如何应对移动互联网设备中的显示设计挑战

可以向用户提供互联网访问的低成本设备市场正在兴起，这种设备能够完成网络浏览、电子邮件、媒体文件下载、视频和移动电视、游戏和社交网络等功能。然而，为了迎合主流用户的需要，这些移动互联网设备和上网本必须提供像笔记本电脑一样的用户体验，而且需要具有更长的电池寿命。在保持高可视质量的同时满足成本和电池寿命约束条件对设计人员来说是一个艰巨的挑战，不过利用合适的显示子系统架构可以从容应对这一挑战。

个人电脑(PC)的主要消费用途之一是访问互联网以获取内容和通信功能。然而，许多消费者希望PC更便宜更简单，甚至比笔记本电脑更具便携性，同时仍能提供对丰富的互联网内容的快速无线访问。这些期望为那些制造传统意义上的笔记本和智能手机的公司带来了新的市场机会：移动互联网设备(MID)和上网本。

这种机会在目前经济低迷时期是一个很大的亮点。尽管经济还不景气，但对MID和上网本的需求正在不断上升。对实时信息、通信和娱乐需求永无止境的移动社会是驱动这种需求上升的一个主要因素。另一个因素是无线服务提供商能够通过宽带服务形成新的收入来源。正如蜂窝电话市场中发生的那样，服务提供商正在推进MID和上网本产品与数据服务计划的捆绑，鼓动用户签订更高价格的合约和额外服务。这两方面共同抬高了一个重要度量：每用户平均收入(ARPU)。

尽管MID和上网本仍然是新兴市场，但许多设计要求已经迅速变得清晰起来。其中一个重要特征是MID和上网本是低成本设备，理想的零售价应分别在300美元和500美元以下。另外一个重要特征是这些设备的电池使用时间必须明显长于传统的便携式电脑，一天以上的电池寿命是最低要求。MID和上网本还必须比膝上电脑或笔记本电脑更紧凑重量也更轻，并具有出色的显示分辨率。对MID来说屏幕尺寸最好是4到7英寸，并能达到宽SVGA(WSVGA)分辨率，而用户对上网本的要求是显示屏尺寸能达到11英寸，并提供WSVGA或WXGA分辨率。

MID和上网本的另外一个特征是它们正在变成内容消费设备，而笔记本和PC仍然是内容创建设备。MID/上网本需要完成互联网访问、电子邮件、媒体播放、游戏和大量类似PC的任务，但不要求完全兼容PC。应用程序可以是内置的，也可以作为浏览器的Java程序下载，因此虽然Java是重要的软件单元，但功能完整的WindowsXP或Vista不是。

因为这种架构上的自由性，MID是从三种基本技术发展而来的：PC、智能手机(包括iPhone和黑莓)、媒体播放器(包括电视机顶盒)。同样，上网本开发的基础是笔记本电脑和膝上电脑。因此开发人员可以自由选择处理器，不必考虑姑奶奶x86和Windows的兼容性，只需考虑性能和低功耗特性。这样，MID市场对广泛的设计团队和供应方来说是开放的市场。

显示要求是关键

虽然基本架构和处理器选择很灵活，但显示要求却不是这样。这些设备具有像它们的核心功能那样的互联网体验，而且用户不能忍受观赏质量的任何下降。事实上，互联网体验是消费者签订无线数据计划的驱动力。因此，用户的视觉体验绝对是确保市场成功的关键。系统必须能够同样出色地显示文本、图形、移动电视、电影和影像，不管是在单个屏幕上单独显示还是组合显示。另外，这种显示器必须在室内和室外各种光照条件下都能看得清楚，即使随着用户移动而发生光照条件迅速变化时也能产生可接受的结果。

由于功耗方面的原因，大多数MID设计选用液晶显示器(LCD)。遗憾的是，LCD通常只能提供200:1或400:1等级相对有限的对比度范围。考虑光照条件后还会进一步减少这个可视范围。如图1所示，LCD显示器在使用完全不透明晶体时的最小输出与使用完全透明晶体时的最大输出之间映射输入的图像数据。最大像素亮度用流明表示，因此在理想环境下显示子系统可以实现的可视动态范围是显示器对比度和背光强度的函数。

图1：LCD中图像信息到光强度(单位：流明)的映射是背光强度的函数。

如果环境光很强，那么观看者实际看到的对比度范围可能小于显示器规定的值。从LCD表面散射的环境光将使观看者无法看清流明值低于反射环境光线的任何像素，从而截短显示器色调范围的底部。这样，对于给定的显示器来说，图像数据将映射到由背光和反射环境光强度限制的“盒子”中，低于环境光强的显示信息将无法浏览。显示图像的对比度以及用户的观看体验质量取决于这个“盒子”的大小。

为了改善显示信息的可视性，传统设计方法只是简单地增加盒子的尺寸。扩大盒子需要使用高动态范围的LCD屏，或增加背光强度。然而，这些方法会极大地增加已经在设计成本中占大头的显示子系统成本。更重要的是，增加背光强度将显著提高显示子系统的功耗要求，从而缩短电池使用寿命。在传统设计中，背光已经占30%至60%的系统功耗，因此增加背光强度来改善显示屏可视性只能是拆东墙补西墙。

因此要想优化MID和上网本设计中的成本和电池寿命，设计人员必须找到能够替代传统设计的方法。在考虑替代方案时，显示子系统的三大要素值得特别关注。第一是显示屏与系统处理器之间的接口，第二是保存显示数据的帧缓存位置，第三也许是最关键的一点是，在显示子系统中包含图像增强算法。

显示屏和处理器之间的接口面临严格的约束条件。对许多开发人员来说，与MID/上网本设计接近的行业基础将极大地影响他们使用哪种处理器。他们在开发工具、软件库方面的现有投资以及给定处理器系列方面拥有的专门技术将胜过大多数其它考虑因素。由于处理器原本用于其它应用，因此处理器很容易通过改变而连接到MID/上网本设计中的显示屏。

放置帧缓存

在实现处理器－显示器接口时，开发人员需要确定帧缓存的位置——显示内容就是从这个缓存处刷新的。有三种选择，一种是将帧缓存嵌入显示屏，使显示器变得“智能”，一种是将主处理器的内存用作帧缓存，还有一种是使用不同于前两者的独立缓存。成本和功耗之间的权衡将最终决定哪种架构最适合设计，虽然将缓存嵌入显示屏与其它两种方法相比有明显更多的缺点。

要求LCD本身缓存数据将极大地限制显示屏的选择余地，因为并不是所有屏都能提供板载存储器，这主要是因为成本。用于创建显示屏控制电路的半导体工艺需要使用较大的晶体管才能获得所需的驱动电平。与更小工艺实现的存储器相比，采用这种工艺实现存储器将导致裸片尺寸大很多，进而加大成本。因此使用显示屏外部的存储器毫无疑问将有更好的成本优势。