汽车采用的液晶仪表板，分辨率不是越高就越好

2017-04-17 雷锋网 CINNO

现阶段，12.3 吋全液晶屏的分辨率有：1280×480、1440×540、1920×720。对于汽车液晶仪表的应用，是否是越高的分辨率越好呢？分辨率的增高仅仅是换一个 LCD 显示屏的工作和成本吗？

这里我们从用户需求和设计上逐个层次展开分析。

1、视距与点距

说到LCD 显示，我们一定不陌生一个词「视网膜屏幕」。视网膜屏幕是分辨率超过人眼识别极限的高分辨率屏幕，由苹果公司在 2010 年在 iPhone 4 发布会上首次推出营销术语。

对于手机，要求在距离眼睛 10-12 英寸（约 25-30 厘米）时，LCD 的显示达到 300ppi（pixelsper inch）以上，视网膜就无法分辨出像素点了。这也就是苹果对「视网膜屏幕」的最初定义，iPhone 4 屏幕的像素密度也达到了 326ppi。这是怎么计算出来的呢？

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。由三角关系可知，眼睛的分辨角α和 d，h 有如下对应关系：

而人眼睛的最小分辨角约为 1 角分（1/60°），国内视力标准的5.0 大致相当。考虑手机的使用场景，可以取 d=25cm。这时候，h=0.076mm，对应为 333ppi。这就是视网膜屏幕的由来。其中，h 为 LCD 的点距。

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

就是说，对于 12.3 吋汽车液晶仪表的应用，1440×540 分辨率下，5.0 的眼睛已经不能分辨出来屏幕上的点了。更高的分辨率，用户体验并不会得到更好的提升。

2、处理能力

在汽车上引入液晶仪表盘的优势在于，能提供更炫酷的显示效果。而这种效果，不单是一个静态的画面，还要有动态的图形图像变换过程。即，一个优秀的液晶仪表盘设计，不单要在空间（合理的分辨率）上是最优的，还要在时间上（动画帧率，像素级别的动态 Shader 特效渲染）是最优的。

当前，计算机对屏幕的图形的显示（位图、矢量图绘制，像素填充，Shader 级别的像素渲染等），实质上是对内存中，逐点数据的修改和计算。当分辨率在一维尺度的提升，意味着实际的处理能力需要以平方关系增长。

例如：分辨率从 1280×480 提升到 1440×540，像素量增加 1.26 倍；而从，1440×540 到 1920×720，像素量则要增加 1.78 倍。

这就意味着，高分辨率显示屏的显示效果（帧速率、色彩值、图形抗锯齿能力等）要保证与低分辨率相同。前者，只需要处理能力（包括：CPU、GPU 的数据传输、渲染速度等）增加 1.26 倍；而后者，则需要再增加 1.78 倍。这对于整个系统性能的要求过于苛刻，意味着，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，关于高分辨率的屏幕要点对点的显示，则需要 UI 提供更高分辨率的图片。图片等元素的增大，将导致仪表界面启动时间增长。

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

1、UI 界面中部分（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。分辨率高了，但是显示效果反而下降了。

2、使用低分辨率的图片做拉伸或者插值，以满足对启动时间和显示性能的需求。这相当于根本没把高分屏发挥出来。

3、原来可以用透明度变化的，现在不用透明度。减少动画过程，在低分辨率的屏上可以更为平滑的加减速过程，将变为只有始末状态，没有动画过程。例如：屏幕上车门开启和关闭过程。

4、GPU 的 Shader 特效（例如：粒子效果、光影效果）尽可能的不用或者少用。原本可以做到的炫酷效果，现在不得不简化，甚至取消。

5、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，分辨率提高了，但是，视觉上锯齿更多了。

3、热分析

汽车级液晶仪表要求的工作温度范围为-40～80（或者 85）℃。当环境温度为 85℃的时候，仪表内部的温度必须保证在元器件可以工作的温度范围内。

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℃。我公司实际测试过，在 90℃的时候，业界几个知名品牌液晶屏供应商提供的样品均不能实际工作。这就要求，整个液晶仪表在设计的时候，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℃的时候，必须保证，仪表壳体内部处理器的环境温度不能超过 105℃（只有 20℃的温差范围）。

处理器在工作的时候，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系对应。

通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。这将给整个系统的热设计，带来相当大的难度——不得不使用更大的散热片（仪表总体重量增加，仪表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（在国内的空气质量下风扇寿命为整机瓶颈，仪表的抗冲击震动性能下降）。

总结

汽车级全液晶仪表的设计，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）、仪表寿命、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，一个液晶屏分辨率的提升，将会带来各种设计难度和成本的提升。

我相信随着 TI 技术的发展，处理器制程的提升（例如：28nm 或者更优的工艺），高分辨率液晶屏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组件当下最优的选择。