亞洲市場正在興起的對面向圖形電子游戲的狂熱，正刺激著對下一代具有復(fù)雜3D圖形功能手機(jī)的巨大需求。本文通過詳細(xì)介紹3D圖形技術(shù)在手機(jī)中應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)、3D圖形API標(biāo)準(zhǔn)以及開發(fā)商將面臨的技術(shù)競爭，幫助工程師了解3D圖形技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析存在的技術(shù)挑戰(zhàn)和可能的技術(shù)競爭。
     僅在兩年前，手機(jī)還只提供基本的2D位圖圖形游戲作為附加功能，正如可發(fā)送短信的手機(jī)幾年前才出現(xiàn)一樣。手機(jī)游戲功能在亞洲國家開始流行，且消費(fèi)者很容易即被下一代彩屏手機(jī)所吸引。用戶很快便開始希望能在其手機(jī)上玩更高性能的游戲。手機(jī)制造商們也順勢推出利用圖形特性(每像素16位彩色及有限圖形加速能力的QVGA分辨率彩屏)以及更復(fù)雜及交互式游戲的手機(jī)。隨著性能的提高，亞洲面向圖形手機(jī)的發(fā)展速度比世界其他任何地方同類手機(jī)的發(fā)展速度都要快。

      現(xiàn)在出現(xiàn)了3D圖形功能，階段是通過軟件來引入3D圖形功能。這要求極大地提高處理器性能，但某些操作仍具有很大的性能局限，且高度復(fù)雜的交互式特性還不可行。去年，尤其是去年下半年，市場上開始出現(xiàn)帶基于硬件、真正3D圖形功能的移動設(shè)備。但在世界其他很多地方，人們?nèi)孕拇嬉蓱]：對于一種普通的語音通信設(shè)備，為什么需要彩屏，而且還要給它加上2D/3D圖形功能？用手機(jī)玩電子游戲可能很快會在歐洲流行，過兩年也會在美國流行。在西方國家，對連接互聯(lián)網(wǎng)、無線上網(wǎng)、GPS服務(wù)以及內(nèi)置相機(jī)、多媒體消息、移動視頻、MP3播放以及游戲等應(yīng)用感興趣的高端用戶正在增加。

      但一種可以理解的謹(jǐn)慎觀念開始在移動電話行業(yè)中蔓延：盡管游戲依靠3D圖形、或?qū)嶋H上是3D圖形使性能更高的手機(jī)游戲成為可能并推動未來的手機(jī)更換市場，但這并沒有的把握，畢竟游戲只是手機(jī)這一語音通信設(shè)備的一項(xiàng)附加功能。目前，市場上已有好幾種采用各種不同架構(gòu)并帶3D圖形功能的代手機(jī)，其中有些聲稱具有較低的功耗，而其他則宣揚(yáng)更好的視覺效果或特定功能特性。但總體而言，它們在性能或功能上并無多大差異。

面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

        創(chuàng)造對特性的需求還只是移動設(shè)備制造商所面臨挑戰(zhàn)的一個方面。利用更強(qiáng)大的處理能力來處理并操作靜止及活動圖像數(shù)據(jù)的任務(wù)，再加上額外的存儲資源且不增加設(shè)備的體積和重量，這在技術(shù)上來講并非易事。若再加上至少保持或更理想地提高電池的待機(jī)時間，技術(shù)挑戰(zhàn)將變得極其嚴(yán)峻。

       而此時專用視頻游戲市場中的圖形技術(shù)也已經(jīng)大大向前發(fā)展。對于此類設(shè)備，尤其是基于控制臺的設(shè)備，對將強(qiáng)大處理能力以及專用游戲引擎放進(jìn)狹窄空間中的壓力并不大。功耗仍是便攜式游戲設(shè)備的一個問題，盡管它們常常擁有足夠的空間來容納其他硬件，如復(fù)雜3D圖形芯片組及加速器等。但雙屏、觸摸屏、交互性以及處理大量像素的能力，將會使手機(jī)成為任天堂及索尼等游戲機(jī)公司所面臨的新威脅。

