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作者：富士通半導(dǎo)體Rick Tewell和Cheyenne Wolford 如今， 消費(fèi)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(lái)，消費(fèi)者們已習(xí)慣了看到有縱深且能夠旋轉(zhuǎn)的物體，以及能在屏幕上移動(dòng)來(lái)顯示更多選項(xiàng)的菜單。iPad、iTouch和Android設(shè)備就是最好例證。成千上萬(wàn)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)消費(fèi)類設(shè)備都以具備3D功能作為核心的用戶界面技術(shù)。 3D優(yōu)于2D的原因顯而易見(jiàn)。從清晰度來(lái)看，2D圖像就像一張照片，只有寬度和高度，沒(méi)有深度。一輛車(chē)的2D圖像可以旋轉(zhuǎn)、縮放，在屏幕上做二維(‘x’和‘y’)移動(dòng)(轉(zhuǎn)換)。而3D圖像可以做三維(‘x’、‘y’和 ‘z’)的旋轉(zhuǎn)、縮放和轉(zhuǎn)換。3D物體有深度，是全視角的。這是基于人對(duì)空間和物體的認(rèn)知，3D可使人們獲得更直觀和互動(dòng)的體驗(yàn)。有效的3D圖像讓消費(fèi)者享受視覺(jué)盛宴，幫助定義產(chǎn)品的風(fēng)格和價(jià)值，并傳遞大量的信息。 生成3D圖像需要復(fù)雜精尖的圖像顯示控制器(GDC)，而它又需要一個(gè)幾何單元和結(jié)構(gòu)處理單元。將這些元素整合到一個(gè)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(shù)的領(lǐng)先者，富士通在嵌入式圖像市場(chǎng)已活躍了十多年，而涉足圖像領(lǐng)域已近二十年，它設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并幫助客戶集成領(lǐng)先的2D和3D 圖像顯示控制器。因此，讓我們回顧一下這些強(qiáng)大而創(chuàng)新器件的基本原理。 當(dāng)前，許多最好的圖像控制器對(duì)2D和3D圖像都能駕馭。但在許多情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者并沒(méi)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(lái)許多益處。例如，在汽車(chē)應(yīng)用中，駕駛者想要了解泄氣的車(chē)胎或不亮的車(chē)燈的情況。應(yīng)用2D技術(shù)就要求具備許多預(yù)置圖像，以此來(lái)突出所有可能的角度和情況。加之“車(chē)門(mén)或后備箱微開(kāi)”的情況，就需要數(shù)百兆字節(jié)的預(yù)置2D圖像(圖2)。
圖2：顯示旋轉(zhuǎn)的2D圖像(還需幾百個(gè)圖像來(lái)顯示完整的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作)。
圖3：3D圖像——單一物體可以旋轉(zhuǎn)至任何角度，縮放至任意大小，突出任意部位(輪胎、車(chē)燈、車(chē)門(mén)等等)。 而有了3D技術(shù)，所有這些及更多要求只需不到一兆字節(jié)的圖像和幾何數(shù)據(jù)就可輕松搞定。 3D物體的工作原理 3D物體由三角形“網(wǎng)格”構(gòu)成，這些三角形勾勒出物體具體的形狀。物體越具體詳細(xì)，所需的三角形也就越多(圖4)。構(gòu)成物體形狀的三角形數(shù)量依所需物體顯現(xiàn)的真實(shí)度而異。
圖4：一款福特汽車(chē)的多邊形網(wǎng)格。 每個(gè)多邊形都有三個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)都在“模型空間”中有“x”、“ y” 和“ z”坐標(biāo)。這些頂點(diǎn)通常表示為一系列的浮點(diǎn)數(shù)。整個(gè)模型完全由這些浮點(diǎn)數(shù)構(gòu)成，這些浮點(diǎn)數(shù)組成了模型的頂點(diǎn)數(shù)組。 下一步是對(duì)模型進(jìn)行“陰影處理”或“紋理繪制”，以使其看起來(lái)更像實(shí)物。陰影處理的過(guò)程其實(shí)就是簡(jiǎn)單地為每個(gè)三角形填色。可對(duì)三角形進(jìn)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(jìn)行高氏陰影處理——即基于每一個(gè)頂點(diǎn)的顏色來(lái)填充漸變色(圖5)。
