LCD显示异常分析——撕裂(tear effect)

概述

在上一篇《LCD显示异常分析——开机闪现花屏》中，我们一起分析了开机花屏的问题，在这一篇中，我将对LCD撕裂(tear effect)问题进行详细分析，以及给出这类问题的常用解决方法。

本文适用范围：

对象：LCD驱动调试人员

硬件：带GRAM的LCD （如SPI/MCU/DSI CMD屏）

软件：所有嵌入式操作系统

现象

首先贴一张动态图，让大家能直观的感受撕裂形成的过程：

分析

从上面的动态图我们可以看到，在第二帧出现了新旧画面各显示一部分的现象，该现象即为撕裂，英文又叫tear effect。tear effect的根本原因是对GRAM的读、写速度不一致，导致在一帧之内，GRAM的读指针®与写指针(W)发生了重叠导致。

这个现象其实包含2个信息：

W和R指针重叠了

指针重叠后的画面在屏上静止不动保持了整整1帧的时间（60fps的话就是16.7ms），这个时间是足以被人眼察觉到的

有经验的开发人员都知道，出现这类问题往往都是因为有个2倍关系没有调整好。何为“2倍关系”？即必须保证W:R > 1:2（这里的W、R都指的是速率），否则势必会出现撕裂的现象（如上面的W:R=1:3）。

理想情况

为什么是2倍？请看下图（W:R=1:2）：

因为W < R，所以R指针跑在前面，因此读出来的数据都是旧数据，屏幕第1帧显示的还是上一帧的图像，直到第2帧才将GRAM中的图像完整的显示出来。如果R再稍微快那么一点，那么在第2帧R指针就又会赶上W指针，这样就会再次出现tear effect现象。所以W:R=1:2是撕裂发生的临界值。

同理，那如果对于W > R的情况，是否也存在这个2倍关系？
回答这个问题前，我们先来看看下面这两幅图：

图1 （W:R=3:1）

图2 （W:R=2:1）

从上面的图中我们可以看到，对于W > R这中情况，确实也存在2倍关系。但是这种由于W > R而造成的撕裂现象一般是不可能发生的，因为大部分显示驱动都是等到TE信号到来时才开始刷图的，所以只要R指针还没有扫描完当前帧的画面，W指针是不可能立即去GRAM中刷画面“B”的，一定会等到画面“A”彻底显示完毕后才开始绘制，所以上面的图1、图2两种情况都不会发生。

因此为了防止撕裂的发生，只需要保证W > 12\frac{1}{2}21R (这里指速率)即可。

实际情况

前面分析的现象都是基于一个前提条件的，那就是：

指针W和R都是基于同一个时间点、同一个GRAM起始位置开始扫描的

只要上面的2点有一个不满足，那么2倍关系就不成立了。
因为对于这类带GRAM的LCD ，驱动软件或LCD Controller硬件都会做成等待TE信号到来时才会开始刷图，所以对于第1点这里不做详细描述，只针对第2点进行讲解。在LCD的实际显示过程中，其实是有消隐区的(即Porch区域)，而且一般屏厂会将TE信号默认放在内部DriverIC的VSYNC阶段送出，这就导致了指针W无法满足和R从同一GRAM起始位置开始扫描，具体过程如下图：

从上图我们可以看到，虽然W:R=2:3，满足W > 12\frac{1}{2}21R的条件，但是由于它们不是从GRAM的同一起始位置开始扫描，所以仍然会出现W和R指针碰头的情况，最终导致撕裂的现象。

那么对于上述这种情况，有什么方法可以解决吗？是时候召唤出TE Output Line了！

TE Output Line

LCD DriverIC厂商还是很贴心的，为了解决上述问题，工程师们专门预留了一个TE Output Line寄存器，该寄存器的作用就是用来调节TE信号（又叫FMARK信号）的输出位置。默认情况下，该寄存器的值为0，即DriverIC内部刷新时的VSYNC期间。那么对于上述情况，我们只需要将TE Output Line的值设置为VSYNC+VBP的值即可。

小提示：

对于主控端，Vporch往往由VSYNC+VBP+VFP构成；

对于LCD DriverIC厂商，他们定义的VBP其实往往是包含VSYNC的；

如下图：

结论

撕裂的本质：

在1帧时间内，W和R重叠了

撕裂的画面停留了1帧的时间，被人眼所觉察

解决方法：

W > 12\frac{1}{2}21R （这里指速率）

开启TE同步信号

调整TE Output Line

后续

读完本文，可能细心的读者会问这样一个问题：既然tear effect现象只停留了1帧时间（60fps 16.7ms），人眼就能察觉到，但为什么我们却察觉不到LCD画面从上到下更新变化的过程？又或者，对于早期老式的24帧胶卷电影，从这一帧更新到下一帧时，中间过程其实是夹杂着黑屏的，这个黑屏的时间要比16.7ms还要长，可观众为什么没有察觉出来？
对于这类问题，其实已经属于生物医学范畴了，这涉及到人眼的构造、视觉暂留、闪光融合、认知资源等诸多概念，我也在查找相关的资料，等找到可靠的答案了在回来写吧。