Dual-Gate TFT-LCD 抖動算法FRC 研究與實現(xiàn)

在 TFT-LCD 驅(qū)動的關(guān)鍵設計技術(shù)中，抖動算法 FRC（frame rate control）是一種重要的技術(shù)。它能夠用 6 bit source 的輸出來達到 8 bit full color（16.7 M colors）的顯示效果，這樣可以降低數(shù)據(jù)傳輸率以降低功耗，同時可以節(jié)省源驅(qū)動（Source Driver, SD）芯片的面積。通過分析和實踐，提出了針對用于平板電腦的 Dual-Gate TFT-LCD 屏和翻轉(zhuǎn)方式，需要采用優(yōu)化的 FRC 算法提高顯示效果。在應用于平板電腦的 dual-gate TFT-LCD 屏的 FRC 方案中，分析了傳統(tǒng)方案產(chǎn)生周期性豎線的原因，然后提出了改進方案，消除了豎線，提高了顯示質(zhì)量。最后，總結(jié)了 FRC 算法具體需要考慮的因素。

1 FRC 算法原理

TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）是目前主流的顯示技術(shù)，它是利用液晶的旋轉(zhuǎn)和透光的特性進行顯示的一種技術(shù)，具有平板化，輕薄等特點。在 TFT-LCD 屏 的關(guān)鍵設計技術(shù)中，抖動算法 FRC（frame rate control）是一種重要的技術(shù)。FRC（Frame Rate Control）像素抖動算法是利用人眼的視覺惰性，對相鄰的 2 個灰階實施時間和空間混色來實現(xiàn)中間亮度的顯示，從而達到在 TFT-LCD 上實現(xiàn)目標灰階顯示的一種方法。每一種顏色均由 RGB 分量組成，RGB 分量的比特數(shù)決定了顏色的豐富度。比特數(shù)越大代表顯示的顏色越豐富。很多LCD panel 使用 6 bit source driver，6 bit 驅(qū)動芯片理論上只能產(chǎn)生 64 種模擬電位，對應 64 種灰階，無法滿足畫面質(zhì)量要求。因此需要抖動算法也就是 FRC 算法來實現(xiàn)全彩色的顯示。FRC 算法對輸入的 8 bit 圖像數(shù)據(jù)的低 2 位作為抖動矩陣的選擇依據(jù)，取高 6 bit 為輸出給顯示驅(qū)動芯片的輸入數(shù)據(jù)，通過時間和空間平均，混合出其他灰階。混合原理如圖 1。

8 bit 中低 2 位為 0，灰階直接由 6 bit 低位補 0。其他的中間灰階由這些相鄰的低 2 位灰階為“00”的像素按比例混合。

FRC 算法在 253，254，255 灰階時會發(fā)生飽和現(xiàn)象，無法實現(xiàn)真正的 8 bit 顏色顯示。

這是 FRC 算法的一個局限，所以現(xiàn)在又提出了HiFRC 算法，通過擴展 1 bit，然后低 3 bit 選擇，512 種灰階中選擇 256 個灰階來實現(xiàn)全彩色。這個不在本文中詳述。

圖 2 給出了 FRC 具體的混合方法，有“1”的地方就是將高 6 位數(shù)據(jù)加 1，有“0”的地方就是高 6 位直接輸出。圖 2 符合上面公式列出的像素混色方法。

當?shù)?2 bit 為“00”時，不用進行混合，直接高 6 bit 輸出。

當?shù)?2 bit 為“01”時，在一幀內(nèi)。

目標灰階（6 bit）=3/4×（高 6 bit 灰階）+1/4×（高 6 bit 灰階 +1）

在同樣的位置的灰階，4 幀之間，也符合上面公式的混色原理。

當?shù)?2 bit 為“10”時，在一幀內(nèi)。

目標灰階（6 bit）=2/4×（高 6 bit 灰階）+2/4×（高 6 bit 灰階 +1）

在同樣的位置的灰階，4 幀之間，也符合上面公式的混色原理。

當?shù)?2 bit為“11”時，在一幀內(nèi)。

目標灰階（6 bit）=1/4×（高 6 bit 灰階）+3/4×（高 6 bit 灰階 +1）

在同樣的位置的灰階，4 幀之間，也符合上面公式的混色原理。

以上的 FRC 圖形算法滿足下面 2 個要求。

亮階與暗階在空間上的分布是均勻的，且?guī)g比例是相同的。

對任何一個像素而言，算法循環(huán)完成后，亮階與暗階比例是一致的。

但是這個算法只考慮了像素，沒有考慮到子像素。而 TFT 每個像素中含有 RGB 3 個子像素，對應著 SD 芯片的 3 個輸出通道。算法圖形以子像素為單位進行排列，可以獲得更好的算法效果。

