汽车仪表盘中图形显示技术应用

由于TFT显示屏价格下降以及相应的计算功能开始应用于嵌入式领域，这使基于图形的解决方案在价格上变得可负担。由于仪表盘是最重要的HMI组成之一，并且就放在驾驶员面前供其随时查看，因此对于汽车厂商来说是这一个非常重要的差异化特性。对于高端汽车，这将导致汽车厂商在这一领域投入大量资金。目前，TFT显示屏在该领域似乎仍然被驾驶者认为具有附加价值，因为它被认为是一种高科技特性。这导致出现了使用高级的图形技术模拟机械式仪表的情况。尝试新的可能性仅仅是开始，但是在该领域仍然存在巨大的改进空间。参考消费品行业的产品，很显然，良好定义的用户界面如今已成为一个重要的差异化因素。该领域进行优化的总体思路就是以更简单的方式显示更复杂的信息-如何在汽车领域实现这一点，目前还在探索和发展之中。这样做的优点不仅仅体现在技术方面，还表现在商业方面。使用图形技术可以很容易地向仪表盘添加品牌标记。通过对HMI使用外壳或者支持下载额外的应用，也许会创造新的收入流。

　　带有图形显示的汽车仪表盘对此类解决方案的开发提出了新的技术挑战。仪表板的复杂程度至少增加了一个数量级。虽然该领域中使用的图形技术本身来自于PC领域，但是在汽车中的应用则刚刚出现。这需要开发团队具备新的技能，需要相当长的时间来完成陡峭的学习曲线。

　　PC图像质量对于电子消费品已经很普遍，但是PC中的计算性能远远超过了嵌入式领域中可用的计算性能，这意味着呈现逼真的图像将变得更加困难。

　　与PC领域相比，嵌入式领域还需要解决功耗和温度等挑战——其中的一些挑战与手持设备中遇到的问题类似。汽车解决方案的一个关键特征就是功能安全性，而计算机和手持设备市场则没有这方面的要求。在汽车仪表盘呈现的信息中，至少有一部分信息被认为是与安全有关的。在这里，呈现错误的信息是难以接受的行为。

　　应用实例

　　在当前市场，我们看到图形仪表盘显示屏被明确划分为几个类别。这种划分基本上是由解决方案的成本驱动的，因为加上较大显示屏后价格会增加较多，致使中低端汽车无法承受。所有分类的一个共同点就是都需要使用模拟指针 – 可以实现为机电式指针，或使用复杂的图形解决方案呈现逼真的指针。

　　1.中间插接显示屏

　　插接显示屏是一种最常见的实例，目前已经开始普及到低端汽车。仪表盘显示屏仍然使用机械针，但是提供了一个额外的显示屏，通常位于量程之间的中心位置。入门级使用4英寸QVGA或WQVGA显示屏。

　　该显示屏用于呈现当前油料消耗、温度或类似的信息。还可以有选择地呈现来自信息娱乐系统的信息。

　　中高端汽车通常使用更大尺寸的比例显示屏。这使得显示屏可显示照相机图像，如夜视图、后视摄像图，甚至是泊车辅助系统的鸟瞰图。

　　由于机电仪表的仪表盘分区是固定的，因此不适用于这种情形。

　　2.两个带有中心量程的显示屏

　　一种基于传统机电式指针但同时提供扩展的图形功能的折中方案就是，在中央机械量程的两旁各设计一个显示屏。这种方案可以更加灵活地显示信息，但是仍然使用固定的布局和一个固定的机电式指针。

　　3.全面可配置的仪表盘

　　全面可配置的仪表盘使用1600×480像素分辨率的大尺寸显示屏。这些显示屏仍然是一项较大的成本因素，因此目前其应用仅限于高端汽车。由于没有使用机械式指针，当前的实现主要侧重于呈现逼真的模拟指针。由于仪表盘内容完全由软件定义，因此可以灵活地针对具体使用情形调整。通过放大、缩小或移动与当前情况无关的内容，可以将夜视图等依赖具体情况的信息有效地集成到仪表盘中。

