3D圖形技術在手機應用中的技術挑戰和競爭

亞洲市場正在興起的對面向圖形電子游戲的狂熱，正刺激著對下一代具有復雜3D圖形功能手機的巨大需求。本文通過詳細介紹3D圖形技術在手機中應用的技術挑戰、3D圖形API標準以及開發商將面臨的技術競爭，幫助工程師了解3D圖形技術的應用現狀，分析存在的技術挑戰和可能的技術競爭。
　　
　　僅在兩年前，手機還只提供基本的2D位圖圖形游戲作為附加功能，正如可發送短信的手機幾年前才出現一樣。手機游戲功能在亞洲國家開始流行，且消費者很容易即被下一代彩屏手機所吸引。用戶很快便開始希望能在其手機上玩更高性能的游戲。手機制造商們也順勢推出利用高級圖形特性(每像素16位彩色及有限圖形加速能力的QVGA分辨率彩屏)以及更復雜及交互式游戲的手機。隨著性能的提高，亞洲面向圖形手機的發展速度比世界其他任何地方同類手機的發展速度都要快。
　　
　　現在出現了3D圖形功能，第一階段是通過軟件來引入3D圖形功能。這要求極大地提高處理器性能，但某些操作仍具有很大的性能局限，且高度復雜的交互式特性還不可行。去年，尤其是去年下半年，市場上開始出現帶基于硬件、真正3D圖形功能的移動設備。但在世界其他很多地方，人們仍心存疑慮：對于一種普通的語音通信設備，為什么需要彩屏，而且還要給它加上2D/3D圖形功能？用手機玩高級電子游戲可能很快會在歐洲流行，過兩年也會在美國流行。在西方國家，對連接互聯網、無線上網、GPS服務以及內置相機、多媒體消息、移動視頻、MP3播放以及游戲等應用感興趣的高端用戶正在增加。
　　
　　但一種可以理解的謹慎觀念開始在移動電話行業中蔓延：盡管游戲依靠3D圖形、或實際上是3D圖形使性能更高的手機游戲成為可能并推動未來的手機更換市場，但這并沒有絕對的把握，畢竟游戲只是手機這一語音通信設備的一項附加功能。目前，市場上已有好幾種采用各種不同架構并帶3D圖形功能的第一代手機，其中有些聲稱具有較低的功耗，而其他則宣揚更好的視覺效果或特定功能特性。但總體而言，它們在性能或功能上并無多大差異。
　　
　　面臨的技術挑戰
　　
　　創造對高級特性的需求還只是移動設備制造商所面臨挑戰的一個方面。利用更強大的處理能力來處理并操作靜止及活動圖像數據的任務，再加上額外的存儲資源且不增加設備的體積和重量，這在技術上來講并非易事。若再加上至少保持或更理想地提高電池的待機時間，技術挑戰將變得極其嚴峻。
　　
　　而此時專用視頻游戲市場中的圖形技術也已經大大向前發展。對于此類設備，尤其是基于控制臺的設備，對將強大處理能力以及專用游戲引擎放進狹窄空間中的壓力并不大。功耗仍是便攜式游戲設備的一個問題，盡管它們常常擁有足夠的空間來容納其他硬件，如復雜3D圖形芯片組及加速器等。但雙屏、觸摸屏、交互性以及處理大量像素的能力，將會使手機成為任天堂及索尼等游戲機公司所面臨的新威脅。
　　
　　要將任何接近這些性能的東西集成在移動電話中，要求對手機的架構進行全新的考慮。大約6小時的電池使用時間對于游戲機來說至少還能接受，但對于移動電話，即使有這兩倍的時間也不夠。鑒于此，大多數手機設計者都采用增加處理能力、核心CPU單獨工作等能減少設備功耗的方案。
　　
　　然而，移動電話還受到空間的壓力，必須以最小的硅(硬件)開銷來增加其他功能。即使采用第一種彩屏，處理及傳輸像素的任務仍需要一些理解像素空間的協處理器或專用DMA引擎。今天，盡管已有相當多基于DSP的芯片與內核、圖形加速器、專用協處理器、圖形引擎以及軟件解決方案可用，但如何實現仍很關鍵。架構、軟硬件劃分以及系統級芯片(SoC)或芯片組等決策，需在設計過程的前期制定并且非常關鍵。而制造成本只能靠大批量生產來分攤，后期設計變更大大增加成本，變更造成的項目延期則會冒喪失主要市場及盈利機會的風險。
　　