圖5：3D物體網(wǎng)格圖、單色陰影處理圖和高氏陰影處理圖。 增加其它復(fù)雜效果 要使物體看起來(lái)更真實(shí)，就要添加其它復(fù)雜的效果。含有陰影處理器引擎的圖像顯示控制器可以實(shí)現(xiàn)包括水、煙、火和反射性表面屬性等其它效果。 應(yīng)用紋理繪圖的過(guò)程與給塑料模型印花來(lái)增加真實(shí)度相似。像印花一樣，紋理繪圖使網(wǎng)格狀的框架變成一個(gè)更逼真的圖像。紋理繪圖是一個(gè)由多個(gè)獨(dú)立小圖像構(gòu)成的2D方形圖，這些小圖被放置在多邊形網(wǎng)格的特定位置。一個(gè)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(gè)“印花”的坐標(biāo)(圖6)。
圖6：一款福特汽車(chē)的UV圖。 紋理繪圖一旦應(yīng)用于多邊形網(wǎng)格，就可以建立起一個(gè)完整的3D模型，既有深度，也可以旋轉(zhuǎn)、縮放及隨三軸(x、y、z)轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用了紋理繪圖以及圖像處理器處理了頂點(diǎn)和紋理繪圖數(shù)據(jù)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(chē)完整3D模型。 通過(guò)使用圖像芯片的幾何引擎，這一模型現(xiàn)在可以任何方式進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬、從任何角度進(jìn)行位置擺放。只要擁有3D模型(多邊形網(wǎng)格和紋理繪圖)，無(wú)需提供任何其它數(shù)據(jù)，你就能全方位地展示3D模型。通過(guò)沿著3D模型的三個(gè)軸進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換，你可以獲得無(wú)限量的圖像數(shù)據(jù)。正如之前指出的，無(wú)需昂貴的閃存或系統(tǒng)存儲(chǔ)器，你就可呈現(xiàn)車(chē)胎數(shù)據(jù)、故障的車(chē)燈和車(chē)門(mén)狀況等任意數(shù)量的信息和提示。 富士通的“Jade”和“Emerald”是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、具有復(fù)雜3D功能和領(lǐng)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(chē)和工業(yè)應(yīng)用。MB86R1x Emerald系列圖像顯示控制器則可讓開(kāi)發(fā)者有能力實(shí)現(xiàn)未來(lái)更雄心勃勃和復(fù)雜的3D應(yīng)用。 充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì) 然而，在很多情況下，現(xiàn)有的應(yīng)用并未充分使用Jade的3D功能。這就太可惜了，因?yàn)?D技術(shù)可以在現(xiàn)有的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的圖像功能，只需更改軟件即可。換句話說(shuō)，汽車(chē)廠商、游戲開(kāi)發(fā)者和其他消費(fèi)類電子公司可為現(xiàn)有的設(shè)計(jì)注入新鮮血液，而這并不需要花費(fèi)額外的硬件工程費(fèi)用，因?yàn)閾碛羞@一功能的硬件和顯示已經(jīng)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(xiàn)有的3D軟件庫(kù)就萬(wàn)事大吉。為使過(guò)程更為便捷，Jade助手庫(kù)(Quantum)在富士通提供的圖像庫(kù)(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(shù)艱巨工作。而Emerald則使用類似于OpenGL ES 2.0的圖庫(kù)。
