加快換頁與顯示速度　高效E-reader處理器立功

一般咸信，電子書閱讀器(E-reader)僅需最起碼的處理能力就足以應付基本的文字頁面顯示達到「像翻書一樣快」的效果。這實屬誤解。顯示文字也許不難，但是速度要快，像翻書一樣，就需要相當的效能。為了確保電子書閱讀器能廣為接受，就必須為使用者提供近似傳統紙本書籍的體驗，又要能和傳統消費性電子裝置相匹敵。如今的電子書閱讀器有兩項挑戰，包括跟翻書一樣快、顯示上也要跟液晶顯示器(LCD)裝置一樣快。

本文將說明像是使用安謀國際(ARM) Cortex-A8架構的800MHz高效能處理器，如何達成更佳的使用性，以及在電子書閱讀器上的新應用實例。

達到與翻書相同效果　處理器效能為關鍵

造訪一家最常去的電子商品店，挑兩種不同的電子書閱讀器。按下下一頁按鍵，比較一下真正換頁所需的時間，將會發現可觀的差異。換頁時間是電子書閱讀器最大的挑戰。儘管使用者可以容忍個人電腦(PC)花上1整秒繪製充滿圖片的頁面，但在閱讀到句子中段時還要等，就令人難以忍受，尤其是一本書裡就發生個三百次。

聽起來有點弔詭，但是使用者真的期待輕巧的電子書閱讀器效能要比沉重的筆電更高明一些。這是因為電子書閱讀器的比較對象是紙本書籍，而非其他電子裝置。印刷書籍等同於瞬間啟動型的裝置，亦即一翻頁、下一頁就立即顯現眼前。

因此即使只需顯示文字，電子書閱讀器也需要更高效能的處理器。表1比較2011年各款電子書閱讀器使用的各種處理器，基於低功率損耗及輕巧度的需求，因此全都以ARM架構為主。

表1說明最新ARM Cortex-A8核心，其速度可達低階ARM9的四倍，這數據已在實際的處理器上獲得驗證。表2的實際處理器數據更進一步證明這一點，顯示各種核心開啟PDF檔案所需的時間，評比均以標準LCD螢幕進行。

要確保中央處理器(CPU)最大頻寬的方法之一，就是不讓CPU參與所有的顯示控制作業。事實上，電子書閱讀器所使用的螢幕需要相當可觀的前置處理，目前的版本均使用外接的控制器，在螢幕及處理器之間作業，但是這種做法成本高昂。新一代的晶片如飛思卡爾(Freesacle)i.MX508電子書閱讀器處理器，則是將其直接以硬體方式整合在晶片內，而非以軟體操作，因此可確保高效能及低功率損耗。

總而言之，CPU效能會直接影響繪製新頁面所需的時間，無論是文字還是影像皆然。無可諱言，如今電子書閱讀器的螢幕仍顯緩慢，因而成為系統的一大瓶頸，並連帶影響解碼過程的限制。但是，現階段已有解決之道讓電子書閱讀器的螢幕更快速，因此最終的挑戰就只剩下充足的運算能力。

反應速度如LCD

圖1　EPD和LCD的比較

大多數的電子書閱讀器都使用電泳式(EPD)螢幕，又稱為電子紙螢幕，最主要的供應商是E Ink元太。在閱讀電子書時，EPD有很多優於LCD之處，它們穩定，毋須持續更新也可以保持影像，因此完全不耗電，只有翻頁時才會耗電。此外，EPD是反射性的，因此不需要背光，對於眼睛更為舒適，即使在陽光下也可以閱讀。簡單地說，就像紙一樣，圖1是EPD和LCD的比較。但是，此技術仍有兩項缺點。

第一，螢幕的畫面更新率偏低，將顏色由黑變白需要一種稱為波形技術(Waveform)的特殊操作。EPD有好幾種波形模式，分別用在不同的灰階深度、或不同的更新時間，較長的波形可產生較佳的灰階精確度。舉例來說，微膠囊(Microcapsule)的黑白更新須耗時260毫秒，但是十六階灰階的更新則須花費600毫秒(以E Ink 85Hz螢幕為例)。

圖2　黑色閃爍可改善鬼影效果

第二，EPD會形成鬼影，亦即前一個微膠囊狀態的殘影。為消除此一問題，研發人員使用整個螢幕的十六階灰階更新驅動所有的微膠囊，而不僅僅是須變更為已知狀態的部分(通常是黑色)，然後才轉為最終影像，這就是每次換頁時發生閃爍的原因，如圖2所示。

EPD難題得以解決

這兩個缺點仍有各種技巧可加以改進，讓EPD更接近LCD的運作方式，但是它們都需要前置處理，因此效能才會更好。這些技巧以下將一一介紹。

‧	部分更新實現快速翻頁
	翻頁速度同時受限於黑色閃爍及E Ink波形更新時間，因此無法讓使用者快速瀏覽電子書。要達到紙本翻頁的效果，必須經過一個稱為部分更新的更新狀態，它可以只更新需要變動的畫素。它每秒形成四個畫面，一個黑白更新會持續260毫秒。由於會產生鬼影，當使用者停止翻頁，此項技巧會完全更新(有閃爍)，以便刷新螢幕，挑戰在於必須要有足夠的處理能力，才能迅速將新頁面送給EPD。

‧	藉處理器平行更新驅動動畫效果
	如上述，85Hz的E Ink螢幕可以加速到達每秒最多四個畫面(更新時間260毫秒)，但是仍遠遠落後LCD的使用感受，然而，應用程式可透過區域更新來改善有效的螢幕畫面更新率。

在區域更新時，只有一部分的螢幕會更新，最小可達單一畫素。舉例來說，處理器業者最新嵌入在E Ink控制器裡的電子書閱讀器處理器，就可以達到十六個平行更新。亦即螢幕上有十六個區域可以同時更改。因此，理論上的最大畫面更新率等於每秒六十四個更新(十六個平行黑白更新，每260毫秒全部翻新)。雖然不能播放標準影像，但卻足以驅動動畫效果，改進使用者介面體驗。先決條件是要有充足的效能，讓EPD控制器足以處理平行更新，以及後續的碰撞，因此需要強大的處理器。一般預期新的電子書閱讀器將會支援新式的「類LCD」使用介面，但仍具備電子紙張的優點。

許多電子書閱讀器明智地運用區域更新，例如索尼(Sony)最近的Reader。手寫應用則不需任何閃爍來畫線，只需將尺寸只有幾個點大小的小區域更新，同時傳給螢幕，使用ARM Cortex-A8架構的處理器，才有可能在EPD上以相當於LCD的速度繪圖。

實體與電子化比較

電子書閱讀器會需要更高階的處理器，理由有三。第一也是最要緊的，就是裝置速度會增加，特別是與換頁有關時，強大的處理器可以比傳統電子紙張螢幕繪製的方式更迅速地進行頁面解碼。

第二，較高的處理效能可為新使用者介面及應用奠定基礎，這都是EPD的功勞。一旦有電子書閱讀器專屬的應用程式商店出現，研發者就可以從微處理器內發掘出創意新領域。最後一點是，仍會有後續進展，新一代的彩色EPD即將上市，畫面更新率更高，因此電子書閱讀器處理器必須為近在咫尺的未來保有充足的成長空間，才能容納新功能。

(本文作者任職於飛思卡爾)