今日汽車的儀表板遠比昔日的電子機械指針式儀表更容易明確顯示各種趨勢，因此其解決方案也更著重於繪圖顯示。由於客戶受到消費性電子產品的繪圖解決方案所影響，因此對此一領域也有更高的期待，進而驅動汽車儀表板的快速演化。要將這些期待和汽車的品管需求以負擔得起的價格加以結合，仍然是一項艱鉅的挑戰，勢必要仰賴更新穎的方法與工具。
在本文中，對儀表板的探討將區分為幾項主題：使用實例、繪圖技術、技術實作，以及在如此複雜的嵌入式系統中所取決的設計。由於有許多技術都是從個人電腦(PC)領域演變而來，因此本文也會迅速介紹特定的領域，並略述在嵌入式領域中所沿用的部分。
本文亦專注在繪圖內容的產生、人機介面，以及該領域中支援工具的演進，並舉出幾種方法及解決方案，說明如何最佳化移植到嵌入式繪圖加速器。
繪圖儀表板打造新型態人機介面
近年來，傳統的機械式汽車儀表板已經因為電子式顯示而得以大幅擴充各種功能。演變的第一步是先引進液晶螢幕顯示器(LCD)，以便顯示里程及其他簡易的字母或數字資訊。
由於薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)的價格下降，再加上嵌入式環境已經可以提供充裕的運算能力，因此圖形化的解決方案已不再是遙不可及。由於儀表板是人機介面中最為突出的一部分，而對於駕駛人來說，它往往是汽車製造商品牌的重要區分因素，因此高階款的汽車往往需要廠商在人機介面領域投入大筆經費。
目前由於此一領域的TFT顯示器仍屬於高科技功能，因此似乎還是被駕駛人視為附加價值的一部分。因此導致所有的設計嘗試都只在於以先進的繪圖技術模擬機械式儀表。雖然該領域中仍潛在有龐大的改良機會，但是對於新可能性的開發，還是只處在起步的階段。
反觀消費性電子業界的產品，很顯然地，定義良好的使用介面已經成為今日最重要的區分因素。在此一領域中，所有最佳化行為背後所蘊藏的共通觀念，就是要以更簡單的方式顯示更複雜的資訊，而要在汽車儀表板上達成這個目標的方法，目前也正在發展當中。其利益並不限於技術方面，在商業考量上亦然。透過繪圖技術，儀表板可輕易加深人們的印象。如果能引進人機介面的概念，或是可以透過下載來增加額外的應用，甚至可能造就新收入的機會。
在開發這類解決方案時，具備圖形顯示的汽車儀表板會帶來更多技術上的挑戰。複雜的程度至少會以倍數提升。雖然該領域中所使用的繪圖技術是源自於個人電腦，但對於汽車來說，這是全新的應用，研發團隊需要更新的技巧，以及相當的時間，才能達到陡峭的學習曲線。
儘管消費者已習於個人電腦的繪圖品質，但個人電腦運算效能遠超過嵌入式環境的事實，讓設法繪出如同照片一般畫質影像的嘗試變得更為困難。
與個人電腦領域相較，汽車儀表板還有額外的困難，就是功率的消耗及溫度，這與手持裝置所面臨的問題有相似之處。對於汽車的解決方案來說，關鍵在於功能安全性，這是電腦及手持裝置市場不曾面臨，而且至少有部分顯示在汽車儀表板上的資訊是與安全相關，因此對於汽車應用領域而言，萬萬不可接受資訊有誤。
汽車儀表板形式多元
在目前的市場上，可以發現圖形式儀表板顯示器被分隔成幾個壁壘分明的陣營。這種區分基本上是受到解決方案成本所影響，因為大型螢幕所增加的成本仍然偏高，對於中低價位汽車來說仍然過於昂貴。但是所有種類的方案仍有一項共同點，就是需要類比式指針，不論是用電子機械式顯示，或是以複雜的繪圖技術解決方案，以達到接近於相片畫質的繪製品質。以下將介紹目前汽車儀表板類型。
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「附加式顯示器」是最常見的使用範例，甚至已經開始滲入到低階車款的市場。儀表板顯示仍採用機械式指針，但還具備額外的螢幕，通常位在儀表中間。入門級的螢幕通常採用約4吋的QVGA或WQVGA顯示器。
顯示器係用來呈現額外的資訊，像是目前的耗油、溫度或類似值得一看的資訊。來自資訊娛樂系統的額外資訊有時也會顯示於此。
在中上到高階的車款中，則常見較大的附加螢幕。因此這種螢幕往往還可顯示攝影機的畫面，例如夜視鏡、車尾後方攝影機，甚至是鳥瞰視角的停車輔助影像等。由於電子機械式的儀表板布局是固定的，因此較難因應這種狀況。 |