2 FRC 算法應用

2.1 Dual-gate 顯示面板

Dual-gate panel 指的是 SD 芯片的一個輸出連接到相鄰 2 列子像素上，控制 2 個子像素的柵開關(guān)在一行的顯示時間內(nèi)交替打開。這樣 SD 芯片的一個輸出通道就可以分時復用地驅(qū)動 2 個子像素，從而可以節(jié)省一半的 SD 芯片面積。

Gate 和 source panel 連接圖如圖 3 所示。Gate driver 一行一行打開，source driver 把數(shù)據(jù)一行一行送進顯示器。Dual-gate 每次送進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 屏驅(qū)動芯片極性翻轉(zhuǎn)

用于 PAD TFT-LCD 屏驅(qū)動芯片包括 tcon，source driver 和直流 VCOM 電壓等功能模塊。直流 VCOM 就是 VCOM 電壓固定，source 電壓正負翻轉(zhuǎn)。驅(qū)動芯片配合 Dual gate 屏的時序，可以支持 1-dot，2-dot 和 column inversion。考慮到功耗和顯示效果的平衡，默認的 polarity 翻轉(zhuǎn)方式是 2 dot inversion。2-dot inversion 實際是 1+2 dot inversion，source 極性“ 2 行”翻轉(zhuǎn) 1 次。這里的 2 行實際指的是 source 的 2 行，對于 dual gate panel 來說，其實就是 panel 顯示的一行。輸出 channel 的極性如圖 4 所示。

因為 TFT-LCD 的液晶顯示特性，source 電壓和 VCOM 的壓差表示真正顯示的灰階。S1～S6 表示 source channel，“+”表示 source 輸出的電壓大于 VCOM，是正極性，“-”表示 source 輸出的電壓小于 VCOM，是負極性。正負相同的壓差，理論上應該顯示相同的灰階，但是液晶分子的轉(zhuǎn)向卻完全相反，這樣就可以避免當液晶分子轉(zhuǎn)向一直固定在一個方向時所造成的特性破壞。但是假如 common 電壓有一點誤差，這時正、負極性的同一灰階電壓便會有差別，灰階的感覺也會不同。這樣對 FRC 的效果也會有影響。

3 FRC 效果分析

3.1 原有 FRC 效果分析

圖 5 列出了 dual-gate 的 TFT panel 中，source 和 gate 的連接，反映了 2-dot inversion 的掃描方式和 FRC 算法。子像素交替連接到 2 個 gate。

采用傳統(tǒng)的 FRC 算法，顯示會有周期性的豎線，在 4n+2（低 2 bit 為 01）尤其明顯。通過分析，發(fā)現(xiàn)存在這種現(xiàn)象的原因是沒有考慮到dual-gate 的特性和極性翻轉(zhuǎn)方式，以及 P/N 正負電壓顯示的不平衡。

圖 6 中，“P”代表正極性，“N”代表負極性，“+”代表高 6 位加 1。

從一幀內(nèi)來看，R 存在 2 列 P/N+， 2 列 N/P+，每 2 行一個循環(huán)。B 存在 2 列 N+/P, 兩列 P/N+, 每兩行一個循環(huán)。G 存在兩列 N/P+, 兩列 P/N+,每兩行一個循環(huán)。這樣每兩列之間存在一個周期性的豎線。從兩幀來看，第二幀的豎線出現(xiàn)在同樣的位置。這樣加強了豎線的效果。

可以看出無論時間上還是空間上，四列像素都存在周期性變化，尤其是子像素，存在兩列 P/N+,兩列 N/P+ 這樣的周期性循環(huán)。而 P/N+ 和 N/P+ 在極性不對稱的情況下，透光率不同，導致屏幕有周期性豎條紋。

