汽車市場(chǎng)是技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中最令人興奮的領(lǐng)域之一，其總是不斷發(fā)展，努力走在新技術(shù)的前沿。這意味著，驅(qū)動(dòng)底層的硬件系統(tǒng)不僅要傳輸良好的性能，還需滿足多樣化的需求。汽車行業(yè)是Imagination Technologies的關(guān)鍵領(lǐng)域，我們的PowerVR圖形核心可謂貫穿整個(gè)汽車市場(chǎng)。

本文，我們將描述PowerVR架構(gòu)的一些特性如何使之成為最新汽車圖像應(yīng)用程序的最佳選擇。我們還將討論現(xiàn)代圖形API如Vulkan如何造福未來(lái)的汽車應(yīng)用程序。

基于貼塊的延遲渲染(TBDR)

所有PowerVR圖形核心都采用了公認(rèn)的TBDR架構(gòu)。理解這些關(guān)鍵概念非常重要，這樣才能認(rèn)識(shí)到這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。這里我們會(huì)做簡(jiǎn)要的闡述。

TBDR使圖形核心能最有效地利用系統(tǒng)內(nèi)存總線，其方式是，使所有的數(shù)據(jù)用于基元的光柵化及片上緩沖區(qū)單個(gè)貼圖(通常是32×32像素)中每個(gè)像素的著色，直至貼圖全部渲染完成。一旦貼圖的渲染任務(wù)完成，結(jié)果將會(huì)寫(xiě)入系統(tǒng)主內(nèi)存中的幀緩沖區(qū)。這種方法將大幅減少圖形核心和主存之間的內(nèi)存?zhèn)鬏?，有助于降低整個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)的功耗。

架構(gòu)“延遲”的部分使圖形核心可以舍棄大部分的幾何圖形，這些幾何圖形原本在片段處理前隱藏在最終圖像的其他片段后。這種方法將大幅降低處理覆蓋片段的時(shí)間，因此可以明顯減少幀處理時(shí)所花費(fèi)的時(shí)鐘周期。通過(guò)使用這種類型的架構(gòu)，PowerVR圖形核心展示了出色的可延展性能，同時(shí)保持有極高的效率。

為了更深入地了解基于貼塊的延遲架構(gòu)，請(qǐng)閱讀此文 。

車載GPU加速顯示屏

汽車市場(chǎng)要求圖像處理器能提供高像素的填充率，以驅(qū)動(dòng)各種用于信息/娛樂(lè)功能的高分辨率顯示屏。如下所述：

? 信息娛樂(lè)系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車的中心部分。通常情況下，儀表盤(pán)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)綜合多媒體中心，可以與智能手機(jī)等其他智能設(shè)備通訊，甚至可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與云端連接。同時(shí)，用戶界面需清晰且響應(yīng)及時(shí)，可以顯示圖像和視頻。

? 儀表板是另一種通用的尖端技術(shù)，其旨在多個(gè)高分辨率屏幕上給駕駛員提供實(shí)時(shí)信息。

? 導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但現(xiàn)在已不斷細(xì)化。其中一項(xiàng)改進(jìn)是，部署在車內(nèi)的嵌入式設(shè)備，其導(dǎo)航應(yīng)用程序的視覺(jué)保真度有所提高。這要得益于圖像技術(shù)的進(jìn)步。

? 最后便是平視顯示器——一項(xiàng)由航空航天業(yè)首創(chuàng)的技術(shù)，目前已應(yīng)用在汽車應(yīng)用中，用于向汽車的擋風(fēng)玻璃投射有用的信息。這使駕駛員在獲取關(guān)鍵信息的同時(shí)，又能時(shí)刻關(guān)注路況。

目前，大多數(shù)現(xiàn)代車輛通常配備了這些功能和系統(tǒng)。展望未來(lái)，這些功能不僅會(huì)變得更加普遍，而且隨著制造商向更高分辨率的顯示器(如4K等)推進(jìn)，其視覺(jué)質(zhì)量也會(huì)不斷提升。顯然，這將給底層硬件帶來(lái)更大的壓力。

隨著顯示技術(shù)的改進(jìn)，系統(tǒng)將不可避免地需要更多的圖像功率和內(nèi)存帶寬，以推動(dòng)高分辨率顯示命令的數(shù)百萬(wàn)像素。且由于嵌入式和移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存帶寬歷來(lái)相當(dāng)有限，而TBDR允許在芯片上進(jìn)行處理，這樣，我們有更多的理由來(lái)研究基于貼塊的延遲架構(gòu)，如PowerVR。正如之前提到，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)大幅減少了內(nèi)存總線上不必要的數(shù)據(jù)傳輸量，從而明顯提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。

除了基于貼塊的架構(gòu)允許減少的內(nèi)存?zhèn)鬏?，早期深度測(cè)試和隱藏的表面移除(架構(gòu)的“延遲”部分)明顯降低了浪費(fèi)的時(shí)鐘周期量。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)轱@示屏分辨率和應(yīng)用程序的復(fù)雜性不斷增加。由于在極致的分辨率下有大量的片段要進(jìn)行處理，這項(xiàng)技術(shù)將允許一個(gè)適當(dāng)優(yōu)化的應(yīng)用程序在穩(wěn)定的交互式幀速率上運(yùn)行，提高衛(wèi)星導(dǎo)航、信息娛樂(lè)等方面的用戶體驗(yàn)。