      要將任何接近這些性能的東西集成在移動電話中，要求對手機(jī)的架構(gòu)進(jìn)行全新的考慮。大約6小時的電池使用時間對于游戲機(jī)來說至少還能接受，但對于移動電話，即使有這兩倍的時間也不夠。鑒于此，大多數(shù)手機(jī)設(shè)計者都采用增加處理能力、CPU單獨(dú)工作等能減少設(shè)備功耗的方案。

       然而，移動電話還受到空間的壓力，必須以的硅(硬件)開銷來增加其他功能。即使采用種彩屏，處理及傳輸像素的任務(wù)仍需要一些理解像素空間的協(xié)處理器或?qū)Ｓ肈MA引擎。今天，盡管已有相當(dāng)多基于DSP的芯片與內(nèi)核、圖形加速器、專用協(xié)處理器、圖形引擎以及軟件解決方案可用，但如何實(shí)現(xiàn)仍很關(guān)鍵。架構(gòu)、軟硬件劃分以及系統(tǒng)級芯片(SoC)或芯片組等決策，需在設(shè)計過程的前期制定并且非常關(guān)鍵。而制造成本只能靠大批量生產(chǎn)來分?jǐn)?，后期設(shè)計變更大大增加成本，變更造成的項(xiàng)目延期則會冒喪失主要市場及盈利機(jī)會的風(fēng)險。

     圖形功能并不是一項(xiàng)后增加的功能，而是與顯示有關(guān)的所有操作的一個完整組成部分，集成并驗(yàn)證這種復(fù)雜電子電路需要投入大量的工作。專用平臺的出現(xiàn)對手機(jī)開發(fā)商來說意義重大，因其能方便設(shè)計再利用，同時節(jié)省大量設(shè)計時間與驗(yàn)證工作。3D圖形功能是一種成功的應(yīng)用子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，尤其是它采用了可執(zhí)行一些特殊功能(不容易通過通用處理平臺來實(shí)現(xiàn)的)的專用加速器。

3D圖形API標(biāo)準(zhǔn)--Open GL-ES

       移動電話行業(yè)需要游戲開發(fā)商的支持以確保有價格適中的游戲供用戶選擇，這其中一個潛在的難題是需要有應(yīng)用編程接口(API)在處理硬件、軟件及圖形引擎間進(jìn)行通信。移動電話業(yè)已經(jīng)富有遠(yuǎn)見地避開了PC 3D游戲市場早期所走過的彎路，當(dāng)時各種專用API引起了不必要的競爭及沖突。主要手機(jī)制造商、芯片供應(yīng)商、圖形引擎及軟件提供商、游戲開發(fā)商以及基礎(chǔ)設(shè)備開發(fā)企業(yè)等，都很快便看出這一潛在的問題，并進(jìn)行廣泛的合作/協(xié)作來共同保證從一開始便采用一致的API。

        作為移動3D圖形行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Open GL-ES的出現(xiàn)，避免了手機(jī)制造商由于互不兼容的游戲軟件格式而導(dǎo)致無謂的市場競爭。Open GL-ES源自臺式機(jī)市場，且特別容易縮放，并已經(jīng)剝離了原有的一些不必要功能，因而能以更小的占板面積來實(shí)現(xiàn)。

        Open GL-ES已經(jīng)獲得了廣泛的行業(yè)支持，不僅得到了手機(jī)制造商及器件與內(nèi)核提供商的支持，同時也獲得了圖形引擎、游戲開發(fā)商以及操作系統(tǒng)供應(yīng)商的支持。更重要的是，盡管Open GL-ES是一種低級的API，但完作為Java游戲環(huán)境中J2ME應(yīng)用程序更JSR 184 API的補(bǔ)充。