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若是想保留傳統的電子機械式指針，但仍加入較豐富圖形功能，作法是在兩側使用兩組顯示器、中間則裝置機械式儀表。它在顯示資訊時顯然更富於彈性，但仍須配備固定的電子機械式指針。 |
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可完全自行調整的儀表板必須採用解析度達到1,600×480的大型螢幕。由於這些螢幕的成本依然高昂，因此也限制其只在高階車款上應用。這種例子中完全沒有機械式的指針，導致目前所實作的產品都花費相當的精力繪製擬真的類比式指針。還有，儀表板的內容完全透過軟體定義，因而可以視情形彈性化調整。如此一來，只須稍做大小調整，或是將與目前狀況無關的資訊移去，就可以將夜視畫面之類的額外狀況資訊有效地整合到儀表板上。 |
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抬頭式顯示器係將圖形資訊以投影方式顯示在擋風玻璃上。通常解析度會偏低，而且圖形資訊內容也較為簡單。抬頭式顯示器的內容必須先經過彎曲，才能抵銷因擋風玻璃弧度所造成的影像失真。此一扭曲處理可透過軟體、繪圖加速器或專屬硬體進行處理。抬頭式顯示器通常會與儀表板的TFT顯示器共同搭配使用。 |
繪圖技術解決儀表板影像顯示挑戰
以上使用範例的複雜度相差甚大，為幾種因素造成。第一，螢幕尺寸的大幅變化會導致所須產生的畫素數量也隨之遽增。以目前正在研製或是市場上的解決方案來說，一個畫面往往須要處理七萬五千到一百三十萬畫素。
其次，要顯示快速動作，就必須提供相當高的動畫頻率，最關鍵的例子就是車速計或轉速計的儀表指針。第三，場景複雜度也將造成汽車儀表板開發門檻，如預期光學效果的變化，從一般的使用介面選單、到繪製有光照、反射及陰影的三維(3D)場景等。為克服上述所列、彼此差異甚鉅的應用範例所具備的複雜度，必須運用不同的技術產生需要的畫面。
光柵式繪圖為自然影像通用技術
採用光柵式繪圖時，每個畫素的色彩值都會加以儲存，繪圖元素的處理通常是以畫素構成的矩形區域為處理單位。
光柵式繪圖的關鍵特性在於解析度，亦即縮放動作會導致嚴重的光學退化。該技術是自然影像(照片)通用的技術，大部分的繪圖格式都以光柵式呈現如jpg、bmp、png、gif。此外，也有眾多可以處理光柵繪圖的應用工具如Adobe Photoshop、GIMP、Aperture。
為加快光柵式繪圖的速度，標準的解決方案就是採用光柵式繪圖處理器，藉以複製/填充/組合以畫素構成的矩形區域。基本上，光柵式繪圖加速器所執行的是從記憶體到記憶體之間的運作。
目前並無一套為眾人所接受的共通應用程式介面(API)標準。坊間有數種專屬規格的API都提供類似的功能，更複雜的加速器則還可提供繪製線條或圓圈等圖形元素的能力。
直接繪點式引擎成像方式十分經濟
直接繪點式引擎(掃描式引擎)與光柵式繪圖處理器同樣處理矩形區域的畫素。關鍵性的差異是，前者處理繪圖的結果不會寫回至記憶體。直接繪點式引擎是顯示控制器的一部分，會組合從記憶體各處所讀出的每個框架最終影像。對嵌入式系統而言，優點在於可節省記憶體容量及頻寬，成像方式十分經濟，亦即僅須產生詮釋用資料(Metadata)，如須要修改的特定矩形位置、而非全體畫素資料本身。
但最大的缺點，則是詮釋用資料伴隨而來的限制。一旦超出既有的能力，就無法再產生更複雜的圖形，但對光柵式繪圖處理器來說，頂多就是繪製的時間更長。此一領域有專屬規格的API作為解決方案，乎引擎的功能而有顯著的差異。
向量式繪圖已廣為業界使用
向量式繪圖係以與解析度無關的數學式2D空間形狀描述為基礎，因此可以任何解析度繪圖，而不會有畫質問題。向量繪圖是許多現代應用中十分常見的技術，最突出的例子便是TrueType字型，但是也常為任何近代瀏覽器所支援的可延伸向量繪圖格式SVG所採用，像Adobe Flash的格式便十分仰賴向量繪圖。
可產生向量繪圖的應用為數甚眾，如Adobe Illustrator、Inkscape、Adobe Flash Professional等。至於向量式繪圖加速器，則有業界標準API--OpenVG。
3D繪圖實現即時繪圖功能