圖 7 是 4n+1（低兩 bit 為 01）的灰階，配合 source 極性的 FRC 算法圖形。可以看出，也存在周期性的豎條紋，但是因為豎線 +1 的像素只有 1/4, 導致豎條紋不明顯。這個和實際測試結(jié)果也是相符合的。

4n+3 （低兩 bit 為 11）的灰階效果和 4n+1（低兩 bit 為 01）的灰階的效果相似。所以我們重點解決的問題是 4n+2 時候的 FRC 算法問題。

3.2 改進 FRC 效果分析

要消除傳統(tǒng) FRC 算法在 Dual-Gate 屏顯示時導致的豎條紋，就需要使豎線不在同樣的位置疊加，色塊要平均。考慮這種正負source 極性的不平衡，基于 2-dot inversion，得出能在每個子像素平衡的算法。發(fā)現(xiàn)基于不同的算法圖形，有很多種算法都能消除豎線，實現(xiàn)色塊的平衡。而下面的算法就是最小的矩陣單元，也是最簡單的可以實現(xiàn) FRC 效果改進的算法。這個矩陣算法是針對 4n+2（低兩位為 10）的 FRC 算法。

圖 8 改進的低兩位為 10 的 FRC 算法。

時間上的抖動使用 2 幀循環(huán)的算法周期，空間上的抖動使用 2×2 的像素矩陣的算法單元。采用子像素的算法圖形，R/B 的算法圖形和 G 的算法圖形是列錯開的。

圖 9 中，在一幀內(nèi)，R、G、B 在橫，豎，斜線方向都是平衡的，既有 P、N，也有P+、N+。在幀與幀之間，色塊也是平衡的。這樣不會有周期性的豎線產(chǎn)生，也沒有橫線和斜線的產(chǎn)生。

首先是在 FPGA 上驗證這種算法。通過在 FPGA 上用下面的 FRC 算法實現(xiàn) 8 bit 的圖像源轉(zhuǎn)化為 6 bit像素數(shù)據(jù)作為輸入給芯片，關(guān)掉芯片內(nèi)部的算法，這樣芯片的輸入就直接輸入給source driver，來達到驗證新的算法的目的。

FPGA 驗證通過上下屏分別顯示老算法和新算法效果的辦法，來對比驗證，發(fā)現(xiàn)新的算法確實能夠明顯的改善豎線。FPGA 驗證為我們對芯片的改版提供了信心。最后按照這個算法生產(chǎn)了芯片，在 4n+2 時，豎線效果消除了，達到了客戶滿意的效果，實現(xiàn)了芯片最后的成功量產(chǎn)。

4 結(jié)語

本文通過理論分析和實際驗證，指出了傳統(tǒng) FRC 算法沒有考慮 daul-gate TFT-LCD 的連接方式和極性翻轉(zhuǎn)方式而出現(xiàn)的周期性豎線的原因，并且提出了改進的 FRC 算法，解決了這個問題。進一步提出了針對不同的屏幕，不同的翻轉(zhuǎn)方式，會有不同的 FRC 算法的觀點。總結(jié)出了 FRC 算法需要考慮以下 6 個方面。

（1）時間均勻性。亮灰階和暗灰階在循環(huán)幀內(nèi)的比例是相同的。

（2）空間均勻性。亮灰階和暗灰階在空間內(nèi)的比例是相同的。

（3）P、N 極性。source channel 的正負極性越對稱，F(xiàn)RC 效果越好。

（4）POL 翻轉(zhuǎn)方法。source channel 的極性翻轉(zhuǎn)方式影響算法圖形。

（5）空間規(guī)律性。明暗像素交替具有空間規(guī)律性。

（6）時間規(guī)律性。明暗像素交替具有時間規(guī)律性。

要達到好的顯示效果，算法應該遵循的一些guideline。

（1）RB 算法和 G 算法最好錯開。

（2）算法循環(huán)的幀數(shù)在考慮時間混色平衡的基礎上，越小越好。

（3）算法圖像的矩陣在考慮空間混色平衡的基礎上，越小越好。