圖8：使用Quantum進(jìn)行3D處理。
圖9：Quantum 3D 引擎。 Jade和Emerald在其核心部位為3D運(yùn)行提供了巨大支持。這些圖像顯示控制器的圖像功能中，至少有一半與3D技術(shù)相關(guān)，包括： 3D 基本要素—— 點(diǎn)、線、線帶、三角、三角帶、三角扇、任意多邊形 防失真 高氏陰影處理、單色陰影處理 紋理繪圖——過(guò)濾、透視校正、混合模式、alpha顏色混合及遮蓋技術(shù) 幾何處理——MVP變換、裁剪、篩選、視見(jiàn)區(qū)轉(zhuǎn)換 Z-緩沖——消除隱藏面 多邊繪圖標(biāo)志緩沖器 OpenGL ES 2.0——可兼容陰影處理器引擎(只限Emerald) 3D技術(shù)如何顯著改善2D用戶界面 3D引擎可以像處理3D圖像那樣，輕易、優(yōu)雅地處理2D圖像。當(dāng)你將上述3D引擎的功能添加到2D圖像中，就可以獲得不同凡響的效果。 例如，如果使用常規(guī)的2D技術(shù)，圖十中樹(shù)葉圖像估計(jì)會(huì)消耗100MB的閃存。這當(dāng)然大大超過(guò)了許多系統(tǒng)的合理存儲(chǔ)量預(yù)算和規(guī)范，特別是對(duì)于單一圖像功能而言。如果加入更多的圖像功能——假設(shè)每種功能所需的空間大小相似——就需要數(shù)百兆的閃存空間才能實(shí)現(xiàn)所要的圖像。通過(guò)使用3D引擎來(lái)完成縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換任務(wù)，取決于所選的顏色深度等因素，我們就可以將存儲(chǔ)要求降低到8MB或更少。 這是通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)的：為樹(shù)葉的每一狀態(tài)生成一幅圖像；讓3D引擎來(lái)處理旋轉(zhuǎn)和縮放；然后用2D引擎來(lái)呈現(xiàn)圖像(圖11)。
圖10：3D動(dòng)畫(huà)樹(shù)葉的自動(dòng)化儀表盤(pán)。
圖11：樹(shù)葉圖像：Jade 前后旋轉(zhuǎn)和縮放。 3D通過(guò)其它方式來(lái)改進(jìn)用戶界面開(kāi)發(fā)，例如： 要求小得多的內(nèi)存空間 支持加速的旋轉(zhuǎn)、縮放和轉(zhuǎn)換 簡(jiǎn)化圖像資產(chǎn)的增加或更改，以及 支持簡(jiǎn)單的遷移路徑 更小的存儲(chǔ)空間 如前所述，3D單元縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換物體的能力使開(kāi)發(fā)者需要存儲(chǔ)的圖像數(shù)量少得多。3D技術(shù)可向用戶呈現(xiàn)更多信息，但對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)器(DDR)和非易失性存儲(chǔ)器(NOR/NAND閃存)需求產(chǎn)生的影響甚微。 樹(shù)葉的例子說(shuō)明，使用3D圖像引擎來(lái)縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換從NOR閃存中獲得的2D圖像，就可以有數(shù)千個(gè)可能的圖像。 使用八位色時(shí)，就可能改變動(dòng)態(tài)物體的顏色，并產(chǎn)生諸如在兩種顏色間有褪色這種強(qiáng)大的色差效果。使用3D單元，可對(duì)黑白圖像進(jìn)行著色處理，以實(shí)現(xiàn)幾千種可能的顏色。通過(guò)在已完成的圖像上使用2D引擎，你還可以增加臨位效應(yīng)(alpha effect)(透明)，并提供數(shù)以千計(jì)的其它圖像效果。 具體來(lái)說(shuō)，可以對(duì)2D圖像元素實(shí)施如下操作： 大小縮放——包括使物體變寬或變窄的非線性縮放 如果使用的是高氏陰影處理而非單色陰影處理，可以實(shí)現(xiàn)單一或多種色彩 旋轉(zhuǎn)到任一角度，或 上述操作的任意同時(shí)組合 例如，假設(shè)我們以單個(gè)2D圖像(圖12)開(kāi)始，其未壓縮和壓縮格式分別占32K或3K的存儲(chǔ)器。
