教你如何選擇合適的GDC

引言

　　從3D著(zhù)色到影像變形，現今繪圖顯示控制器（GDC）的功能，透過(guò)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(chǎn)品風(fēng)格與價(jià)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(jiǎn)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(jiǎn)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(huì )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(jià)位獲得所需功能。GDC可根據其性?xún)r(jià)比分成下列三類(lèi)：

　　基本 - QVGA螢幕，預先著(zhù)色的圖形，可包括影像輸入功能

　　中階 - WVGA螢幕，以2D動(dòng)態(tài)繪圖為主，也可支援3D，有支援影像輸入功能

　　高階 - SXGA或更高解析度的螢幕，動(dòng)態(tài)3D繪圖，多重影像輸入

　　本白皮書(shū)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(chǎn)品，還有該公司的360度環(huán)繞視訊影像技術(shù)?，F今各種產(chǎn)品研發(fā)業(yè)者最重要的設計任務(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(chē)等產(chǎn)品。

　　1 決定嵌入式繪圖架構的因素

　　1.1 成本壓力

　　汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是成本相對敏感應用領(lǐng)域的一個(gè)很好的例子，對于系統研發(fā)業(yè)者而言，最重要的工作就是降低零組件（BOM）成本。就基本到中階的應用而言，研發(fā)業(yè)者可采用系統單芯片（SoC）繪圖控制器來(lái)滿(mǎn)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(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)和其他汽車(chē)系統進(jìn)行通訊，并能切換到關(guān)機的電源模式來(lái)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(xiàn)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(huì )受到局限。

　　當成本因素的重要性不及效能時(shí)，這類(lèi)應用可采用多重芯片架構的高階芯片。這些GDC依賴(lài)外部車(chē)用微控制器來(lái)管理CAN傳輸作業(yè)，電源，以及像是步進(jìn)馬達控制器等周邊元件。

　　此外，由于這些GDC沒(méi)有內建VRAM與程式快閃記憶體，因此會(huì )利用外部VRAM來(lái)支援高效能作業(yè)，在未來(lái)，運用內建式VRAM可進(jìn)一步降低高階車(chē)用GDC成本。

　　相較于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，像是醫療和航空等領(lǐng)域的應用，面臨的成本壓力相對較低。系統研發(fā)業(yè)者可選擇采用獨立高階GDC芯片，因為客戶(hù)愿意多花一點(diǎn)錢(qián)來(lái)購買(mǎi)更高效能。若系統一開(kāi)始設計時(shí)，需要重復使用軟體，而是把一個(gè)獨立GDC放到系統中就是個(gè)不錯的作法。

　　運用一顆時(shí)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(xiàn)上重復使用一部分的硬體與軟體。有些產(chǎn)品可使用內建在CPU內的GDC。有些對價(jià)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(hù)的期盼

　　有些應用必須配合智慧型手機常見(jiàn)的高階繪圖能，此類(lèi)應用之廣包括汽車(chē)與各種家電產(chǎn)品。

　　而在這些應用中，系統研發(fā)業(yè)者必須確保GDC能繪制出流暢清晰的影像，讓系統能針對使用者的輸入訊息做快速反應，因此，若要提供能滿(mǎn)足最終使用者的經(jīng)驗，GDC就不能成為系統瓶頸，才不會(huì )產(chǎn)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(lèi)元件無(wú)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(chǎn)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(xié)助避免頻帶效應 - 亦即相同顏色的陰影會(huì )出現急劇變化。運用24位色彩可確保圖像影像外觀(guān)流暢，否則，這樣的應用就必須動(dòng)用GDC內的抖色功能，來(lái)抵銷(xiāo)頻帶效應。抖色可在畫(huà)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(yè)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(huì )讓零組件成本攀升。

　　1.3 繪圖內容的性質(zhì) - 靜態(tài)或動(dòng)態(tài)

