FRC算法具体需要考虑的因素总结

Dual-Gate TFT-LCD 抖动算法FRC 研究与实现

在 TFT-LCD 驱动的关键设计技术中，抖动算法 FRC（frame rate control）是一种重要的技术。它能够用 6 bit source 的输出来达到 8 bit full color（16.7 M colors）的显示效果，这样可以降低数据传输率以降低功耗，同时可以节省源驱动（Source Driver, SD）芯片的面积。通过分析和实践，提出了针对用于平板电脑的 Dual-Gate TFT-LCD 屏和翻转方式，需要采用优化的 FRC 算法提高显示效果。在应用于平板电脑的 dual-gate TFT-LCD 屏的 FRC 方案中，分析了传统方案产生周期性竖线的原因，然后提出了改进方案，消除了竖线，提高了显示质量。最后，总结了 FRC 算法具体需要考虑的因素。

1  FRC 算法原理

TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）是目前主流的显示技术，它是利用液晶的旋转和透光的特性进行显示的一种技术，具有平板化，轻薄等特点。在 TFT-LCD 屏 的关键设计技术中，抖动算法 FRC（frame rate control）是一种重要的技术。FRC（Frame Rate Control）像素抖动算法是利用人眼的视觉惰性，对相邻的 2 个灰阶实施时间和空间混色来实现中间亮度的显示，从而达到在 TFT-LCD 上实现目标灰阶显示的一种方法。每一种颜色均由 RGB 分量组成，RGB 分量的比特数决定了颜色的丰富度。比特数越大代表显示的颜色越丰富。很多LCD panel 使用 6 bit source driver，6 bit 驱动芯片理论上只能产生 64 种模拟电位，对应 64 种灰阶，无法满足画面质量要求。因此需要抖动算法也就是 FRC 算法来实现全彩色的显示。FRC 算法对输入的 8 bit 图像数据的低 2 位作为抖动矩阵的选择依据，取高 6 bit 为输出给显示驱动芯片的输入数据，通过时间和空间平均，混合出其他灰阶。混合原理如图 1。

8 bit 中低 2 位为 0，灰阶直接由 6 bit 低位补 0。其他的中间灰阶由这些相邻的低 2 位灰阶为“00”的像素按比例混合。

FRC 算法在 253，254，255 灰阶时会发生饱和现象，无法实现真正的 8 bit 颜色显示。

这是 FRC 算法的一个局限，所以现在又提出了HiFRC 算法，通过扩展 1 bit，然后低 3 bit 选择，512 种灰阶中选择 256 个灰阶来实现全彩色。这个不在本文中详述。

图 2 给出了 FRC 具体的混合方法，有“1”的地方就是将高 6 位数据加 1，有“0”的地方就是高 6 位直接输出。图 2 符合上面公式列出的像素混色方法。

当低 2 bit 为“00”时，不用进行混合，直接高 6 bit 输出。

当低 2 bit 为“01”时，在一帧内。

目标灰阶（6 bit）=3/4×（高 6 bit 灰阶）+1/4×（高 6 bit 灰阶 +1）

在同样的位置的灰阶，4 帧之间，也符合上面公式的混色原理。

当低 2 bit 为“10”时，在一帧内。

目标灰阶（6 bit）=2/4×（高 6 bit 灰阶）+2/4×（高 6 bit 灰阶 +1）

在同样的位置的灰阶，4 帧之间，也符合上面公式的混色原理。

当低 2 bit为“11”时，在一帧内。

目标灰阶（6 bit）=1/4×（高 6 bit 灰阶）+3/4×（高 6 bit 灰阶 +1）

在同样的位置的灰阶，4 帧之间，也符合上面公式的混色原理。

以上的 FRC 图形算法满足下面 2 个要求。

亮阶与暗阶在空间上的分布是均匀的，且帧间比例是相同的。

对任何一个像素而言，算法循环完成后，亮阶与暗阶比例是一致的。

但是这个算法只考虑了像素，没有考虑到子像素。而 TFT 每个像素中含有 RGB 3 个子像素，对应着 SD 芯片的 3 个输出通道。算法图形以子像素为单位进行排列，可以获得更好的算法效果。

2  FRC 算法应用

2.1 Dual-gate 显示面板

Dual-gate panel 指的是 SD 芯片的一个输出连接到相邻 2 列子像素上，控制 2 个子像素的栅开关在一行的显示时间内交替打开。这样 SD 芯片的一个输出通道就可以分时复用地驱动 2 个子像素，从而可以节省一半的 SD 芯片面积。

Gate 和 source panel 连接图如图 3 所示。Gate driver 一行一行打开，source driver 把数据一行一行送进显示器。Dual-gate 每次送进去的就是半行奇子像素或者半行偶子像素。

2.2 用于 PAD TFT-LCD 屏驱动芯片极性翻转

用于 PAD TFT-LCD 屏驱动芯片包括 tcon，source driver 和直流 VCOM 电压等功能模块。直流 VCOM 就是 VCOM 电压固定，source 电压正负翻转。驱动芯片配合 Dual gate 屏的时序，可以支持 1-dot，2-dot 和 column inversion。考虑到功耗和显示效果的平衡，默认的 polarity 翻转方式是 2 dot inversion。2-dot inversion 实际是 1+2 dot inversion，source 极性“ 2 行”翻转 1 次。这里的 2 行实际指的是 source 的 2 行，对于 dual gate panel 来说，其实就是 panel 显示的一行。输出 channel 的极性如图 4 所示。