圖12：2D樹(shù)葉圖像。 我們可以輕松地將這個(gè)單一圖像客體轉(zhuǎn)換成一系列可以從多角度、多方位呈現(xiàn)的圖像客體(圖13)。一旦3D引擎被用來(lái)處理2D圖像素材，那么將單一圖像物體有用性最大化的能力會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)。
圖13：3D樹(shù)葉狀態(tài)。 硬件加速的旋轉(zhuǎn)、縮放和轉(zhuǎn)換 電腦圖像的關(guān)鍵之一是時(shí)間。必須以最快的速度把圖像素材收集起來(lái)并送到液晶顯示面板，否則用戶就會(huì)注意到圖像的繪制過(guò)程。這一速率就是通常說(shuō)的“幀頻”。 實(shí)現(xiàn)成功幀頻的關(guān)鍵是窮盡圖像處理器的所有能力，在預(yù)算時(shí)間內(nèi)，使圖像盡可能逼真。雖然其它因素也在發(fā)揮作用，但我們一直不懈地地追求液晶顯示面板的幀頻指標(biāo)，以保證圖像的流暢呈現(xiàn)。 在每秒60幀(液晶顯示面板的通用刷新率)的情況下，我們只有16.66毫秒(千分之一秒)來(lái)繪制希望用戶看到的一切。圖像控制器需要幾項(xiàng)重要的硬件功能以編繪一幅場(chǎng)景(例如，一個(gè)具備升級(jí)的儀表和圖像元素的完整儀表板——圖14)、將圖像元素轉(zhuǎn)換成所需的圖像并且保證時(shí)間預(yù)算。Jade具備這些功能或模塊。
圖14：帶有儀表和圖像元素的3D儀表樣板。 例如，在Jade的圖像子系統(tǒng)的核心有四個(gè)關(guān)鍵硬件加速器，它們支持實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大且極快的硬件旋轉(zhuǎn)、縮放、轉(zhuǎn)換和圖像呈現(xiàn)。這四個(gè)模塊如圖十五所示。各模塊并行工作，實(shí)現(xiàn)了極速的圖像性能。 當(dāng)前一些汽車(chē)的集成表盤(pán)只使用這四個(gè)模塊中的兩個(gè)9(2D單元和顯示控制器)。另外兩個(gè)是默認(rèn)禁用的。使用3D幾何單元和紋理處理單元可以為終端用戶帶來(lái)更賞心悅目的圖像體驗(yàn)。 隨時(shí)增加或改變動(dòng)態(tài)圖像素材 當(dāng)為系統(tǒng)添加圖像素材時(shí)，圖像素材特性通常會(huì)變身為部分底層源代碼。當(dāng)使用3D引擎來(lái)處理2D圖像時(shí)，只需簡(jiǎn)單地替換系統(tǒng)中的現(xiàn)有素材，而無(wú)需更改其它。 總之，當(dāng)2D圖像素材被應(yīng)用于3D環(huán)境時(shí)，紋理圖子系統(tǒng)的規(guī)則要求：在x和y軸，紋理圖必須是2的冪(例如, 32 x 32, 128 x 128, 256 x 256, 或 512 x 512像素)。盡管Jade子系統(tǒng)中紋理圖的絕對(duì)極限是4096 x 4096，但使用像128 x 128 或 256 x 256這樣合理尺寸的圖則更普遍和有效。(一個(gè)寶貴的經(jīng)驗(yàn)法則是：根據(jù)視覺(jué)需要確定紋理圖的大小。) 例如，考慮一幅采用128 x 128像素紋理圖的圖像。無(wú)需改變?nèi)魏未a，我們就能完全改變樹(shù)葉的外觀，或徹底將其變成其它物體，而代碼將繼續(xù)正常工作。這就允許開(kāi)發(fā)者在不干擾編碼流程的條件下，隨時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行重要的藝術(shù)再創(chuàng)作。 提供通往3D的更便捷之路 在某一時(shí)刻，藝術(shù)工作室可以選擇為現(xiàn)有的用戶界面模板創(chuàng)建3D物體，而不是完全重新創(chuàng)作。如果3D引擎被用來(lái)處理以前用戶界面的2D圖像元素，那么支持這些代替現(xiàn)有2D元素的新3D物體要相對(duì)簡(jiǎn)單。這是因?yàn)樘幚磉@些圖像的過(guò)程和庫(kù)調(diào)用幾乎一樣，只需增加深度軸即可讓物體達(dá)到真正的3D效果。 