首先由藝術設計部門提供圖元和完整的解決方案的草圖。大多數情況下，這些內容將轉交給軟件開發部門，他們將開發編程邏輯來實際實施解決方案。由于許多細節都沒有確定好，因此通常需要花大量時間來反復修改，直到最終的效果滿足設計部門的要求。

　　對于非3D圖形，要縮短執行重復工作的周期，一個辦法就是使用Adobe? Flash?，這是一種圖形動畫工具，適用于定義動畫序列和人機界面像素精度。對動畫序列的進一步處理通常通過手工或半自動化的方式完成，并且需要手寫程序代碼。

　　這種開發流程的一大弊端就是缺乏靈活性，難以在開發過程的后期進行更改。此外，還需要做大量的工作來進行歸檔和維護。

　　通過引入圖形標準API，市場上目前有一些解決方案可以加快開發過程，并且不再需要手寫特定代碼。這些產品通常利用了使用相應的圖形設計應用設計的圖元，并提供了一個圖形用戶界面來設計儀表盤的HMI。使用這種HMI構建工具不需要具有編程技能。只需要關心生成的HMI的美觀性和功能。HMI開發工具的輸出是運行在嵌入式目標之上的軟件圖像。為了方便起見，通常使用模擬器來在開發PC上直接測試HMI。

　　其他常見的額外功能包括檢查生成的HMI的一致性和生成準確的文檔。通過將實際的表示從HMI邏輯中分離出來，HMI構建工具還能夠消除不同圖形技術之間的巨大差異，這將允許在低端的光柵圖形平臺上生成簡化的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提供了許多新的可能性。如今的大多數解決方案側重于機械式儀表盤的外觀和感覺。從技術角度講，要求實時地生成逼真的圖像是一項很困難的工作。特別是對于3D圖形，這將加重專用3D加速模塊的負荷，甚至需要借用幾個來自3D游戲領域的技巧來實現一些一般的光學效果?？紤]到圖形加速器的性能在未來會進一步提高，渲染逼真的圖像將變得更加可行。然而，這種渲染過的機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。

　　未來將在技術開發方面投入更多努力來利用新的功能，最終改善HMI人體工程學。這是一個非常廣闊的領域，可以作為一個差異化因素來積極地利用。未來開發的一般思想就是以一種簡單的方式呈現更復雜的信息。如今我們已經在汽車中看到了此類演變，例如，通過顯示屏上的綠葉數量形象地指示駕駛風格的經濟性。在這個領域還有許多潛在的改進。

　　● 外殼：通過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，如在超速時改變渲染的速度指針的顏色。

　　● 對顯示屏動態分區——根據顯示屏翻轉的度數，顯示有關具體情況的更多相關信息。

　　電子消費品市場在最近幾年已經證明HMI對客戶的重要性，也證明了它是一種對市場產生了巨大影響的全新概念。盡管目前無法預見未來汽車的標準是什么，但顯而易見的是，儀表盤擁有產生真正差異化優勢的潛力。作為駕駛者獲取信息的主要來源，它對汽車的整體觀感產生了巨大的影響。