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可以向用戶提供互聯網訪問的低成本設備市場正在興起，這種設備能夠完成網絡瀏覽、電子郵件、媒體文件下載、視頻和移動電視、游戲和社交網絡等功能。然而，為了迎合主流用戶的需要，這些移動互聯網設備和上網本必須提供像筆記本電腦一樣的用戶體驗，而且需要具有更長的電池壽命。在保持高可視質量的同時滿足成本和電池壽命約束條件對設計人員來說是一個艱巨的挑戰，不過利用合適的顯示子系統架構可以從容應對這一挑戰。 個人電腦(PC)的主要消費用途之一是訪問互聯網以獲取內容和通信功能。然而，許多消費者希望PC更便宜更簡單，甚至比筆記本電腦更具便攜性，同時仍能提供對豐富的互聯網內容的快速無線訪問。這些期望為那些制造傳統意義上的筆記本和智能手機的公司帶來了新的市場機會：移動互聯網設備(MID)和上網本。 這種機會在目前經濟低迷時期是一個很大的亮點。盡管經濟還不景氣，但對MID和上網本的需求正在不斷上升。對實時信息、通信和娛樂需求永無止境的移動社會是驅動這種需求上升的一個主要因素。另一個因素是無線服務提供商能夠通過寬帶服務形成新的收入來源。正如蜂窩電話市場中發生的那樣，服務提供商正在推進MID和上網本產品與數據服務計劃的捆綁，鼓動用戶簽訂更高價格的合約和額外服務。這兩方面共同抬高了一個重要度量：每用戶平均收入(ARPU)。 盡管MID和上網本仍然是新興市場，但許多設計要求已經迅速變得清晰起來。其中一個重要特征是MID和上網本是低成本設備，理想的零售價應分別在300美元和500美元以下。另外一個重要特征是這些設備的電池使用時間必須明顯長于傳統的便攜式電腦，一天以上的電池壽命是最低要求。MID和上網本還必須比膝上電腦或筆記本電腦更緊湊重量也更輕，并具有出色的顯示分辨率。對MID來說屏幕尺寸最好是4到7英寸，并能達到寬SVGA(WSVGA)分辨率，而用戶對上網本的要求是顯示屏尺寸能達到11英寸，并提供WSVGA或WXGA分辨率。 MID和上網本的另外一個特征是它們正在變成內容消費設備，而筆記本和PC仍然是內容創建設備。MID/上網本需要完成互聯網訪問、電子郵件、媒體播放、游戲和大量類似PC的任務，但不要求完全兼容PC。應用程序可以是內置的，也可以作為瀏覽器的Java程序下載，因此雖然Java是重要的軟件單元，但功能完整的WindowsXP或Vista不是。 因為這種架構上的自由性，MID是從三種基本技術發展而來的：PC、智能手機(包括iPhone和黑莓)、媒體播放器(包括電視機頂盒)。同樣，上網本開發的基礎是筆記本電腦和膝上電腦。因此開發人員可以自由選擇處理器，不必考慮姑奶奶x86和Windows的兼容性，只需考慮性能和低功耗特性。這樣，MID市場對廣泛的設計團隊和供應方來說是開放的市場。 顯示要求是關鍵 雖然基本架構和處理器選擇很靈活，但顯示要求卻不是這樣。這些設備具有像它們的核心功能那樣的互聯網體驗，而且用戶不能忍受觀賞質量的任何下降。事實上，互聯網體驗是消費者簽訂無線數據計劃的驅動力。因此，用戶的視覺體驗絕對是確保市場成功的關鍵。系統必須能夠同樣出色地顯示文本、圖形、移動電視、電影和影像，不管是在單個屏幕上單獨顯示還是組合顯示。另外，這種顯示器必須在室內和室外各種光照條件下都能看得清楚，即使隨著用戶移動而發生光照條件迅速變化時也能產生可接受的結果。 由于功耗方面的原因，大多數MID設計選用液晶顯示器(LCD)。遺憾的是，LCD通常只能提供200:1或400:1等級相對有限的對比度范圍。考慮光照條件后還會進一步減少這個可視范圍。如圖1所示，LCD顯示器在使用完全不透明晶體時的最小輸出與使用完全透明晶體時的最大輸出之間映射輸入的圖像數據。