今天的消費(fèi)電子用戶通常希望液晶顯示螢?zāi)坏挠脩艚槊姘?D元素。自最初的3D介面上市以來(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，以及能在螢?zāi)簧闲袆?dòng)來(lái)顯示更多選項(xiàng)的選單。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)性設(shè)備都以具備3D功能作為核心的用戶介面技術(shù)。

　　3D優(yōu)于2D的塬因顯而易見(jiàn)。從解析度來(lái)看，2D影像就像一張照片，只有寬度和高度，沒(méi)有深度。一輛車的2D影像可以旋轉(zhuǎn)、縮放，在螢?zāi)簧献龆S（‘x’和‘y’）行動(dòng)（轉(zhuǎn)換）。而3D影像可以做叁維（‘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影像讓消費(fèi)者享受視覺(jué)盛宴，幫助定義產(chǎn)品的風(fēng)格和價(jià)值，并傳遞大量的資訊。

　　產(chǎn)生3D影像需要復(fù)雜精尖的影像顯示控制器（GDC），而它又需要一個(gè)幾何單元和結(jié)構(gòu)處理單元。將這些元素整合在一個(gè)影像引擎中可提供最佳性能，如圖一所示。

　　圖1：影像SoC整合。

　　作為該技術(shù)的領(lǐng)先者，富士通在嵌入式影像市場(chǎng)已活躍了十多年，而涉足影像領(lǐng)域已近二十年，它設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并幫助客戶整合領(lǐng)先的2D和3D影像顯示控制器。因此，讓我們回顧一下這些強(qiáng)大而創(chuàng)新元件的基本塬理。

　　目前，許多最好的影像控制器對(duì)2D和3D影像都能駕馭。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，在汽車應(yīng)用中，駕駛者想要了解泄氣的車胎或不亮的車燈的情況。應(yīng)用2D技術(shù)就要求具備許多預(yù)置影像，以此來(lái)突出所有可能的角度和情況。加之‘車門或后備箱微開(kāi)’的情況，就需要數(shù)百GB的預(yù)置2D影像（圖2）。

　　圖2：顯示旋轉(zhuǎn)的2D影像（還需幾百個(gè)影像來(lái)顯示完整的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作） 。

　　而有了3D技術(shù)，所有這些及更多要求只需不到1GB的影像和幾何數(shù)據(jù)就可輕鬆搞定。

　　3D物體的工作塬理

　　3D物體由叁角形‘網(wǎng)格’構(gòu)成，這些叁角形勾勒出物體具體的形狀。物體越具體詳細(xì)，所需的叁角形也就越多（圖4）。構(gòu)成物體形狀的叁角形數(shù)量依所需物體顯現(xiàn)的真實(shí)度而異。

　　圖3：3D影像──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、車燈、車門等等） ?！?/i》

　　圖4：一款福特汽車的多邊形網(wǎng)格。

　　每個(gè)多邊形都有叁個(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‘紋理繪製’，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)叁角形填色?？蓪?duì)叁角形進(jìn)行單色陰影處理──即只在叁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影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)更逼真的影像。紋理繪圖是一個(gè)由多個(gè)獨(dú)立小影像構(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6：一款福特汽車的UV圖。

　　紋理繪圖一旦應(yīng)用于多邊形網(wǎng)格，就可以設(shè)立起一個(gè)完整的3D模型，既有深度，也可以旋轉(zhuǎn)、縮放及隨叁軸（x、y、z）轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用了紋理繪圖以及影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。

　　透過(guò)使用影像晶片的幾何引擎，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。透過(guò)沿著3D模型的叁個(gè)軸進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換，你可以獲得無(wú)限量的影像數(shù)據(jù)。正如之前指出的，無(wú)需昂貴的快閃記憶體或系統(tǒng)記憶體，你就可呈現(xiàn)車胎數(shù)據(jù)、故障的車燈和車門狀況等任意數(shù)量的資訊和提示。

　　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)先的影像顯示屬性的影像顯示控制器的樣板。MB86R0x Jade系列影像顯示控制器被用于多種汽車和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。MB86R1x Emerald系列影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)雜的影像功能，只需更改軟體即可。換句話說(shuō)，汽車廠商、游戲開(kāi)發(fā)者和其他消費(fèi)性電子公司可為現(xiàn)有的設(shè)計(jì)注入新鮮血液，而這并不需要花費(fèi)額外的硬體工程費(fèi)用，因?yàn)閾碛羞@一功能的硬體和顯示已經(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軟體庫(kù)就萬(wàn)事大吉。為使過(guò)程更為便捷，Jade助手庫(kù)（Quantum）在富士通提供的影像庫(kù)（V03）（圖8和圖9）中，幫助完成設(shè)立幾何和紋理繪製所需的絕大多數(shù)艱巨工作。而Emerald則使用類似于OpenGL ES 2.0的圖庫(kù)。