3D帶給藝術(shù)工作室的諸多可能性值得深究，因?yàn)?D可以為眾多產(chǎn)品增色。使用3D用戶界面的主要障礙來(lái)自于對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)周期中應(yīng)用該界面存在困難的擔(dān)憂。采用富士通的圖像顯示控制器，就解決了這一問(wèn)題。一旦藝術(shù)工作室和開(kāi)發(fā)人員知道如何將2D物體轉(zhuǎn)化為3D物體，他們就開(kāi)啟了全新的、精尖的圖像選擇的新世界。 為2D物體采用3D引擎的最大困難是無(wú)限的圖像可能。解決之道就是明確如何最大程度地發(fā)揮可用功能的作用。 3D如何提升終端用戶的體驗(yàn) 舉例也許是最能展示3D圖像對(duì)終端用戶價(jià)值的方式。 在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，如蘋(píng)果公司引領(lǐng)的3D元素(例如封面流、應(yīng)用流和滾選圖標(biāo))在很大程度上依賴3D技術(shù)。沒(méi)有這些3D元素，就幾乎不可能傳送這數(shù)以千計(jì)的信息節(jié)點(diǎn)(如iPod上的歌)，用戶需要3D進(jìn)行快速分類和篩選。采用3D界面技術(shù)，在有限空間里為用戶提供成千上萬(wàn)的選擇就變得很實(shí)用(圖17)。
圖15：Jade圖像子系統(tǒng)。
圖16：2D與3D的差別簡(jiǎn)示。
圖17：3D流媒體概念 另一個(gè)例子是汽車(chē)儀表板。標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)模擬儀表板(圖18)所提供的信息有限。儀表板上的每一個(gè)物理位置只能傳達(dá)一則信息(如燃油量)。 2D圖像儀表板(圖19)傳達(dá)更多信息，但缺乏深度觀感。盡管從其傳達(dá)的信息來(lái)看，已是對(duì)模擬儀表板的巨大改進(jìn)，但是添加3D元素仍會(huì)帶來(lái)顯著提升。
圖18：標(biāo)準(zhǔn)的模擬汽車(chē)儀表板。
圖19：2D圖像儀表板。 2D/3D 圖像儀表板(圖20)在液晶顯示屏的左右側(cè)引入了3D元素。
圖20：2D/3D 圖像儀表板。 左側(cè)的汽車(chē)圖像可被旋轉(zhuǎn)任意角度，且可提供以下信息： 輪胎壓力 車(chē)內(nèi)溫度 車(chē)外溫度 燃油量 車(chē)門(mén)、后備箱或引擎蓋的開(kāi)閉狀態(tài) 特定的轉(zhuǎn)向信號(hào)、前車(chē)燈和故障車(chē)燈 右側(cè)的地球儀形狀的3D圖像可以顯示： 每加侖油的行駛里程 指南針的方位 路線導(dǎo)航指南 谷歌地球類形狀的下載(fly down) 使用2D技術(shù)的儀表板的中央儀表提供了大量信息，它是由3D引擎完成縮放、旋轉(zhuǎn)等處理的。中央集成表盤(pán)(圖21)也在屏幕左右側(cè)展示了3D元素，而屏幕中央則以2D/3D元素為特色。這一1280x480分辨度的12.3英寸顯示屏是采用Jade處理器設(shè)計(jì)的。
圖21：2D/3D的中央集成表盤(pán)概念。 盡管上述的大多數(shù)例子都是關(guān)于汽車(chē)應(yīng)用的，但是3D技術(shù)可廣泛應(yīng)用于其它工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品，如游戲、信息終端、培訓(xùn)、航天和醫(yī)療設(shè)備。其中一項(xiàng)特別的創(chuàng)新應(yīng)用是在冰箱上，3D圖像提供了一整套可幫助用戶完成一系列任務(wù)的互動(dòng)功能，從使用制冰機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)冰箱溫度到確保冷藏室門(mén)已關(guān)嚴(yán)。 隨著設(shè)計(jì)者和開(kāi)放者能更加舒適、自信和創(chuàng)造性地使用3D圖像，這些創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)指日可待。 下載原文： 
3D_and_Fujitsu_GDCs.pdf
(11.46 MB)
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