　　業(yè)者還必須根據圖像內容的性質(zhì)來(lái)挑選GDC。若內容屬于靜態(tài)，而且能預先判斷，像是Spirite引擎這類(lèi)低成本GDC就足堪重任。預先著(zhù)色的位元圖可儲存在Sprint GDC的外部快閃記憶體。這類(lèi)GDC非常適合用來(lái)處理不同色彩格式（包括使用色彩查找表或把實(shí)際像素值儲存在畫(huà)面緩沖區），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(cháng)度解碼器），可大幅降低預先著(zhù)色繪圖的儲存需求，進(jìn)而降低成本。

　　其他需要動(dòng)態(tài)圖像的應用，像是地圖或隨機動(dòng)畫(huà)等，其所需內容都是當場(chǎng)立即決定，這些應用需要一個(gè)具備全功能管線(xiàn)的GDC，可透過(guò)貼圖（紋理貼圖）2D或3D來(lái)著(zhù)色模型。像是硬體光源與云霧等，也可發(fā)揮這類(lèi)功能的效益。對于較復雜的作業(yè)而言，內含著(zhù)色器的圖像引擎可帶來(lái)更高彈性。

　　利用功能完備且具彈性的顯示控制器，不僅能簡(jiǎn)化圖像建置的工作，還能支援更好的圖像功能，明確的說(shuō)，圖像開(kāi)發(fā)遠比控制器功能來(lái)得簡(jiǎn)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(huì )有顯著(zhù)影響，例如，3D應用需要的頂點(diǎn)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(yōu)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(huì )大幅增加處理需求。相較之下，2D繪圖著(zhù)色的過(guò)程則簡(jiǎn)單許多，若內容屬于靜態(tài)，還能預先著(zhù)色，就如同本文先前所討論，在2D或3D動(dòng)態(tài)內容方面，需要用到一個(gè)全管線(xiàn)化的圖像引擎。

　　1.5 顯示屏解析度

　　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(chē)市場(chǎng)，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，其所涉及到的像素數量都會(huì )以倍數增加，并需提高GDC的處理需求。雖然可以運用多個(gè)GDC來(lái)應付需求，但也有某些GDC內含的顯示屏控制器能透過(guò)單一控制器來(lái)支援多個(gè)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(shí)脈頻率的速率，就像是處理一個(gè)顯示屏一樣，不過(guò)這兩個(gè)顯示屏必須擁有相同的時(shí)序屬性與顯示屏解析度。這類(lèi)GDC對于汽車(chē)儀表板相當實(shí)用，因為儀表板通常有兩個(gè)相同解析度的顯示屏。

　　另一方面，有些GDC整合了超過(guò)一個(gè)顯示屏控制器，能驅動(dòng)多個(gè)不同時(shí)序與解析度的顯示屏。這類(lèi)控制器的成本會(huì )低于兩個(gè)獨立式GDC，設計工作也較簡(jiǎn)化。這其中一個(gè)典型例子，就是車(chē)用抬頭顯示器（HUD），HUD在儀表板上的顯示屏解析度就低于主顯示屏，而也有一種汽車(chē)應用是運用單一GDC來(lái)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(lái)源提供各種功能，包括攝像頭或其他訊號來(lái)源。有些GDC整合了必要的模擬電路來(lái)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(shí)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(lèi)元件整合多個(gè)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(chē)抬頭顯示器就是這種功能的另一項應用。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，其影像的調整處理過(guò)程便會(huì )類(lèi)似魚(yú)眼校正。

　　影像的變形需要有內建3D功能的GDC來(lái)調整。若GDC能調整視訊影像的解析度高低，對系統會(huì )很有幫助。

　　支援多重攝影處理的全景系統提升駕駛輔助系統之功能

　　另一項特殊應用可能成為未來(lái)汽車(chē)的重要功能，就是利用裝在車(chē)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(huán)繞全景的影像。

　　理想的解決方案，是采用一個(gè)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(zhù)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(wú)扭曲的360度車(chē)體四周環(huán)繞影像。