如今的即時繪圖均以由三角形構成的3D模型為基礎，再於三角形中加上紋路以達成效果。分割成三角形的過程決定模型的細節程度，因此也連帶影響畫質。對嵌入式環境來說，3D繪圖有兩種相關的API定義，都源自於先前由Silicon Graphics所提出的OpenGL標準。在嵌入式版本裡，對於嵌入式裝置較無關緊要的部分則均予移除，因此可以採用規模較小的硬體加速器，並簡化所需的驅動程式。
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抬固定功能硬體的API。固定功能意指其功能及光線模型都已事先定義、無法再讓研發者更改。 |
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可程式化硬體的API。繪圖管線的很多方面都可以用Shaders加以定義。Shaders是一種經過最佳化的專屬核心，能夠處理繪圖過程中所產生的負荷，其確切功能則可藉由一種近似C的特殊語言，以標準方式加以定義，此種彈性可造就出畫質大幅改善的成果，若缺乏此一功能，許多繪圖效果便難以實現，甚至完全無法達成。 |
有許多種應用可以用來產生3D模型。最常見的是Autodesk 3ds Max、Blender、Autodesk Maya等。
開發工具為不同繪圖技術橋樑
汽車儀表板的研發流程，目前仍屬於正在演進的領域。依據所採用的繪圖技術的差異，流程中所使用的方法亦各不相同，過程可分為幾個部分。
通常會先從設計部門開始提出圖形要素及草圖，以決定整個解決方案應有的外觀。緊接著就會移交給軟體開發部門，進行程式邏輯規畫，以便將解決方案實作出來。由於許多細節都尚未詳細釐訂，因此往往必須展開耗時的來回磋商，直到得出符合設計部門所期待的最終結果。
為縮短這些反復磋商的循環，非3D繪圖的可行辦法之一就是使用Adobe Flash，這是十分適於用來定義動畫序列及人機介面精確畫素的動畫圖形工具。動畫序列的進一步處理則通常以手動或是半自動方式，因此須用到手寫的程式碼。
這種研發過程最關鍵的缺點，在於它缺乏在研發流程晚期階段進行調整的彈性，造成必須花更多精力撰寫文件及進行維護。
如果採用標準繪圖API，則如今的市場上已經存在數種解決方案，可讓研發過程更顯流暢，而且也不必再手動撰寫特定程式碼。這些產品通常都會運用以適當的繪圖設計工具所設計出來的圖形元件，並提供圖形使用介面來設計儀表板的人機介面。
使用這種人機介面建構工具並不須撰寫程式的技巧。工作內容著重於美觀層面，以及所產生出的人機介面的功能。由人機介面研發工具所產生的成果，為執行在嵌入式標的物上的軟體映像。為方便起見，通常會有模擬器可以用來在研發用的個人電腦上直接測試人機介面。此外，還有一種額外的功能，就是可以檢查所產生人機介面的一致性，並據以製作正確的文件。
人機介面建構工具同時也可作為彌補不同繪圖技術間鴻溝的中間工具，因為可將實際的外觀及人機介面的邏輯加以區分。如此便可藉由較低階的光柵式繪圖平台產生出較簡單的人機介面，再以同樣的描述，製作出更新穎的3D人機介面。
汽車儀表板導入新人機介面
今日汽車儀表板中所採用的繪圖技術，提供相當多嶄新的可能性。如今大多數的解決方案都專注於模擬機械式儀表板的外觀及感受，從技術的觀點來看，這是一項相當困難的工作，必須要能夠即時產生擬真的影像。尤其是3D繪圖，這會對專屬的3D加速器造成沉重的負荷，甚至還須要藉用一些源自3D遊戲領域的技巧。必須考慮到進一步提升繪圖加速器的性能，繪製擬真影像才會變得較為切實。
在未來，勢必要投入更多精力研發，才能應用新的可能性改進人機介面的人體工學，這是尚待探索的龐大領域，可作為決定性因素。潛在研發背後的共通概念，就是要以簡單的方式呈現更複雜的資訊，目前已在今日的汽車中看到這種演變的例子，將來在此一領域勢必會有更多的潛在的改善空間。
舉例而言，在外觀方面，使用者可以提供不同的表象，以定義外觀與感受的能力。或是以模糊方式引起駕駛人注意，也可用主動運用色彩吸引駕駛人的注意，如當超速時就改變繪製出來的車速計指針顏色，或者透過動態區隔顯示器，視狀況將儀表移開，改為顯示與現況更有關係的資訊。
近年來，消費者已將人機介面視為選購產品的一大關鍵，而革命性的新觀念更大幅改變市場。儘管無法預知未來的汽車中會有何種標準，但儀表板絕對有演變的潛力，由於儀表板是駕駛人主要資訊來源，因此絕對會對車輛整體觀感有顯著影響。
(本文作者任職於飛思卡爾)