Растровое сканирование

Образец отображения растровой развертки; видимые промежутки между линиями горизонтальной развертки делят каждый символ

Растровое сканирование или растровое сканирование — это прямоугольная схема захвата и реконструкции изображения на телевидении. По аналогии этот термин используется для растровой графики — схемы хранения и передачи изображений, используемой в большинстве компьютерных растровых систем изображений. Слово «растр» происходит от латинского слова rastrum (грабли), которое происходит от слова radere (царапать); см. также раструм — инструмент для рисования линий музыкального нотного стана . Узор, оставленный линиями граблей, если его нарисовать прямо, напоминает параллельные линии растра: такое построчное сканирование и создает растр. Это систематический процесс постепенного покрытия территории, по одной линии за раз. Хотя зачастую это происходит гораздо быстрее, в самом общем смысле это похоже на то, как перемещается взгляд при чтении строк текста.

В большинстве современных видеокарт данные, подлежащие отрисовке, хранятся внутри области полупроводниковой памяти, называемой кадровым буфером . Эта область памяти хранит значения для каждого пикселя на экране. Эти значения извлекаются из буфера обновления и отображаются на экране по одной строке за раз.

Описание

Сканировать линии

При растровом сканировании изображение подразделяется на последовательность (обычно горизонтальных) полос, известных как « линии сканирования ». Каждая строка развертки может передаваться в виде аналогового сигнала по мере его считывания с видеоисточника, как в телевизионных системах, или может быть дополнительно разделена на дискретные пиксели для обработки в компьютерной системе. Такое упорядочение пикселей по строкам известно как порядок растра или порядок растрового сканирования. Аналоговое телевидение имеет дискретные строки развертки (дискретное разрешение по вертикали), но не имеет дискретных пикселей (разрешение по горизонтали) — вместо этого оно непрерывно изменяет сигнал по строке развертки. Таким образом, хотя количество строк развертки (разрешение по вертикали) определяется однозначно, разрешение по горизонтали является более приблизительным, в зависимости от того, насколько быстро сигнал может меняться по ходу строки развертки.

Шаблон сканирования

Положение луча (развертка) примерно соответствует пилообразной волне .

При растровом сканировании луч движется горизонтально слева направо с постоянной скоростью, затем гаснет и быстро движется обратно влево, где он снова включается и выметает следующую строку. В течение этого времени вертикальное положение также неуклонно увеличивается (вниз), но гораздо медленнее — на кадр изображения приходится одна развертка по вертикали, а на строку разрешения — одна развертка по горизонтали. Таким образом, каждая линия сканирования слегка наклонена «вниз» (в сторону нижнего правого угла) с наклоном примерно –1/горизонтальное разрешение, в то время как развертка назад влево (обратный ход) происходит значительно быстрее, чем прямое сканирование, и по существу горизонтально. Получающийся в результате наклон линий сканирования очень мал и практически затмевается выпуклостью экрана и другими скромными геометрическими недостатками.

Существует заблуждение, что после завершения строки сканирования дисплей на электронно-лучевой трубке в пишущей машинке или принтере (ЭЛТ) внезапно подскакивает внутри, по аналогии с подачей бумаги или подачей строки , прежде чем создать следующую строку сканирования. Как обсуждалось выше, этого не происходит: вертикальная развертка продолжается с постоянной скоростью по линии сканирования, создавая небольшой наклон. Развертка с постоянной скоростью выполняется вместо ступенчатого продвижения каждой строки, потому что шаги сложно реализовать технически, а с постоянной скоростью намного проще. Результирующий наклон в большинстве ЭЛТ компенсируется регулировкой наклона и параллелограмма, которые вызывают небольшое вертикальное отклонение при прохождении луча по экрану. При правильной настройке это отклонение точно компенсирует наклон линий развертки вниз. Горизонтальный ход, в свою очередь, плавно наклоняется вниз по мере устранения отклонения наклона; на обоих концах обратного хода нет скачка. Подробно сканирование ЭЛТ осуществляется магнитным отклонением, путем изменения тока в катушках прогиб хомут . Быстрое изменение отклонения (скачок) требует приложения всплеска напряжения к ярму, и отклонение может реагировать только настолько быстро, насколько позволяют индуктивность и величина всплеска. С электронной точки зрения индуктивность вертикальных обмоток отклоняющего ярма относительно высока, и, следовательно, ток в ярме и, следовательно, вертикальная часть магнитного отклоняющего поля могут изменяться лишь медленно.