最大像素亮度用流明表示，因此在理想環境下顯示子系統可以實現的可視動態范圍是顯示器對比度和背光強度的函數。 圖1：LCD中圖像信息到光強度(單位：流明)的映射是背光強度的函數。 如果環境光很強，那么觀看者實際看到的對比度范圍可能小于顯示器規定的值。從LCD表面散射的環境光將使觀看者無法看清流明值低于反射環境光線的任何像素，從而截短顯示器色調范圍的底部。這樣，對于給定的顯示器來說，圖像數據將映射到由背光和反射環境光強度限制的“盒子”中，低于環境光強的顯示信息將無法瀏覽。顯示圖像的對比度以及用戶的觀看體驗質量取決于這個“盒子”的大小。 為了改善顯示信息的可視性，傳統設計方法只是簡單地增加盒子的尺寸。擴大盒子需要使用高動態范圍的LCD屏，或增加背光強度。然而，這些方法會極大地增加已經在設計成本中占大頭的顯示子系統成本。更重要的是，增加背光強度將顯著提高顯示子系統的功耗要求，從而縮短電池使用壽命。在傳統設計中，背光已經占30%至60%的系統功耗，因此增加背光強度來改善顯示屏可視性只能是拆東墻補西墻。 因此要想優化MID和上網本設計中的成本和電池壽命，設計人員必須找到能夠替代傳統設計的方法。在考慮替代方案時，顯示子系統的三大要素值得特別關注。第一是顯示屏與系統處理器之間的接口，第二是保存顯示數據的幀緩存位置，第三也許是最關鍵的一點是，在顯示子系統中包含圖像增強算法。 顯示屏和處理器之間的接口面臨嚴格的約束條件。對許多開發人員來說，與MID/上網本設計接近的行業基礎將極大地影響他們使用哪種處理器。他們在開發工具、軟件庫方面的現有投資以及給定處理器系列方面擁有的專門技術將勝過大多數其它考慮因素。由于處理器原本用于其它應用，因此處理器很容易通過改變而連接到MID/上網本設計中的顯示屏。 放置幀緩存 在實現處理器－顯示器接口時，開發人員需要確定幀緩存的位置——顯示內容就是從這個緩存處刷新的。有三種選擇，一種是將幀緩存嵌入顯示屏，使顯示器變得“智能”，一種是將主處理器的內存用作幀緩存，還有一種是使用不同于前兩者的獨立緩存。成本和功耗之間的權衡將最終決定哪種架構最適合設計，雖然將緩存嵌入顯示屏與其它兩種方法相比有明顯更多的缺點。 要求LCD本身緩存數據將極大地限制顯示屏的選擇余地，因為并不是所有屏都能提供板載存儲器，這主要是因為成本。用于創建顯示屏控制電路的半導體工藝需要使用較大的晶體管才能獲得所需的驅動電平。與更小工藝實現的存儲器相比，采用這種工藝實現存儲器將導致裸片尺寸大很多，進而加大成本。因此使用顯示屏外部的存儲器毫無疑問將有更好的成本優勢。 如果幀緩存放在顯示屏外部，那么其位置取決于成本和電源管理機會之間的折衷。將處理器內存用作幀緩存具有最低成本優勢，因為不會浪費已經給處理器提供的資源。然而，將系統內存用作幀緩存具有隱性的功耗問題。MID/上網本上的顯示器大多數時候是顯示靜態內容，如顯示文本消息或網頁，因此系統處理器不需要連續更新緩存。在這種等待情況下完全可以關閉處理器。但幀緩存必須持續給顯示控制器提供數據，因此如果處理器內存用作緩存的話，處理器必須保持激活狀態，這樣就失去了節能的機會。 使用中間緩存的成本可能比使用處理器內存高，但當使用較高分辨率的顯示屏時，成本將比將幀緩存嵌入在顯示屏內低。然而，由于幀緩存不受處理器控制，這種外部緩存可以達到很好的節能效果。在等待狀態時處理器可以關閉，這樣做不會阻止顯示驅動器訪問緩存。 選擇顯示增強算法 雖然顯示子系統的接口和幀緩存單元提供了優化系統成本和功耗的有利機會，但最大的機會還在于背光系統。通過實現適當的增強算法，開發人員可以調整顯示內容以補償顯示屏的動態范圍限制。增強算法還能補償逆向光，它能在顯示屏的可視動態范圍內智能地重新映射顯示內容而不是調整背光強度來優化可視性能。 