因为 TFT-LCD 的液晶显示特性，source 电压和 VCOM 的压差表示真正显示的灰阶。S1～S6 表示 source channel，“+”表示 source 输出的电压大于 VCOM，是正极性，“-”表示 source 输出的电压小于 VCOM，是负极性。正负相同的压差，理论上应该显示相同的灰阶，但是液晶分子的转向却完全相反，这样就可以避免当液晶分子转向一直固定在一个方向时所造成的特性破坏。但是假如 common 电压有一点误差，这时正、负极性的同一灰阶电压便会有差别，灰阶的感觉也会不同。这样对 FRC 的效果也会有影响。

3  FRC 效果分析

3.1 原有 FRC 效果分析

图 5 列出了 dual-gate 的 TFT panel 中，source 和 gate 的连接，反映了 2-dot inversion 的扫描方式和 FRC 算法。子像素交替连接到 2 个 gate。

采用传统的 FRC 算法，显示会有周期性的竖线，在 4n+2（低 2  bit 为 01）尤其明显。通过分析，发现存在这种现象的原因是没有考虑到dual-gate 的特性和极性翻转方式，以及 P/N 正负电压显示的不平衡。

图 6 中，“P”代表正极性，“N”代表负极性，“+”代表高 6 位加 1。

从一帧内来看，R 存在 2 列 P/N+， 2 列 N/P+，每 2 行一个循环。B 存在 2 列 N+/P, 两列 P/N+, 每两行一个循环。G 存在两列 N/P+, 两列 P/N+,每两行一个循环。这样每两列之间存在一个周期性的竖线。从两帧来看，第二帧的竖线出现在同样的位置。这样加强了竖线的效果。

可以看出无论时间上还是空间上，四列像素都存在周期性变化，尤其是子像素，存在两列 P/N+,两列 N/P+ 这样的周期性循环。而 P/N+ 和 N/P+ 在极性不对称的情况下，透光率不同，导致屏幕有周期性竖条纹。

图 7 是 4n+1（低两 bit 为 01）的灰阶，配合 source 极性的 FRC 算法图形。可以看出，也存在周期性的竖条纹，但是因为竖线 +1 的像素只有 1/4, 导致竖条纹不明显。这个和实际测试结果也是相符合的。

4n+3 （低两 bit 为 11）的灰阶效果和 4n+1（低两 bit 为 01）的灰阶的效果相似。所以我们重点解决的问题是 4n+2 时候的 FRC 算法问题。

3.2 改进 FRC 效果分析

要消除传统 FRC 算法在 Dual-Gate 屏显示时导致的竖条纹，就需要使竖线不在同样的位置叠加，色块要平均。考虑这种正负source 极性的不平衡，基于 2-dot inversion，得出能在每个子像素平衡的算法。发现基于不同的算法图形，有很多种算法都能消除竖线，实现色块的平衡。而下面的算法就是最小的矩阵单元，也是最简单的可以实现 FRC 效果改进的算法。这个矩阵算法是针对 4n+2（低两位为 10）的 FRC 算法。

图 8 改进的低两位为 10 的 FRC 算法。

时间上的抖动使用 2 帧循环的算法周期，空间上的抖动使用 2×2 的像素矩阵的算法单元。采用子像素的算法图形，R/B 的算法图形和 G 的算法图形是列错开的。

图 9 中，在一帧内，R、G、B 在横，竖，斜线方向都是平衡的，既有 P、N，也有P+、N+。在帧与帧之间，色块也是平衡的。这样不会有周期性的竖线产生，也没有横线和斜线的产生。

首先是在 FPGA 上验证这种算法。通过在 FPGA 上用下面的 FRC 算法实现 8 bit 的图像源转化为 6 bit像素数据作为输入给芯片，关掉芯片内部的算法，这样芯片的输入就直接输入给source driver，来达到验证新的算法的目的。

FPGA 验证通过上下屏分别显示老算法和新算法效果的办法，来对比验证，发现新的算法确实能够明显的改善竖线。FPGA 验证为我们对芯片的改版提供了信心。最后按照这个算法生产了芯片，在 4n+2 时，竖线效果消除了，达到了客户满意的效果，实现了芯片最后的成功量产。

4  结语

本文通过理论分析和实际验证，指出了传统 FRC 算法没有考虑 daul-gate TFT-LCD 的连接方式和极性翻转方式而出现的周期性竖线的原因，并且提出了改进的 FRC 算法，解决了这个问题。进一步提出了针对不同的屏幕，不同的翻转方式，会有不同的 FRC 算法的观点。总结出了 FRC 算法需要考虑以下 6 个方面。

（1）时间均匀性。亮灰阶和暗灰阶在循环帧内的比例是相同的。

（2）空间均匀性。亮灰阶和暗灰阶在空间内的比例是相同的。

（3）P、N 极性。source channel 的正负极性越对称，FRC 效果越好。

（4）POL 翻转方法。source channel 的极性翻转方式影响算法图形。

（5）空间规律性。明暗像素交替具有空间规律性。

（6）时间规律性。明暗像素交替具有时间规律性。

要达到好的显示效果，算法应该遵循的一些guideline。

（1）RB 算法和 G 算法最好错开。

（2）算法循环的帧数在考虑时间混色平衡的基础上，越小越好。

（3）算法图像的矩阵在考虑空间混色平衡的基础上，越小越好。