Фактически, всплески действительно случаются, как по горизонтали, так и по вертикали, и соответствующие интервалы горизонтального гашения и вертикальные интервалы гашения дают токам отклонения время стабилизации , чтобы вернуться назад и достичь своего нового значения. Это происходит во время интервала гашения.

В электронике эти (обычно равномерные) движения луча(ов) называются «развертками», а цепи, создающие токи для отклоняющего ярма (или напряжения для горизонтальных отклоняющих пластин в осциллографе), называются развертками. схемы. Они создают пилообразную волну : устойчивое движение по экрану, затем обычно быстрое движение назад к другой стороне, то же самое происходит при вертикальной развертке.

Кроме того, ЭЛТ с широким углом отклонения требуют горизонтальной развертки с током, который пропорционально быстрее меняется к центру, поскольку центр экрана находится ближе к отклоняющему ярму, чем края. Линейное изменение тока приведет к повороту лучей с постоянной скоростью; это вызовет горизонтальное сжатие по направлению к центру.

Принтеры

Компьютерные принтеры создают изображения в основном путем растрового сканирования. В лазерных принтерах для сканирования светочувствительного барабана используется вращающееся многоугольное зеркало (или его оптический эквивалент), а движение бумаги обеспечивает другую ось сканирования. Учитывая типичное разрешение принтера, эффект «спуска» незначителен. Струйные принтеры имеют несколько сопел в печатающих головках, поэтому многие (от десятков до сотен) «строк сканирования» записываются вместе, и подача бумаги готовится к следующей партии строк сканирования. Для преобразования векторных данных в форму, необходимую для дисплея или принтера, требуется процессор растровых изображений (RIP).

Шрифты

Компьютерный текст в основном создается из файлов шрифтов, которые описывают контуры каждого печатаемого символа или символа (глифа). (Меньшинство составляют «растровые карты».) Эти контуры необходимо преобразовать в то, что фактически представляет собой маленькие растры, по одному на символ, прежде чем они будут визуализированы (отображаются или печатаются) как текст, фактически объединяя их маленькие растры с растрами для страницы.

Тайминг видео

Подробно, каждая строка (горизонтальная рамка или HFrame) состоит из:

• линия сканирования, когда луч не заглушен и равномерно движется вправо
• крыльцо , когда луч погашен и равномерно движется вправо
• синхроимпульс , когда луч гаснет и быстро перемещается обратно влево
• заднее крыльцо , когда луч гаснет, и снова уверенно движется вправо.

Крылья и связанное с ними гашение должны обеспечить время спада и время стабилизации для движения луча обратно влево (напряжение уменьшится), а также для звона затухания . Вертикальный кадр (VFrame) состоит из точно таких же компонентов, но встречается только один раз на кадр изображения, и время его обработки значительно больше. Детали этих интервалов называются таймингом видео. См. подробную информацию о времени видео, чтобы увидеть их диаграмму. Они в основном не видны конечным пользователям, но были видны в случае с моделями XFree86 , где пользователи XFree86 могли (а иногда и требовались) вручную настраивать эти тайминги, особенно для достижения определенных разрешений или частот обновления .

Восприятие

Растровое сканирование на ЭЛТ создает впечатление устойчивого изображения из одной точки сканирования (за раз рисуется только одна точка) посредством нескольких технических и психологических процессов. Эти изображения затем создают впечатление движения во многом так же, как и пленка – достаточно высокая частота кадров неподвижных изображений создает впечатление движения – хотя растровые сканы отличаются в некоторых отношениях, особенно в чересстрочной развертке.

Во-первых, из-за стойкости люминофора , даже несмотря на то, что одновременно рисуется только один «пиксель» (напомним, что на аналоговом дисплее «пиксель» плохо выражен, так как нет фиксированных горизонтальных делений, скорее есть «пиксель»). летающее пятно»), к тому времени, как весь экран будет нарисован, начальный пиксель все еще относительно освещен. Его яркость немного снизится, что может вызвать ощущение мерцания . Это одна из причин использования чересстрочной развертки : поскольку в одном поле транслируемого видео рисуется только каждая вторая линия, яркие вновь нарисованные линии, переплетающиеся с несколько тусклыми старыми нарисованными линиями, создают относительно более равномерное освещение.