　　4.平视显示屏

　　平视显示屏可以将图像信息投影到挡风玻璃上。这种显示屏的分辨率通常很低，并且图像内容也非常简单。平视显示屏的内容必须进行预弯曲处理，从而补偿由弯曲的挡风玻璃引起的变形。实现预弯曲处理的方式有许多种，包括软件、图形加速器或专用的硬件。平视显示屏在仪表盘中通常结合TFT显示屏使用。

       技术

应用实例的复杂度是不同的。原因有以下几个。

　　● 屏幕尺寸：各种屏幕尺寸导致生成的像素也有很大的差异。对于目前市场上已有的或正在开发的解决方案，每个帧需要处理的像素范围为75k像素到1.3M像素。

　　● 动画频率：只要显示快速的移动，就必须提供一个较高的动画频率。一个重要的用例就是速度计或转速表中的量程指针。

　　● 场景复杂性：各种期望的光学效果，包括典型的图形用户界面菜单，和有发光、反射和阴影效果渲染的3D场景。

　　为了满足前一章节描述的不同复杂程度的用例，需要应用不同的技术来生成图像。

　　1.光栅图形

　　在光栅图形中，每个像素的颜色值都将被保存。图元处理通常就是指处理由像素组成的矩形区域。

　　光栅图形的一个重要特征就是会受到分辨率的影响。缩放将导致出现严重的光衰减。

　　光栅图形是一种常见的自然影像(照片)技术，大多数图形格式都可以表示光栅图形(jpg、bmp、png、gif)。许多应用都支持处理光栅图形，包括Adobe Photoshop、GIMP、Aperture。

　　1.1 光栅图形处理器

　　要加速光栅图形，标准解决方案就是使用光栅图形处理器，该工具能够复制/填充/组合由像素组成的矩形区域。光栅图形加速器通常执行内存到内存之间的操作，即从内存中读取元数据，然后将结果数据写入内存。目前尚不存在普遍认可的API标准。一些专有API都提供了类似的功能。较为先进的加速器在此基础上提供了绘制基本图形的功能，如绘制线条和圆圈。

　　1.2 直接位图传送引擎(精灵引擎)

　　与光栅图形处理器类似，直接位图传送引擎也处理像素组成的矩形。关键差别在于图形操作的结果不会写回到内存。直接位图传送引擎是显示屏控制器的一部分，它把从内存的不同位置读取的每个帧组成最终的图像。对嵌入式系统使用直接位图传送引擎的主要优点是可以节省内存和内存带宽。此外，它还可以非常高效地生成图形，因为只需要修改元数据，如某些矩形的位置，而不是修改像素数据本身。直接位图传送引擎的最大缺点就是合并后的限制。当超出设备功能的极限后，将难以生成更复杂的图形。如果使用的是光栅图形，那么只会导致呈现时间延长。这方面的解决方案有一个专有API，在引擎功能方面存在显著的差异。

　　2. 矢量图形

　　矢量图形基于2D空间中对形状的数学描述，与分辨率无关。因此，矢量图形可以以任意分辨率呈现，不会产生质量问题。矢量图形是一种常见的技术，常见于如今的许多应用。最突出的例子是TrueType字体，但是它也用于可扩展的矢量图形格式SVG中，所有最新的浏览器都支持这种格式。Adobe Flash之类的格式也大量应用矢量图形。

　　一些应用程序都可以生成矢量图形：Adobe Illustrator、Inkscape、Adobe Flash Professional。适用于矢量图形加速器的一个工业标准API是OpenVG[0]。

　　3 3D图形

　　目前的实时渲染功能基于一个由三角形组成的3D模型。要实现下降效果，需要向三角形应用纹理效果。以这种方式切分三角形将为模型定义细节层次，从而影响渲染效果。这使得模型在一定程度上会依赖分辨率。