        現(xiàn)在，行業(yè)的們正在開發(fā)Open GL-ES 2.0，他們是一些了解市場及硬件局限以及能正確評估開發(fā)用于未來應(yīng)用的軟 硬件所需資源的人士。第二代手機(jī)可能今年會進(jìn)入設(shè)計階段，且一年后便會有新產(chǎn)品推出-盡管這很大程度上依賴于用戶對代產(chǎn)品的接受度。屆時這些手機(jī)將大量上市，并預(yù)計將發(fā)布Open GL-ES 2.0，以準(zhǔn)備開發(fā)第三代帶3D圖形功能的手機(jī)。

面臨的技術(shù)競爭

        真正的“技術(shù)競賽”將從第二代具有3D圖形功能的手機(jī)開始。廠商們將在純技術(shù)性能方面展開前所未有的競爭，特別是一旦API標(biāo)準(zhǔn)完全確立后就將幾乎沒有什么分歧。一些人認(rèn)為，手機(jī)制造商應(yīng)避免過快地擴(kuò)展其平臺以及創(chuàng)建一些其專有的擴(kuò)展，行業(yè)必須確保Open GL-ES標(biāo)準(zhǔn)API隨市場一起發(fā)展。

      事實(shí)上，Open GL-ES路線圖已經(jīng)確立，而且人們已開始著手制定Open GL-ES 2.0。雖然目前的API是基于狀態(tài)機(jī)，但對于第三代手機(jī)來說，它必須發(fā)展成為基于Shader(著色引擎)的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，API基于固定功能管線(pipeline)，這種固定功能管線可以根據(jù)當(dāng)前渲染條件來啟用或禁用某些功能，它使廠商能根據(jù)吞吐量、像素數(shù)量及類似功能來制造不同的手機(jī)。

         通過Open GL-ES 2.0，人們可對圖形管線中的某些元素進(jìn)行編程，從而使內(nèi)容開發(fā)商能夠定義如何處理頂點(diǎn)(vertex)或像素。這能采用程序性算法以使代碼性能依賴于實(shí)現(xiàn)，因此不僅能為供應(yīng)商提供更大的特性集與性能創(chuàng)新空間以及更大的差異化(尤其在視覺質(zhì)量及效果方面)，而且還能為開發(fā)商保留一個公共平臺。

        與使用較大顯示屏的桌面或控制臺游戲機(jī)市場相比，圖形子系統(tǒng)開發(fā)商必須重新審視移動電話市場。手機(jī)2.2英寸顯示屏的像素密度遠(yuǎn)高于筆記本電腦屏幕的像素密度。新出現(xiàn)的2.5英寸顯示屏很可能擁有高達(dá)每英寸400像素的密度，這是當(dāng)前像素密度的兩倍。因此，利用大量多邊形及快速多邊形速度來獲得高分辨率圖形的傳統(tǒng)方法幾乎完全不適用。聰明的設(shè)計者將把目光投向那些用于光照及顯示的更(但基于更粗糙模型的)技術(shù)上。區(qū)別在于像素質(zhì)量以及可用于這些像素的高端處理數(shù)量(其指標(biāo)為每頂點(diǎn)每秒操作數(shù)及每像素每秒操作數(shù))。開發(fā)商計劃通過這種方法不僅能提供以前只有通過數(shù)百萬多邊形才能達(dá)到的畫面質(zhì)量，而且還不突破處理器性能、存儲器容量及功耗指標(biāo)。

      計劃中的Open GL-ES標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，不僅為整個移動3D圖形市場提供了清晰的路線圖及穩(wěn)定的增長，而且也為廠商提供了一個健康競爭的市場。預(yù)計今后幾年內(nèi)，隨著開放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，移動3D圖形技術(shù)將擴(kuò)展至許多別的平臺及市場，包括汽車與航空電子設(shè)備等。

緊湊的3D圖形解決方案

        今天，一種的面向移動設(shè)備平臺的3D圖形解決方案是由ARM公司開發(fā)的PowerVR MBX圖形加速器系列。該產(chǎn)品由ARM與Imagination Technologies公司聯(lián)合開發(fā)，其內(nèi)核被應(yīng)用處理器用來在移動電話、無線游戲及其他嵌入式設(shè)備中提供具有PC及游戲控制臺畫面質(zhì)量的3D圖形。