Во-вторых, благодаря постоянству зрения просматриваемое изображение на мгновение сохраняется на сетчатке и воспринимается как относительно устойчивое. Благодаря соответствующему порогу слияния мерцания эти пульсирующие пиксели кажутся устойчивыми.

Эти устойчивые по восприятию неподвижные изображения затем объединяются для создания движущегося изображения, похожего на кинопроектор . Однако следует иметь в виду, что в кинопроекторах полное изображение проецируется сразу (не в растровой развертке), без чересстрочной развертки, исходя из частоты кадров 24 кадра в секунду. Напротив, чересстрочное видео с растровой разверткой создает изображение со скоростью 50 или 60 полей в секунду (полем является каждая вторая строка, что соответствует частоте кадров 25 или 30 кадров в секунду), причем каждое поле рисуется попиксельно за раз. , а не все изображение сразу. Оба они создают видео, но дают несколько разное восприятие или «ощущение». .

Теория и история

В ЭЛТ-дисплее, когда электронные лучи не заглушены, горизонтальная составляющая отклонения магнитного поля, создаваемая отклоняющим ярмом, заставляет лучи сканировать «вперед» слева направо с постоянной скоростью. Данные для последовательных пикселей поступают (с тактовой частотой пикселей) в цифро-аналоговые преобразователи для каждого из трех основных цветов (однако для современных плоских дисплеев данные пикселей остаются цифровыми). При рисовании линии сканирования на правом краю дисплея все лучи гаснут, но магнитное поле продолжает увеличиваться по величине в течение короткого времени после гашения.

Чтобы прояснить возможную путаницу: что касается магнитных полей отклонения, то если бы их не было, все лучи попадали бы на экран около центра. Чем дальше от центра, тем большая необходимая напряженность поля. Поля одной полярности перемещают луч вверх и влево, а поля противоположной полярности — вниз и вправо. В какой-то точке вблизи центра магнитное поле отклонения равно нулю. Поэтому сканирование начинается по мере уменьшения поля. На полпути он проходит через ноль и снова плавно увеличивается, завершая сканирование.

После того, как на экране была создана одна линия и лучи погасли, магнитное поле достигает расчетного максимума. По сравнению со временем, необходимым для сканирования вперед, оно затем относительно быстро меняется обратно на то, что требуется для позиционирования луча за левым краем видимой (незакрашенной) области. Этот процесс происходит при гашении всех лучей и называется обратным ходом. На левом краю поле постепенно уменьшается по величине, чтобы начать новое сканирование вперед, и вскоре после начала лучи гаснут, чтобы начать новую видимую линию сканирования.

Аналогичный процесс происходит при вертикальной развертке, но с частотой обновления дисплея (обычно от 50 до 75 Гц). Полное поле начинается с полярности, при которой лучи выходят за верхнюю часть видимой области, при этом вертикальная составляющая поля отклонения максимальна. После нескольких десятков горизонтальных сканирований (но с погашенными лучами) вертикальная составляющая незаполненного изображения в сочетании с горизонтальным незаполненным сканированием позволяет лучам показать первую линию сканирования. После записи последней строки сканирования вертикальная составляющая магнитного поля продолжает увеличиваться на величину, эквивалентную нескольким процентам от общей высоты, прежде чем произойдет вертикальный обратный ход. Вертикальный обратный ход сравнительно медленный и занимает промежуток времени, необходимый для нескольких десятков горизонтальных сканирований. В аналоговых ЭЛТ-телевизорах установка максимальной яркости обычно делала вертикальный ход видимым на изображении в виде зигзагообразных линий.

В аналоговом телевидении изначально было слишком дорого создавать простое последовательное растровое сканирование только что описанного типа с достаточно высокой частотой обновления и достаточным разрешением по горизонтали, хотя французская 819-строчная система имела лучшее разрешение, чем другие стандарты того времени. Для получения изображения без мерцания в аналоговом телевидении использовался вариант схемы кинопроекторов, в которых каждый кадр фильма показывается дважды или трижды. Для этого затвор закрывается и снова открывается, увеличивая частоту мерцания, но не скорость обновления данных.