　　对于嵌入式领域，有两种相关的API定义针对3D图形。这两种API都来自最初由Silicon Graphics发起的标准OpenGL。对于嵌入式版本，去掉了几个与嵌入式设备无关的特性。这减小了硬件加速器的大小，并简化了所需的驱动器。

　　许多应用都可以生成3D模型。最常见的应用包括Autodesk 3ds Max、Blender、Autodesk Maya。 

      开发流程

　　汽车仪表盘的开发流程目前仍然处于不断发展的阶段。在这一开发流程中，将根据底层的图形技术采用不同的开发方法。这一过程被分为若干个部分。

　　首先由艺术设计部门提供图元和完整的解决方案的草图。大多数情况下，这些内容将转交给软件开发部门，他们将开发编程逻辑来实际实施解决方案。由于许多细节都没有确定好，因此通常需要花大量时间来反复修改，直到最终的效果满足设计部门的要求。

　　对于非3D图形，要缩短执行重复工作的周期，一个办法就是使用Adobe® Flash®，这是一种图形动画工具，适用于定义动画序列和人机界面像素精度。对动画序列的进一步处理通常通过手工或半自动化的方式完成，并且需要手写程序代码。

　　这种开发流程的一大弊端就是缺乏灵活性，难以在开发过程的后期进行更改。此外，还需要做大量的工作来进行归档和维护。

　　通过引入图形标准API，市场上目前有一些解决方案可以加快开发过程，并且不再需要手写特定代码。这些产品通常利用了使用相应的图形设计应用设计的图元，并提供了一个图形用户界面来设计仪表盘的HMI。使用这种HMI构建工具不需要具有编程技能。只需要关心生成的HMI的美观性和功能。HMI开发工具的输出是运行在嵌入式目标之上的软件图像。为了方便起见，通常使用模拟器来在开发PC上直接测试HMI。

　　其他常见的额外功能包括检查生成的HMI的一致性和生成准确的文档。通过将实际的表示从HMI逻辑中分离出来，HMI构建工具还能够消除不同图形技术之间的巨大差异，这将允许在低端的光栅图形平台上生成简化的HMI，并使用相同的HMI描述生成出色的3D HMI。

　　讨论

　　汽车仪表盘中使用的图形技术提供了许多新的可能性。如今的大多数解决方案侧重于机械式仪表盘的外观和感觉。从技术角度讲，要求实时地生成逼真的图像是一项很困难的工作。特别是对于3D图形，这将加重专用3D加速模块的负荷，甚至需要借用几个来自3D游戏领域的技巧来实现一些一般的光学效果。考虑到图形加速器的性能在未来会进一步提高，渲染逼真的图像将变得更加可行。然而，这种渲染过的机械仪表盘的最佳效果看上去和十年前的汽车仪表盘差不多。

　　未来将在技术开发方面投入更多努力来利用新的功能，最终改善HMI人体工程学。这是一个非常广阔的领域，可以作为一个差异化因素来积极地利用。未来开发的一般思想就是以一种简单的方式呈现更复杂的信息。如今我们已经在汽车中看到了此类演变，例如，通过显示屏上的绿叶数量形象地指示驾驶风格的经济性。在这个领域还有许多潜在的改进。

　　● 外壳：通过提供各种外壳使用户能够定义仪表盘的感观。

　　● 使用模糊效果来集中驾驶者的注意力。

　　● 使用色彩吸引驾驶者的注意力，如在超速时改变渲染的速度指针的颜色。

　　● 对显示屏动态分区——根据显示屏翻转的度数，显示有关具体情况的更多相关信息。

　　电子消费品市场在最近几年已经证明HMI对客户的重要性，也证明了它是一种对市场产生了巨大影响的全新概念。尽管目前无法预见未来汽车的标准是什么，但显而易见的是，仪表盘拥有产生真正差异化优势的潜力。作为驾驶者获取信息的主要来源，它对汽车的整体观感产生了巨大的影响。