　　圖7：福特汽車完整3D模型。

　　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執(zhí)行提供了巨大支援。這些影像顯示控制器的影像功能中，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、叁角、叁角帶、叁角扇、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-緩衝──消除隱藏面

　　多邊繪圖標(biāo)誌緩衝器

　　OpenGL ES 2.0──可相容陰影處理器引擎（只限Emerald）

　　3D技術(shù)如何顯著改善2D用戶介面

　　3D引擎可以像處理3D影像那樣，輕易、優(yōu)雅地處理2D影像。當(dāng)你將上述3D引擎的功能添加到2D影像中，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)葉影像估計(jì)會(huì)消耗100MB的快閃記憶體。這當(dāng)然大幅超過(guò)了許多系統(tǒng)的合理儲(chǔ)存量預(yù)算和規(guī)格，特別是對(duì)于單一影像功能而言。如果加入更多的影像功能──假設(shè)每種功能所需的空間大小相似──就需要數(shù)百M(fèi)B的快閃記憶體空間才能實(shí)現(xiàn)所要的影像。透過(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，我們就可以將儲(chǔ)存要求降低到8MB或更少。

　　圖10：3D動(dòng)畫樹(shù)葉的自動(dòng)化儀表盤。

　　這是透過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)的：為樹(shù)葉的每一狀態(tài)產(chǎn)生一幅影像；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)影像（圖11）。

　　圖11：樹(shù)葉影像：Jade 前后旋轉(zhuǎn)和縮放。

　　3D透過(guò)其它方式來(lái)改進(jìn)用戶介面開(kāi)發(fā)，例如：

　　要求小得多的記憶體空間

　　支援加速的旋轉(zhuǎn)、縮放和轉(zhuǎn)換

　　簡(jiǎn)化影像資產(chǎn)的增加或更改，以及

　　支援簡(jiǎn)單的遷移路徑

　　更小的儲(chǔ)存空間

　　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)者需要儲(chǔ)存的影像數(shù)量少得多。3D技術(shù)可向用戶呈現(xiàn)更多資訊，但對(duì)系統(tǒng)記憶體（DDR）和非揮發(fā)性記憶體（NOR/NAND快閃記憶體）需求產(chǎn)生的影響甚微。

　　樹(shù)葉的例子說(shuō)明，使用3D影像引擎來(lái)縮放、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換從NOR快閃記憶體中獲得的2D影像，就可以有數(shù)千個(gè)可能的影像。

　　使用八位元色彩時(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)黑白影像進(jìn)行著色處理，以實(shí)現(xiàn)幾千種可能的顏色。透過(guò)在已完成的影像上使用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)的其它影像效果。

　　具體來(lái)說(shuō)，可以對(duì)2D影像元素實(shí)施如下作業(yè)：

　　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

　　上述作業(yè)的任意同時(shí)組合

　　例如，假設(shè)我們以單個(gè)2D影像（圖12）開(kāi)始，其未壓縮和壓縮格式分別占32K或3K的記憶體。

　　圖12：2D樹(shù)葉影像。

　　我們可以輕鬆地將這個(gè)單一影像客體轉(zhuǎn)換成一系列可以從多角度、多方位呈現(xiàn)的影像客體（圖13）。一旦3D引擎被用來(lái)處理2D圖畫素材，那么將單一影像物體有用性最大化的能力會(huì)成指數(shù)成長(zhǎng)。

　　圖13：3D樹(shù)葉狀態(tài)。

　　硬體加速的旋轉(zhuǎn)、縮放和轉(zhuǎn)換

　　電腦影像的關(guān)鍵之一是時(shí)間。必須以最快的速度把圖畫素材收集起來(lái)并送到液晶顯示面板，否則用戶就會(huì)注意到影像的繪製過(guò)程。這一速率就是通常說(shuō)的‘訊框頻’。

　　實(shí)現(xiàn)成功訊框頻的關(guān)鍵是窮盡影像處理器的所有能力，在預(yù)算時(shí)間內(nèi)，使影像盡可能逼真。雖然其它因素也在發(fā)揮作用，但我們一直不懈地追求液晶顯示面板的訊框頻指標(biāo)，以保證影像的流暢呈現(xiàn)。

　　在每秒60訊框（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)繪製希望用戶看到的一切。影像控制器需要幾項(xiàng)重要的硬體功能以編繪一幅場(chǎng)景（例如，一個(gè)具備升級(jí)的儀表和影像元素的完整儀表板──圖14）、將影像元素轉(zhuǎn)換成所需的影像并且保證時(shí)間預(yù)算。Jade具備這些功能或模組。