Чересстрочное сканирование

Основная статья: Чересстрочное видео

Чтобы уменьшить мерцание, аналоговые ЭЛТ-телевизоры записывают только нечетные строки развертки при первой вертикальной развертке; затем следуют строки с четными номерами, помещенные («переплетенные») между строками с нечетными номерами. Это называется чересстрочной разверткой . (В этом случае расположение строк с четными номерами действительно требует точного контроля положения; в старых аналоговых телевизорах обрезка настройки «Удержание по вертикали» обеспечивала правильное пространство строк развертки. Если немного неправильно отрегулировать, строки развертки будут отображаться парами с пробелами между ними.) Современные телевизионные дисплеи высокой четкости используют такие форматы данных, как прогрессивная развертка на компьютерных мониторах (например, «1080p», 1080 строк, прогрессивная развертка) или чересстрочная развертка (например, «1080i»).

Радар

Растровые изображения использовались в радарах управления огнем (корабельных орудий), хотя обычно они представляли собой узкие прямоугольники. Они использовались парами (для пеленга и для возвышения). На каждом дисплее одна ось отображала угловое смещение от линии визирования, а другая — дальность. Возврат радара украсил видео. Поисковые и метеорологические радары имеют круглый дисплей ( Индикатор положения плана , PPI), закрывающий круглый экран, но технически это не растр. Аналоговые PPI имеют развертку, которая перемещается наружу от центра, а угол развертки соответствует вращению антенны вверх — на север или носовую часть корабля.

Телевидение

Дополнительная информация: История телевидения.

Использовать растровое сканирование в телевидении предложил в 1880 году французский инженер Морис Леблан . Концепция растрового сканирования была заложена в оригинальном на механическое сканирование дисков телевизионном патенте Пола Нипкова в 1884 году. Термин «растр» использовался для обозначения полутонового печатного трафаретного рисунка еще в 1894 году. Подобная терминология использовалась в немецком языке по крайней мере с 1897 года; Эдер пишет о «производстве растровых негативов для полутонов». Макс Дикманн и Густав Глейдж были первыми, кто создал настоящие растровые изображения на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ); они запатентовали свои методы в Германии в 1906 году. Не установлено, использовали ли они слово «растр» в своем патенте или других произведениях.

Одним из первых случаев использования термина «растр» в отношении сканирования изображения с помощью вращающегося барабана является книга Артура Корна 1907 года, в которой говорится (на немецком языке): «...как растровое изображение, наложенное на металл таким образом, что яркие тона становятся металлически чистыми, и наоборот). Корн применял терминологию и технику полутоновой печати, где «Rasterbild» представляла собой полутоновую трафаретную печатную форму. использовали растр еще больше, связанных со сканированием: В 1926 году немецкие авторы Эйхгорн «тон рисунков элементов данного растрового изображения» и «рисуночные точки растрового изображения»); и Шретер в 1932 году: «Rasterelementen», «Rasterzahl» и «Zellenraster» («растровые элементы», «количество растров» и «растр ячеек»).

Первое использование растра специально для телевизионного сканирования часто приписывают барону Манфреду фон Арденну, который писал в 1933 году: «На лекции в январе 1930 года было продемонстрировано, что трубка Брауна была обучена в лаборатории с точки зрения резкости и яркости точки для получения точной, яркой сетки» (На лекции в январе 1930 года было доказано демонстрациями, что В лаборатории был создан прототип трубки Брауна с резкостью и яркостью точки для получения точного и яркого растра). Растр был принят в английской телевизионной литературе по крайней мере к 1936 году в названии статьи в журнале Electrician . Математическая теория сканирования изображений была подробно разработана с использованием методов преобразования Фурье в классической статье Мерца и Грея из Bell Labs в 1934 году.

ЭЛТ-компоненты

Основная статья: Электронно-лучевая трубка

1. Электронный пистолет:-
   1. Основной пистолет: используется для хранения рисунка изображения.
   2. Пистолет для залива: используется для поддержания отображения изображения.
   3. Экран с фосфорным покрытием: покрыт люминофорами, которые излучают свет при попадании на них электронного луча.
   4. Система фокусировки: система фокусировки заставляет электронный луч сходиться в небольшое пятно при попадании на люминофорный экран.
   5. Система отклонения: используется для изменения направления электронного луча, чтобы его можно было поражать разные места люминофорного экрана.

См. также

• Системы вещательного телевидения
• Электронно-лучевая трубка
• Стандарт дисплея компьютера
• Контрсканирование
• Разрешение изображения
• Растровая графика
• Растеризация