简介

本文我们以USB3.2转mipi芯片LT4079为例，为大家介绍视频处理芯片中，FRC模块是什么用途和应用领域，以方便工程师更快的上手和理解视频处理中的专业模块功能。

一、什么是FRC

FRC是Frame Rate Conversion的简写，中文为帧率转换，属于视频后处理芯片的核心功能单元，常见于TV主控、显示SoC、视频处理FPGA、HDMI接收器、视频倍频板卡。

通俗解释，比如源视频帧率低(例如24fps电影、30fps片源),显示面板是高刷新率(60Hz/120Hz/240Hz)。面板必须按面板刷新率输出画面；如果直接重复原帧，画面会有运动抖动、拖影、画面卡顿感。而FRC的算法硬件模块可以把低帧率输入，插值生成高帧率输出，插出中间过渡帧，让运动画面更顺滑。

以LT4079为例，这是一款高性能的USB2.0/USB3.2Gen1转SPI/TTL/MIPI/LVDS/eDP的转换器芯片，旨在将USB源连接到显示面板。LT4079集成了符合USB2.0/USB3.2Gen1标准的设备以及SPI/TTL/MIPI/LVDS/eDP视频发射器。此外，还集成了用于帧率控制功能的嵌入式DRAM和高性能操作员显示屏幕（OSD）。同时支持面板触摸数据传输，以实现人机交互，并提供丰富的通用接口选项，如I2C/UART/PWM/QSPI。该设备可通过集成的微处理器实现自动操作，以执行实时控制任务。此外，还使用QSPI闪存存储固件。可通过专用的配置I2C从机或USB接口进行系统控制。

LT4079只所以可输出高帧率的画面，就是FRC功能模块的存在。

FRC的两种实现方式：

1.重复帧(简单FRC,也叫3:2 Pull-down)

   比如电影24fps转60Hz,简单重复帧。无运动估算，成本低，依旧会有抖动，早期电视用。

2.MEMC-FRC(运动补偿FRC,Motion Estimation MotionCompensation)

  · ME运动估计：检测画面物体运动矢量

  · MC运动补偿：根据运动矢量生成全新中间插值帧

就是电视宣传的「运动补偿、MEMC、防抖、插帧」,硬件FRC模块就是干这个。总结可以理解为信号源输入24/30fps，经过FRC算法生成中间帧，最后输出60/120Hz,使的显示端取得高帧数画面，速运动画面显得更丝滑。

二、FRC工作原理

完整链路：视频输入→图像缓存→ME运动估计→MC运动补偿→帧插值合成→输出时序重构

整体工作流程

1、视频接收与解时序

FRC芯片接收输入视频流（HDMI/BI1120/MIPI)，解析输入分辨率、帧率(例如24fps电影）。

输入帧是离散的：每41.6ms才来一帧画面。但显示屏要每8.3ms刷新一次(120Hz),直接重复帧会产生抖动。

芯片把原始帧写入外部DDR缓存，作为后续算法的参考帧。

2、ME运动估计(Motion Estimation)

ME是FRC芯片算力消耗最大的部分。

拿当前帧、前一参考帧做块匹配：把画面切成很多小块，在前后两帧里搜索同一个物体移动到了哪个位置，输出运动矢量MV（向量：物体往哪个方向、移动多少像素）。

• 静态画面：运动矢量接近0，物体不动；

• 高速运动画面：会得到较大的位移矢量。

简单FRC(无MEMC)跳过ME步骤，不计算运动矢量，只做简单帧重复(3:2 pulldown),成本低，但运动画面依旧抖。

3、MC运动补偿(Motion Compensation)

拿到运动矢量MV之后，计算两帧中间时刻物体应该处在什么位置，生成一张全新的插值中间帧。

举例子：

• 输入24fps，两帧间隔时间T；输出120Hz，需要在两原始帧中间插入4帧。

• MC根据MV推算物体在0.25T、0.5T、0.75T时刻的画面位置，生成多张中间图像。

不是简单把两张图做半透明混合！简单Alpha混合

4、插值融合与错误修复

运动估计不是100%完美：物体边缘、遮挡、文字、细线条容易算错MV，出现碎块、撕裂。

芯片内部后处理单元做修正：

1.检测哪些区域运动估计不可靠；

2.不可靠区域放弃插值，退回使用原始帧

3.做边缘平滑降噪，抑制插值带来的伪影。

5、时序重构输出

DDR读出原始帧+生成的插值帧，按照面板目标刷新率(60/120/240Hz)的时序，生成标准视频时序输出给显示屏。

同时支持反向FRC：高帧率输入降帧率输出，做帧抽取。

两种FRC架构对比

①简易FRC(无MEMC,无ME/MC)

原理：只做帧重复、下拉变换（3-2 pull-down)，没有生成新图像。

• 24fps电影转60Hz:第1帧重复3次，第2帧重复2次循环输出。

• 优点：不需要大DDR，芯片成本低；

• 缺点：运动物体依旧有抖动，没有真正插帧顺滑效果，早期电视使用。

②MEMC-FRC（带运动估计补偿，真正FRC芯片）

原理：ME运动估计+MC运动补偿生成全新中间帧，需要外挂DDR保存多帧参考图像。

市面上独立FRC芯片、电视SoC的插帧模块都是这个架构。

关键硬件部件(FRC芯片内部)

1.视频输入接口模块：HDMI接收器/MIPI/BT.1120，采样YUV/RGB图像；

2.DMA控制器：把图像搬运到外部DDR;

3.ME运动估计硬件加速器：块匹配计算运动矢量，占芯片大部分逻辑门；

4.MC运动补偿引擎：根据运动矢量生成插值帧；5.伪影检测、后处理单元：修复插值错误、降噪；

6.时序生成器TGEN

按照目标刷新率输出视频时序；

7.外部DDR存储器

缓存至少2～3帧原始参考帧+插值帧，FRC必须依赖帧缓存。

没有DDR就无法实现MEMC-FRC；简易帧重复FRC可以不需要大容量缓存。

三、应用场景

• 电视SoC,把24fps电影插成120Hz输出

• 工业视频板卡、HDMI处理芯片

• 车载显示：25fps摄像头画面转60Hz屏幕输出

• FPGA视频处理IP核，有现成FRC-MEMC IP