　　圖14：具有儀表和影像元素的3D儀表樣板。

　　例如，在Jade的影像子系統(tǒng)的核心有四個(gè)關(guān)鍵硬體加速器，它們支援實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大且極快的硬體旋轉(zhuǎn)、縮放、轉(zhuǎn)換和影像呈現(xiàn)。這四個(gè)模組如圖十五所示。各模組平行工作，實(shí)現(xiàn)了極速的影像性能。

　　圖15：Jade影像子系統(tǒng)。

　　目前一些汽車的整合表盤只使用這四個(gè)模組中的兩個(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)更賞心悅目的影像體驗(yàn)。

　　隨時(shí)增加或改變動(dòng)態(tài)圖畫素材

　　當(dāng)為系統(tǒng)添加圖畫素材時(shí)，圖畫素材特性通常會(huì)變身為部份底層塬始程式碼。當(dāng)使用3D引擎來(lái)處理2D影像時(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圖畫素材被應(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（如32 x 32， 128 x 128， 256 x 256或512 x 512畫素）。儘管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，考慮一幅採(cǎi)用128 x 128畫素紋理圖的影像。無(wú)需改變?nèi)魏纬淌酱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，而程式碼將繼續(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)影像進(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)有的用戶介面模板製作3D物體，而不是完全重新創(chuàng)作。如果3D引擎被用來(lái)處理以前用戶介面的2D影像元素，那么支援這些代替現(xiàn)有2D元素的新3D物體要相對(duì)簡(jiǎn)單。這是因?yàn)樘幚磉@些影像的過(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用戶介面的主要障礙來(lái)自于對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)週期中應(yīng)用該介面存在困難的擔(dān)憂。採(cǎi)用富士通的影像顯示控制器，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、精尖的影像選擇的新世界。

　　為2D物體採(cǎi)用3D引擎的最大困難是無(wú)限的影像可能。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影像對(duì)終端用戶價(jià)值的方式。

　　在消費(fèi)性電子產(chǎn)品領(lǐng)域，如蘋果公司引領(lǐng)的3D元素（如封面、應(yīng)用和滾選圖標(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)的資訊節(jié)點(diǎn)（如iPod上的歌），用戶需要3D進(jìn)行快速分類和篩選。採(cǎi)用3D介面技術(shù)，在有限空間裡為用戶提供成千上萬(wàn)的選擇就變得很實(shí)用（圖17）。

　　圖16：2D與3D的差別簡(jiǎn)示。

　　圖17：3D串流媒體概念。

　　另一個(gè)例子是汽車儀表板。標(biāo)準(zhǔn)的汽車類比儀表板（圖18）所提供的資訊有限。儀表板上的每一個(gè)實(shí)體位置只能傳達(dá)一則資訊（如燃油量）。

　　圖18：標(biāo)準(zhǔn)的類比汽車儀表板。

　　2D影像儀表板（圖19）傳達(dá)更多資訊，但缺乏深度觀感。儘管從其傳達(dá)的資訊來(lái)看，已是對(duì)類比儀表板的巨大改進(jìn)，但是添加3D元素仍會(huì)帶來(lái)顯著提升。

　　圖19：2D影像儀表板。

　　2D/3D影像儀表板（圖20）在液晶顯示螢?zāi)坏淖笥覀?cè)導(dǎo)入了3D元素。

　　圖20：2D/3D 影像儀表板。

　　左側(cè)的汽車影像可被旋轉(zhuǎn)任意角度，且可提供以下資訊：

　　輪胎壓力

　　車內(nèi)溫度

　　車外溫度

　　燃油量

　　車門、后備箱或引擎蓋的開(kāi)閉狀態(tài)

　　特定的轉(zhuǎn)向訊號(hào)、前車燈和故障車燈

　　右側(cè)的地球儀形狀的3D影像可以顯示：

　　每加侖油的行駛裡程

　　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資訊，它是由3D引擎完成縮放、旋轉(zhuǎn)等處理的。中央整合表盤（圖21）也在螢?zāi)蛔笥覀?cè)展示了3D元素，而螢?zāi)恢醒雱t以2D/3D元素為特色。這一1280x480分辨度的12.3英吋顯示螢?zāi)皇菕?cǎi)用Jade處理器設(shè)計(jì)。

　　圖21：2D/3D的中央整合表盤概念。

　　儘管上述的大多數(shù)例子都是關(guān)于汽車應(yīng)用的，但是3D技術(shù)可廣泛應(yīng)用于其它產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)性產(chǎn)品，如游戲、資訊終端、培訓(xùn)、航空和醫(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影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已關(guān)緊。

　　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影像，這些創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)指日可待。