　　圖形功能并不是一項后增加的功能，而是與顯示有關的所有操作的一個完整組成部分，集成并驗證這種復雜電子電路需要投入大量的工作。專用平臺的出現對手機開發商來說意義重大，因其能方便設計再利用，同時節省大量設計時間與驗證工作。3D圖形功能是一種最成功的應用子系統實現，尤其是它采用了可執行一些特殊功能(不容易通過通用處理平臺來實現的)的專用加速器。
　　
　　3D圖形API標準--Open GL-ES
　　
　　移動電話行業需要游戲開發商的支持以確保有價格適中的游戲供用戶選擇，這其中一個潛在的難題是需要有應用編程接口(API)在處理硬件、軟件及圖形引擎間進行通信。移動電話業已經富有遠見地避開了PC 3D游戲市場早期所走過的彎路，當時各種專用API引起了不必要的競爭及沖突。主要手機制造商、芯片供應商、圖形引擎及軟件提供商、游戲開發商以及基礎設備開發企業等，都很快便看出這一潛在的問題，并進行廣泛的合作/協作來共同保證從一開始便采用一致的API。
　　
　　作為移動3D圖形行業標準的Open GL-ES的出現，避免了手機制造商由于互不兼容的游戲軟件格式而導致無謂的市場競爭。Open GL-ES源自臺式機市場，且特別容易縮放，并已經剝離了原有的一些不必要功能，因而能以更小的占板面積來實現。
　　
　　Open GL-ES已經獲得了廣泛的行業支持，不僅得到了手機制造商及器件與內核提供商的支持，同時也獲得了圖形引擎、游戲開發商以及操作系統供應商的支持。更重要的是，盡管Open GL-ES是一種低級的API，但完全能作為Java游戲環境中J2ME應用程序更高級JSR 184 API的補充。
　　
　　現在，行業的專家們正在開發Open GL-ES 2.0，他們是一些了解市場及硬件局限以及能正確評估開發用于未來應用的軟硬件所需資源的人士。第二代手機可能今年會進入設計階段，且一年后便會有新產品推出-盡管這很大程度上依賴于用戶對第一代產品的接受度。屆時這些手機將大量上市，并預計將發布Open GL-ES 2.0，以準備開發第三代帶3D圖形功能的手機。

　面臨的技術競爭
　　
　　真正的“技術競賽”將從第二代具有3D圖形功能的手機開始。廠商們將在純技術性能方面展開前所未有的競爭，特別是一旦API標準完全確立后就將幾乎沒有什么分歧。一些人認為，手機制造商應避免過快地擴展其平臺以及創建一些其專有的擴展，行業必須確保Open GL-ES標準API隨市場一起發展。
　　
　　事實上，Open GL-ES路線圖已經確立，而且人們已開始著手制定Open GL-ES 2.0。雖然目前的API是基于狀態機，但對于第三代手機來說，它必須發展成為基于Shader(著色引擎)的標準。現在，API基于固定功能管線(pipeline)，這種固定功能管線可以根據當前渲染條件來啟用或禁用某些功能，它使廠商能根據吞吐量、像素數量及類似功能來制造不同的手機。
　　
　　通過Open GL-ES 2.0，人們可對圖形管線中的某些元素進行編程，從而使內容開發商能夠精確定義如何處理頂點(vertex)或像素。這能采用程序性算法以使代碼性能依賴于實現，因此不僅能為供應商提供更大的特性集與性能創新空間以及更大的差異化(尤其在視覺質量及效果方面)，而且還能為開發商保留一個公共平臺。
　　
　　與使用較大顯示屏的桌面或控制臺游戲機市場相比，圖形子系統開發商必須重新審視移動電話市場。手機2.2英寸顯示屏的像素密度遠高于筆記本電腦屏幕的像素密度。新出現的2.5英寸顯示屏很可能擁有高達每英寸400像素的密度，這是當前像素密度的兩倍。因此，利用大量多邊形及快速多邊形速度來獲得高分辨率圖形的傳統方法幾乎完全不適用。聰明的設計者將把目光投向那些用于光照及顯示的更高級(但基于更粗糙模型的)技術上。區別在于像素質量以及可用于這些像素的高端處理數量(其指標為每頂點每秒操作數及每像素每秒操作數)。開發商計劃通過這種方法不僅能提供以前只有通過數百萬多邊形才能達到的畫面質量，而且還不突?處理器性能、存儲器容量及功耗指標。
