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汽车採用的液晶仪錶板,解析度不是越高就越好
2020-07-20

汽车採用的液晶仪錶板,解析度不是越高就越好

现阶段,汽车广泛採用的 12.3 吋全液晶萤幕的解析度有:1,280×480、1,440×540、1,920×720。对于汽车液晶仪錶板的应用,是否解析度越高越好呢?解析度增加仅是换一个 LCD 显示萤幕的工作和成本吗?

这里我们从用户需求和设计上逐层分析。

1、视距与点距

说到 LCD 显示,对「视网膜萤幕」一定不陌生。视网膜萤幕是解析度超过人眼辨识极限的高解析度萤幕,由苹果公司在 2010 年在 iPhone 4 发表会上首次推出的行销术语。

对于手机,要求在距离眼睛 10~12 英吋(约 25~30 公分)时,LCD 的显示达到 300ppi(pixels per inch)以上,视网膜就无法分辨出画素点了。这也就是苹果对「视网膜萤幕」的最初定义,iPhone 4 萤幕的画素密度也达到 326ppi。这是怎幺计算出来的呢?

汽车採用的液晶仪錶板,解析度不是越高就越好

上图是一个高为 h 的物体,在与眼睛为 d 的距离下,在视网膜上成像的示意图。由三角关係可知,眼睛的分辨角 α 和 d,h 有如下对应关係:

汽车採用的液晶仪錶板,解析度不是越高就越好

而人眼的最小分辨角约为 1 角分(1/60°),考虑手机的使用场景,可以取 d=25cm。这时候, h=0.076mm,对应为 333ppi。这就是视网膜萤幕的由来。其中,h 为 LCD 的点距。

同样道理,汽车液晶仪錶板的应用场景,一个典型使用仪錶的距离为 70cm 左右,则 h 为 0.204mm。12.3 吋 LCD 典型的点距如下表:

汽车採用的液晶仪錶板,解析度不是越高就越好

就是说,12.3 吋汽车液晶仪錶板的应用,1,440×540 解析度下,5.0 的眼睛已经不能分辨萤幕上的点了。更高的解析度,用户体验并不会得到更高提升。

2、处理能力

在汽车上引入液晶仪錶板的优势在于,能提供更炫酷的显示效果。这种效果,不单是一静态画面,还要有动态的图形图像变换过程。即,一个优秀的液晶仪錶板设计,不单要在空间(合理的解析度)上最优,还要在时间上(动画帧率,画素级别的动态 Shader 特效渲染)最优。

当前,电脑对萤幕图形的显示(位图、矢量图绘製、画素填充、Shader 级别的画素渲染等),实质上是对内存中逐点数据的修改和计算。当解析度在一维尺度的提升,意味着实际的处理能力需要以平方关係增长。

例如:解析度从 1,280×480 提升到 1,440×540,画素量增加 1.26 倍;而从 1,440×540 到 1,920×720,像画量要增加 1.78 倍。

这就意味着,高解析度显示萤幕的显示效果(帧速率、色彩值、图形抗锯齿能力等)要保证与低解析度相同。前者只需要处理能力(包括 CPU、GPU 的数据传输、贴图速度等)增加 1.26 倍;后者则需要再增加 1.78 倍。这对整个系统性能的要求过于苛刻,意味 CPU 处理能力、GPU 渲染速度、系统总线吞吐率都不能有瓶颈产生。

另外,关于高解析度的萤幕要点对点显示,则需要 UI 提供更高解析度的图片。图片等元素的增大,将导致仪錶介面启动时间加长。

如果不能保证上述处理能力怎幺办?那就只能降低显示效果。在 UI 的细节上做如下调整:

    UI 介面中部分(或者全部)图片用 16 位色图片。从 32 位到 16 位,要求性能降低一半,弥补上述 1.78 倍的增长。解析度高了,但是显示效果反而下降了。使用低解析度的图片拉伸或增值,以满足对启动时间和显示性能的需求。这等于根本没发挥高解析萤幕的优势。原来可以用透明度变化的,现在不用透明度。减少动画过程,在低解析度的萤幕上可以更平滑的加减速过程,变为只有始末状态,没有动画过程。例如:萤幕上车门开启和关闭过程。GPU 的 Shader 特效(例如:粒子效果、光影效果)尽可能不用或少用。原本可做到的炫酷效果,现在不得不简化,甚至取消。降低(甚至关闭)抗锯齿功能。在 3D 模型的边缘将产生明显的锯齿。虽然解析度提高了,但视觉上锯齿更多了。
3、热分析

汽车级液晶仪錶板要求的工作温度範围为 -40~80(或者 85)℃。当环境温度为 85℃ 的时候,仪錶内部温度必须保证在器件可以工作的温度範围内。

首先,即便是汽车级 LCD,其标称的最高工作温度,也不会超过 85℃。实际测试过在 90℃ 时,业界几个知名品牌液晶萤幕供应商提供的样品均不能工作。这就要求,整个液晶仪錶板在设计时必须考虑散热。

其次,汽车级的处理器,通常标称的最高工作温度为 105℃。也就是在外界环境温度为 85℃ 时,必须保证,仪錶壳体内部处理器的环境温度不能超过 105℃(只有 20℃ 的温差範围)。

处理器在工作时,发热是不可避免的,其功耗与主频成正比,与工作电压的平方成正比。现在的处理器都有 DVFS(动态电压频率调整)机制,根据当前的负载,动态调整处理器的核心工作电压,达到降低功耗的目的。即,高主频会对应更高的核心电压的提升,而工作电压的平方正比于功耗。结果导致处理速度会与功耗超过平方的关係对应。

透过对典型数据的初步估算表明,如果处理器主频做 1.78 倍的提升,其实际功耗会超过 2 倍以上。这将给整个系统的散热设计,带来相当大的难度──不得不使用更大的散热片(仪錶总体重量增加,仪錶的抗冲击震动性能下降),更好的散热材料和方式(成本提升),引入风扇等主动散热机制。

总结

汽车级全液晶仪錶板的设计,是一个综合考虑的过程。综上所述,我们需要在用户体验(不但要考虑静态显示的效果,更要考虑动态画面的感受)、仪錶寿命、总体重量、整机性能、散热性、抗冲击震动性等各个方面综合考虑。上述细节,环环相扣,一个液晶萤幕解析度的提升,会带来各种设计难度和成本的提升。

相信随着 TI 技术的发展、处理器製程的提升(例如:28nm 或更优的製程),高解析度液晶萤幕带来的问题会逐步解决,但当前务实的做法是综合考虑各个电子元件最优的选择。


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