然而，增強算法必須能夠與典型的MID/上網本顯示內容一起工作，這種內容通常包含混合的圖形、文本和影像與視頻。當使用全局增強算法(如伽瑪校正)時，這種混合內容會造成一定的問題。增強圖像可視性的算法可能使文本或圖形無法閱讀。而自適應的像素x像素圖像增強方法可以避免這個問題，它使用上下文信息(如相鄰像素值)來判斷對圖像數據作了什么修改(如果有的話)。 Apical Imaging公司的Iridix算法就是這樣一種自適應圖像增強算法，在與移動顯示屏一起使用時的好處已得到證實。這種算法在人類感知模型基礎上使用描述顯示屏屬性的參數(如動態范圍)來重新映射圖像內容，從而獲得最佳可視性。舉例來說，Iridix有選擇地擴大圖像數據中的像素至像素變化，使得微小陰影變得更加生動。這種算法有助于補償由于顯示屏有限動態范圍而導致的較低內容位的視覺損失。由于這種算法是有選擇性的，它會不同程度地影響圖像的不同部分。與伽瑪校正等全局性增強算法改善某些領域的可視性、降低其它部分的可視性不同，如圖2所示，自適應增強算法在增強陰影細節的同時不會破壞較亮內容中的明亮區。 圖2：自適應增強算法可以在不破壞重要內容的前提下恢復陰影中失去的細節。 這種自適應增強算法可以向開發人員提供兩大好處。一個是可以用具有有限動態范圍的較低成本顯示屏取得高質量圖像。但最大化這種范圍內的圖像可視性也可以用來補償更高反射環境光(如強太陽光條件下)效應。所有算法需求是有關顯示屏可視范圍的上限和下限、背光強度和環境光強度的信息。這樣就可以保護低亮度信息，否則這些信息由于圖像數據映射進實際可視范圍而被環境光破壞。 自適應增強算法可降低功耗 這種保護信息的能力也意味著自適應增強算法可以向開發人員提供降低系統功耗需求的機會。在逆光情況下無需提高背光亮度，MID/上網本可以使用自適應增強算法改變圖像數據來獲得強環境光下的最大可視性。MID/上網本還能利用自適應增強算法降低暗環境光線下的背光亮度。結果是在不犧牲圖像可視性的條件下顯著降低了平均功耗。 因此自適應增強算法在開發人員設計顯示子系統時向他們提供了相當大的靈活性。他們可以使用較低成本顯示屏獲得良好的可視性，用功能更強的顯示屏提高可視性，降低背光亮度以節省功耗，或在不增加功耗的條件下補償強環境光線，或選擇這些特性的一些組合。最佳折衷方案取決于地區性和人口統計學市場，以及發展中的消費者期望值和使用案例，因此這種靈活性也將成為今后產品功能增強的關鍵。 這種自適應增強算法的好處已經得到了現場驗證。如圖3所示，QuickLogic公司視覺增強引擎(VEE)中的Iridix算法實現提高了MID/上網本顯示屏中的視頻庫可視性。比較(a)不帶和(b)帶自適應增強算法的圖像可以看出，雖然光線保持相同，但后者的周邊文本和圖形性能沒有降低。 圖3：自適應增強算法的關鍵是它能提高圖像的可視性，同時不要求增強背光或犧牲圖形清晰度。 因此顯示子系統是MID/上網本設計的一個關鍵要素，開發人員應重點加以關注。MID/上網本在低迷經濟中表現出來的成長機會肯定會引起激烈的競爭。在多媒體和智能手機及媒體播放器市場中的經驗表明，設計需要滿足甚至超過消費者的所有成本和電池壽命期望值才能取得成功。移動電視的試運行表明，良好的觀看體驗也是產品成功的關鍵。 顯示子系統是設計人員滿足這些目標的最大機會所在。顯示子系統通常是便攜式設計*耗最大的部分，因此這里的改進將對電池壽命有最大的影響。顯示屏和背光是設計中成本最高的部分，這也使得顯示子系統成為顯著降低成本的機會所在。通過整合節省成本和節省能量的架構化選擇以及自適應算法來保持圖像的可視性，開發人員以及移動網絡運營商將能充分發掘這種機會帶來的好處。 |