在運(yùn)行車內(nèi)儀表盤(pán)時(shí)，要達(dá)到目標(biāo)幀速率是可取的，且是必要的，因?yàn)橄蝰{駛員提供可靠的信息對(duì)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

Vulkan

對(duì)于新興技術(shù)，在未來(lái)的幾年里，由于API不斷被平臺(tái)制造商采用，Vulkan圖像API將在汽車行業(yè)扮演重要的角色。這一轉(zhuǎn)變將對(duì)未來(lái)的汽車應(yīng)用如衛(wèi)星導(dǎo)航等將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)于導(dǎo)航應(yīng)用程序的一些問(wèn)題和技術(shù)之前已經(jīng)在 羅賓·布里頓的博客文章 中討論過(guò)，該文介紹了使用OpenGL ES和Vulkan圖像API高效渲染導(dǎo)航應(yīng)用程序的一些技術(shù)。它還討論了Vulkan圖像API的優(yōu)點(diǎn)，及優(yōu)化Vulkan圖像API后渲染效率的改善。

使用現(xiàn)代API如Vulkan的原因在于其非常高效。使用Vulkan，CPU所需做的工作將大量減少。這就降低了CPU的使用率，對(duì)于移動(dòng)/嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別重要的方面，因?yàn)闇p少CPU的使用將大幅降低熱輸出和功耗。

在OpenGL ES中，Vulkan API的第二個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于，它非常適合基于貼塊的架構(gòu)，并且具有一些優(yōu)于OpenGL ES的可度量的優(yōu)勢(shì)——以下是優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)述：

? Vulkan允許同步細(xì)粒度控制，這表明圖像驅(qū)動(dòng)程序更了解對(duì)象和內(nèi)存之間的依賴關(guān)系，意味著僅有緩存(片上存儲(chǔ))需要刷新，有助于減少內(nèi)存帶寬。

? Vulkan可以確保，所有依賴項(xiàng)都是提前聲明的，這就消除了驅(qū)動(dòng)程序在繪制時(shí)猜測(cè)狀態(tài)的需要。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序而言，更容易將工作打包，傳輸至貼圖器和光柵化任務(wù)中，并直接由硬件使用，從而使圖形核心更有效地執(zhí)行工作。

? Vulkan提供的API對(duì)象(渲染層)不允許任何操作，在柵格化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致中間幀刷新，這將引起圖像設(shè)備暫停。此外，這些API對(duì)象允許圖形核心更有效地使用片上存儲(chǔ)，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行存儲(chǔ)的中間FBO附件永遠(yuǎn)不會(huì)被寫(xiě)回主存。同樣，這大幅降低了內(nèi)存帶寬，尤其是對(duì)于更高的分辨率，從而降低了整個(gè)SoC的功耗。

如果想更深入地了解基于貼塊的架構(gòu)使用Vulkan的優(yōu)勢(shì)，例如PowerVR圖形核心，可以了解托拜厄斯赫·赫克托寫(xiě)的相關(guān) 文章 。

無(wú)論是使用OpenGL ES還是Vulkan，有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的技巧可以用來(lái)提升應(yīng)用程序的性能。在物體表面使用背面剔除和正確設(shè)置可能看似無(wú)關(guān)緊要，但卻明顯減少了圖像硬件的負(fù)載。這是因?yàn)楫?dāng)在固定函數(shù)階段中減少多邊形的輸入時(shí)，將使貼圖硬件和光柵化受益。實(shí)際上，對(duì)于有成千上萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)多邊形的高度復(fù)雜的工作負(fù)載，這樣做將有利于性能的提升。

此外，在應(yīng)用程序中使用壓縮紋理(如PVRTC)不僅可以減少所需的內(nèi)存量，還可以大幅降低紋理采樣所需的內(nèi)存帶寬。這是因?yàn)椋瑝嚎s紋理以壓縮格式傳輸，只有硬件芯片沒(méi)有壓縮。壓縮紋理可以明顯提升緩存命中率，因?yàn)閴嚎s紋理是緊密壓縮的，使更多的紋理可以放入緩存中。這將改善內(nèi)存延遲，因?yàn)橛布梢詮男酒彺娑皇侵鲀?nèi)存中獲取數(shù)據(jù)。這大幅加快了請(qǐng)求被服務(wù)的時(shí)間，降低了統(tǒng)一著色程序集群(USC)等待數(shù)據(jù)的時(shí)間，并減少了耗能的內(nèi)存?zhèn)鬏敳僮鞯臄?shù)量。

小結(jié)

隨著對(duì)汽車高質(zhì)量應(yīng)用的需求不斷增長(zhǎng)，車載顯示系統(tǒng)擴(kuò)展底層圖形硬件被認(rèn)為是汽車制造商進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于尋求以有限內(nèi)存占用和功率預(yù)算便能獲取高性能的汽車制造商來(lái)說(shuō)，PowerVR圖像的有效性至關(guān)重要。

除了要完成任務(wù)的硬件之外，還需要通過(guò)識(shí)別和消除瓶頸來(lái)盡可能地優(yōu)化軟件，以充分利用硬件，使更復(fù)雜的應(yīng)用程序能以交互式幀速率運(yùn)行。