　　
　　計劃中的Open GL-ES標準發展，不僅為整個移動3D圖形市場提供了清晰的路線圖及穩定的增長，而且也為廠商提供了一個健康競爭的市場。預計今后幾年內，隨著開放標準的發展，移動3D圖形技術將擴展至許多別的平臺及市場，包括汽車與航空電子設備等。
　　
　　緊湊的3D圖形解決方案
　　
　　今天，一種最流行的面向移動設備平臺的3D圖形解決方案是由ARM公司開發的PowerVR MBX圖形加速器系列。該產品由ARM與Imagination Technologies公司聯合開發，其內核被應用處理器用來在移動電話、無線游戲及其他嵌入式設備中提供具有PC及游戲控制臺畫面質量的3D圖形。
　　
　　該圖形加速器具有可分別提供QVGA與SVGA圖形性能的兩個版本(MBX R-S及MBX HR-S)。MBX R-S版具有較小的裸片尺寸，主要用于小型無線設備。而MBX HR-S版則具有更高的性能。這兩款內核都擁有增加頂點幾何處理器的選項，該處理器可以將主CPU從幾何處理任務解脫，以實現先進的光照特性。
　　
　　支持全2D與3D特性集且與Open GL-ES兼容的PowerVR MBX解決方案，采用塊狀渲染(tile-based rendering)來在芯片上實現全帶寬密集型像素處理。通過取消3D內核與外部存儲器之間的Z緩沖以及保證只將可見像素寫入幀緩沖，可降低存儲器帶寬要求。塊狀渲染不僅能進行高位精度渲染與合成(即使在帶有16位幀緩沖器的系統上)，而且還能實現可取消所有多余紋理操作的延時紋理。此種方案便于采用統一的存儲器架構，在這種架構中，圖形子系統與CPU一起共用系統SDRAM，從而可以采用節省成本與空間的SoC實現。
　　
　　MBX內核易于與ARM926EJ-S及ARM1136J-S以及ARM PrimeXsys平臺集成，故能縮短產品上市時間。該內核架構緊湊，可節省空間及硅成本。通過采用成熟的功率管理技術(包括模塊與寄存器級時鐘選通等)，使功耗最小化。
　　
　　通過采用ARM公司的AMBA AHB(高級高性能總線)接口及各種ARM PrimeCell外圍器件，還能提供其他集成支持。這些經過預先驗證及硬件成熟的軟IP宏單元，通過PrimeCell外圍多端口存儲控制器接口很容易與3D圖形加速解決方案相集成，因為這些接口已針對MBX R-S及HR-S而優化。
　　
　　不斷發展的OpenGL-ES
　　
　　Khronos工作組是一個由多個成員單位組成的聯盟，專注于開發免許可及跨平臺的開放標準圖形API，以在各種平臺及設備上創作并播放動態媒體。所有Khronos成員都可參與Khronos API規范的開發、在公開部署以前的各階段投票、并能通過對規范草案及遵循性測試的提前訪問來加快先進3D平臺與應用的推出。
　　
　　Khronos API規范包括：用于捕獲、傳輸、處理、顯示及同步數字媒體(包括2D/3D與音視頻流)的OpenML；可提供用于Flash 及SVG等矢量圖形庫的低級硬件加速接口的OpenVG；可提供對以前廣泛用于圖形、音頻與圖片庫以及MPEG-4等視頻編解碼器的媒體處理標準訪問的OpenMAX；以及Open GL-ES。
　　
　　Open GL-ES是一種面向嵌入式系統(包括手持式設備、儀器及車輛等)上全功能2D與3D圖形的免許可、跨平臺API。它是一組經過良好定義的桌面OpenGL，可在軟件與圖形加速之間創建靈活及功能強大的低級接口。OpenGL ES 1.0包括用于浮點與定點系統的Common profile(公用類)與Common-Lite profile(共用簡化類)，以及用于與本地窗口系統手持連接的EGL 規范。OpenGL-ES 2.0目前正在開發之中。
　　
　　此外，還建立了“安全關鍵”工作組，以幫助將標準移植到其他采用3D圖形的移動平臺、尤其是汽車及航空電子設備上。