       該圖形加速器具有可分別提供QVGA與SVGA圖形性能的兩個版本(MBX R-S及MBX HR-S)。MBX R-S版具有較小的裸片尺寸，主要用于小型無線設(shè)備。而MBX HR-S版則具有更高的性能。這兩款內(nèi)核都擁有增加頂點(diǎn)幾何處理器的選項(xiàng)，該處理器可以將主CPU從幾何處理任務(wù)解脫，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的光照特性。

       支持全2D與3D特性集且與Open GL-ES兼容的PowerVR MBX解決方案，采用塊狀渲染(tile-based rendering)來在芯片上實(shí)現(xiàn)全帶寬密集型像素處理。通過取消3D內(nèi)核與外部存儲器之間的Z緩沖以及保證只將可見像素寫入幀緩沖，可降低存儲器帶寬要求。塊狀渲染不僅能進(jìn)行高位渲染與合成(即使在帶有16位幀緩沖器的系統(tǒng)上)，而且還能實(shí)現(xiàn)可取消所有多余紋理操作的延時紋理。此種方案便于采用統(tǒng)一的存儲器架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，圖形子系統(tǒng)與CPU一起共用系統(tǒng)SDRAM，從而可以采用節(jié)省成本與空間的SoC實(shí)現(xiàn)。

MBX內(nèi)核易于與ARM926EJ-S及ARM1136J-S以及ARM PrimeXsys平臺集成，故能縮短產(chǎn)品上市時間。該內(nèi)核架構(gòu)緊湊，可節(jié)省空間及硅成本。通過采用成熟的功率管理技術(shù)(包括模塊與寄存器級時鐘選通等)，使功耗化。

通過采用ARM公司的AMBA AHB(高性能總線)接口及各種ARM PrimeCell外圍器件，還能提供其他集成支持。這些經(jīng)過預(yù)先驗(yàn)證及硬件成熟的軟IP宏單元，通過PrimeCell外圍多端口存儲控制器接口很容易與3D圖形加速解決方案相集成，因?yàn)檫@些接口已針對MBX R-S及HR-S而優(yōu)化。

不斷發(fā)展的OpenGL-ES

Khronos工作組是一個由多個成員單位組成的聯(lián)盟，專注于開發(fā)免許可及跨平臺的開放標(biāo)準(zhǔn)圖形API，以在各種平臺及設(shè)備上創(chuàng)作并播放動態(tài)媒體。所有Khronos成員都可參與Khronos API規(guī)范的開發(fā)、在公開部署以前的各階段投票、并能通過對規(guī)范草案及遵循性測試的提前訪問來加快先進(jìn)3D平臺與應(yīng)用的推出。

         Khronos API規(guī)范包括：用于捕獲、傳輸、處理、顯示及同步數(shù)字媒體(包括2D/3D與音視頻流)的OpenML；可提供用于Flash 及SVG等矢量圖形庫的低級硬件加速接口的OpenVG；可提供對以前廣泛用于圖形、音頻與圖片庫以及MPEG-4等視頻編解碼器的媒體處理標(biāo)準(zhǔn)訪問的OpenMAX；以及Open GL-ES。

       Open GL-ES是一種面向嵌入式系統(tǒng)(包括手持式設(shè)備、儀器及車輛等)上全功能2D與3D圖形的免許可、跨平臺API。它是一組經(jīng)過良好定義的桌面OpenGL，可在軟件與圖形加速之間創(chuàng)建靈活及功能強(qiáng)大的低級接口。OpenGL ES 1.0包括用于浮點(diǎn)與定點(diǎn)系統(tǒng)的Common profile(公用類)與Common-Lite profile(共用簡化類)，以及用于與本地窗口系統(tǒng)手持連接的EGL 規(guī)范。OpenGL-ES 2.0目前正在開發(fā)之中。

      此外，還建立了“安全關(guān)鍵”工作組，以幫助將標(biāo)準(zhǔn)移植到其他采用3D圖形的移動平臺、尤其是汽車及航空電子設(shè)備上。