解密圖像顯示控制器的3D功能一

作者：時間：2012-10-03 來源：網絡

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如今，消費電子用戶通常希望液晶顯示屏的用戶界面包含3D元素。自最初的3D界面上市以來，消費者們已習慣了看到有縱深且能夠旋轉的物體，以及能在屏幕上移動來顯示更多選項的菜單。iPad、iTouch和Android設備就是最好例證。成千上萬的液晶顯示驅動消費類設備都以具備3D功能作為核心的用戶界面技術。

3D優于2D的原因顯而易見。從清晰度來看，2D圖像就像一張照片，只有寬度和高度，沒有深度。一輛車的2D圖像可以旋轉、縮放，在屏幕上做二維(‘x’和‘y’)移動(轉換)。而3D圖像可以做三維(‘x’、‘y’和 ‘z’)的旋轉、縮放和轉換。3D物體有深度，是全視角的。這是基于人對空間和物體的認知，3D可使人們獲得更直觀和互動的體驗。有效的3D圖像讓消費者享受視覺盛宴，幫助定義產品的風格和價值，并傳遞大量的信息。

生成3D圖像需要復雜精尖的圖像顯示控制器(GDC)，而它又需要一個幾何單元和結構處理單元。將這些元素整合到一個圖像引擎中可提供最佳性能，如圖一所示。

圖1：圖像SoC集成。

作為該技術的領先者，富士通在嵌入式圖像市場已活躍了十多年，而涉足圖像領域已近二十年，它設計、開發并幫助客戶集成領先的2D和3D 圖像顯示控制器。因此，讓我們回顧一下這些強大而創新器件的基本原理。

當前，許多最好的圖像控制器對2D和3D圖像都能駕馭。但在許多情況下，系統設計者并沒有充分利用已有的3D功能，而這一功能可以給終端用戶帶來許多益處。例如，在汽車應用中，駕駛者想要了解泄氣的車胎或不亮的車燈的情況。應用2D技術就要求具備許多預置圖像，以此來突出所有可能的角度和情況。加之“車門或后備箱微開”的情況，就需要數百兆字節的預置2D圖像(圖2)。

圖2：顯示旋轉的2D圖像(還需幾百個圖像來顯示完整的旋轉動作)。

圖3：3D圖像——單一物體可以旋轉至任何角度，縮放至任意大小，突出任意部位(輪胎、車燈、車門等等)。

而有了3D技術，所有這些及更多要求只需不到一兆字節的圖像和幾何數據就可輕松搞定。

3D物體的工作原理

3D物體由三角形“網格”構成，這些三角形勾勒出物體具體的形狀。物體越具體詳細，所需的三角形也就越多(圖4)。構成物體形狀的三角形數量依所需物體顯現的真實度而異。

圖4：一款福特汽車的多邊形網格。

每個多邊形都有三個頂點，每個頂點都在“模型空間”中有“x”、“ y” 和“ z”坐標。這些頂點通常表示為一系列的浮點數。整個模型完全由這些浮點數構成，這些浮點數組成了模型的頂點數組。

下一步是對模型進行“陰影處理”或“紋理繪制”，以使其看起來更像實物。陰影處理的過程其實就是簡單地為每個三角形填色。可對三角形進行單色陰影處理——即只在三角形中填充一種灰度或顏色；也可以進行高氏陰影處理——即基于每一個頂點的顏色來填充漸變色(圖5)。

圖5：3D物體網格圖、單色陰影處理圖和高氏陰影處理圖。

要使物體看起來更真實，就要添加其它復雜的效果。含有陰影處理器引擎的圖像顯示控制器可以實現包括水、煙、火和反射性表面屬性等其它效果。

應用紋理繪圖的過程與給塑料模型印花來增加真實度相似。像印花一樣，紋理繪圖使網格狀的框架變成一個更逼真的圖像。紋理繪圖是一個由多個獨立小圖像構成的2D方形圖，這些小圖被放置在多邊形網格的特定位置。一個叫UV圖的表格指定了這些位置，該圖包括了紋理繪圖中每一個“印花”的坐標(圖6)。

圖6：一款福特汽車的UV圖。

紋理繪圖一旦應用于多邊形網格，就可以建立起一個完整的3D模型，既有深度，也可以旋轉、縮放及隨三軸(x、y、z)轉換。在應用了紋理繪圖以及圖像處理器處理了頂點和紋理繪圖數據之后，你即可看到如圖七所示的完整的3D模型。

圖7：福特汽車完整3D模型。

通過使用圖像芯片的幾何引擎，這一模型現在可以任何方式進行動畫模擬、從任何角度進行位置擺放。只要擁有3D模型(多邊形網格和紋理繪圖)，無需提供任何其它數據，你就能全方位地展示3D模型。通過沿著3D模型的三個軸進行縮放、旋轉和轉換，你可以獲得無限量的圖像數據。正如之前指出的，無需昂貴的閃存或系統存儲器，你就可呈現車胎數據、故障的車燈和車門狀況等任意數量的信息和提示。

富士通的“Jade”和“Emerald”是經過驗證、具有復雜3D功能和領先的圖像顯示屬性的圖像顯示控制器的樣板。MB86R0x Jade系列圖像顯示控制器被用于多種汽車和工業應用。MB86R1x Emerald系列圖像顯示控制器則可讓開發者有能力實現未來更雄心勃勃和復雜的3D應用。

充分發揮優勢

然而，在很多情況下，現有的應用并未充分使用Jade的3D功能。這就太可惜了，因為3D技術可以在現有的平臺上實現更加復雜的圖像功能，只需更改軟件即可。換句話說，汽車廠商、游戲開發者和其他消費類電子公司可為現有的設計注入新鮮血液，而這并不需要花費額外的硬件工程費用，因為擁有這一功能的硬件和顯示已經存在。

那么，使用這一功能需要什么呢？就Jade而言，只是去使用現有的3D軟件庫就萬事大吉。為使過程更為便捷，Jade助手庫(Quantum)在富士通提供的圖像庫(V03)(圖8和圖9)中，幫助完成建立幾何和紋理繪制所需的絕大多數艱巨工作。而Emerald則使用類似于OpenGL ES 2.0的圖庫。