汽車採用的液晶儀錶板,解析度不是越高就越好

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 09 日 12:00 | 分類 汽車科技 , 零組件 , 面板 follow us in feedly

現階段,汽車廣泛採用的 12.3 吋全液晶螢幕的解析度有:1,280×480、1,440×540、1,920×720。對於汽車液晶儀錶板的應用,是否解析度越高越好呢?解析度增加僅是換一個 LCD 顯示螢幕的工作和成本嗎?



這裡我們從用戶需求和設計上逐層分析。

1、視距與點距

說到 LCD 顯示,對「視網膜螢幕」一定不陌生。視網膜螢幕是解析度超過人眼辨識極限的高解析度螢幕,由蘋果公司在 2010 年在 iPhone 4 發表會上首次推出的行銷術語。

對於手機,要求在距離眼睛 10~12 英吋(約 25~30 公分)時,LCD 的顯示達到 300ppi(pixels per inch)以上,視網膜就無法分辨出畫素點了。這也就是蘋果對「視網膜螢幕」的最初定義,iPhone 4 螢幕的畫素密度也達到 326ppi。這是怎麼計算出來的呢?

上圖是一個高為 h 的物體,在與眼睛為 d 的距離下,在視網膜上成像的示意圖。由三角關係可知,眼睛的分辨角 α 和 d,h 有如下對應關係:

而人眼的最小分辨角約為 1 角分(1/60°),考慮手機的使用場景,可以取 d=25cm。這時候, h=0.076mm,對應為 333ppi。這就是視網膜螢幕的由來。其中,h 為 LCD 的點距。

同樣道理,汽車液晶儀錶板的應用場景,一個典型使用儀錶的距離為 70cm 左右,則 h 為 0.204mm。12.3 吋 LCD 典型的點距如下表:

就是說,12.3 吋汽車液晶儀錶板的應用,1,440×540 解析度下,5.0 的眼睛已經不能分辨螢幕上的點了。更高的解析度,用戶體驗並不會得到更高提升。

2、處理能力

在汽車上引入液晶儀錶板的優勢在於,能提供更炫酷的顯示效果。這種效果,不單是一靜態畫面,還要有動態的圖形圖像變換過程。即,一個優秀的液晶儀錶板設計,不單要在空間(合理的解析度)上最優,還要在時間上(動畫幀率,畫素級別的動態 Shader 特效渲染)最優。

當前,電腦對螢幕圖形的顯示(位圖、矢量圖繪製、畫素填充、Shader 級別的畫素渲染等),實質上是對內存中逐點數據的修改和計算。當解析度在一維尺度的提升,意味著實際的處理能力需要以平方關係增長。

例如:解析度從 1,280×480 提升到 1,440×540,畫素量增加 1.26 倍;而從 1,440×540 到 1,920×720,像畫量要增加 1.78 倍。

這就意味著,高解析度顯示螢幕的顯示效果(幀速率、色彩值、圖形抗鋸齒能力等)要保證與低解析度相同。前者只需要處理能力(包括 CPU、GPU 的數據傳輸、貼圖速度等)增加 1.26 倍;後者則需要再增加 1.78 倍。這對整個系統性能的要求過於苛刻,意味 CPU 處理能力、GPU 渲染速度、系統總線吞吐率都不能有瓶頸產生。

另外,關於高解析度的螢幕要點對點顯示,則需要 UI 提供更高解析度的圖片。圖片等元素的增大,將導致儀錶介面啟動時間加長。

如果不能保證上述處理能力怎麼辦?那就只能降低顯示效果。在 UI 的細節上做如下調整:

  1. UI 介面中部分(或者全部)圖片用 16 位色圖片。從 32 位到 16 位,要求性能降低一半,彌補上述 1.78 倍的增長。解析度高了,但是顯示效果反而下降了。
  2. 使用低解析度的圖片拉伸或增值,以滿足對啟動時間和顯示性能的需求。這等於根本沒發揮高解析螢幕的優勢。
  3. 原來可以用透明度變化的,現在不用透明度。減少動畫過程,在低解析度的螢幕上可以更平滑的加減速過程,變為只有始末狀態,沒有動畫過程。例如:螢幕上車門開啟和關閉過程。
  4. GPU 的 Shader 特效(例如:粒子效果、光影效果)盡可能不用或少用。原本可做到的炫酷效果,現在不得不簡化,甚至取消。
  5. 降低(甚至關閉)抗鋸齒功能。在 3D 模型的邊緣將產生明顯的鋸齒。雖然解析度提高了,但視覺上鋸齒更多了。

3、熱分析

汽車級液晶儀錶板要求的工作溫度範圍為 -40~80(或者 85)℃。當環境溫度為 85℃ 的時候,儀錶內部溫度必須保證在器件可以工作的溫度範圍內。

首先,即便是汽車級 LCD,其標稱的最高工作溫度,也不會超過 85℃。實際測試過在 90℃ 時,業界幾個知名品牌液晶螢幕供應商提供的樣品均不能工作。這就要求,整個液晶儀錶板在設計時必須考慮散熱。

其次,汽車級的處理器,通常標稱的最高工作溫度為 105℃。也就是在外界環境溫度為 85℃ 時,必須保證,儀錶殼體內部處理器的環境溫度不能超過 105℃(只有 20℃ 的溫差範圍)。

處理器在工作時,發熱是不可避免的,其功耗與主頻成正比,與工作電壓的平方成正比。現在的處理器都有 DVFS(動態電壓頻率調整)機制,根據當前的負載,動態調整處理器的核心工作電壓,達到降低功耗的目的。即,高主頻會對應更高的核心電壓的提升,而工作電壓的平方正比於功耗。結果導致處理速度會與功耗超過平方的關係對應。

透過對典型數據的初步估算表明,如果處理器主頻做 1.78 倍的提升,其實際功耗會超過 2 倍以上。這將給整個系統的散熱設計,帶來相當大的難度──不得不使用更大的散熱片(儀錶總體重量增加,儀錶的抗衝擊震動性能下降),更好的散熱材料和方式(成本提升),引入風扇等主動散熱機制。

總結

汽車級全液晶儀錶板的設計,是一個綜合考慮的過程。綜上所述,我們需要在用戶體驗(不但要考慮靜態顯示的效果,更要考慮動態畫面的感受)、儀錶壽命、總體重量、整機性能、散熱性、抗衝擊震動性等各個方面綜合考慮。上述細節,環環相扣,一個液晶螢幕解析度的提升,會帶來各種設計難度和成本的提升。

相信隨著 TI 技術的發展、處理器製程的提升(例如:28nm 或更優的製程),高解析度液晶螢幕帶來的問題會逐步解決,但當前務實的做法是綜合考慮各個電子元件最優的選擇。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:pixabay)