Растровое сканирование , или растровое сканирование , представляет собой прямоугольный шаблон захвата и реконструкции изображения в телевидении. По аналогии, этот термин используется для растровой графики , шаблона хранения и передачи изображения, используемого в большинстве компьютерных систем растровых изображений. Слово растр происходит от латинского слова rastrum (грабли), которое происходит от radere (царапать); см. также rastrum , инструмент для рисования линий музыкального нотного стана . Узор, оставленный линиями грабель, если провести его прямо, напоминает параллельные линии растра: это построчное сканирование и есть то, что создает растр. Это систематический процесс постепенного покрытия области, по одной строке за раз. Хотя часто это намного быстрее, в самом общем смысле он похож на то, как движется взгляд при чтении строк текста.
В большинстве современных графических карт данные для прорисовки хранятся внутри в области полупроводниковой памяти , называемой буфером кадра . Эта область памяти содержит значения для каждого пикселя на экране. Эти значения извлекаются из буфера обновления и рисуются на экране по одной строке за раз.
При растровой развертке изображение подразделяется на последовательность (обычно горизонтальных) полос, известных как « строки развертки ». Каждая строка развертки может передаваться в виде аналогового сигнала , когда она считывается с видеоисточника, как в телевизионных системах, или может быть далее разделена на дискретные пиксели для обработки в компьютерной системе. Такое упорядочение пикселей по строкам известно как порядок растра или порядок растровой развертки. Аналоговое телевидение имеет дискретные строки развертки (дискретное вертикальное разрешение), но не имеет дискретных пикселей (горизонтальное разрешение) — вместо этого оно непрерывно изменяет сигнал по строке развертки. Таким образом, в то время как количество строк развертки (вертикальное разрешение) определено однозначно, горизонтальное разрешение является более приблизительным, в соответствии с тем, как быстро сигнал может изменяться по ходу строки развертки.
При растровом сканировании луч движется горизонтально слева направо с постоянной скоростью, затем гаснет и быстро возвращается влево, где снова включается и выметает следующую строку. В это время вертикальное положение также неуклонно увеличивается (вниз), но гораздо медленнее – на кадр изображения приходится одна вертикальная развертка, а на строку разрешения – одна горизонтальная развертка. Таким образом, каждая строка сканирования слегка наклонена «вниз» (в правую нижнюю часть) с наклоном приблизительно –1/горизонтальное разрешение, в то время как развертка назад влево (обратный ход) значительно быстрее, чем прямое сканирование, и по существу горизонтальна. Результирующий наклон строк сканирования очень мал и по сути затмевается выпуклостью экрана и другими скромными геометрическими дефектами.
Существует ошибочное представление, что после завершения строки сканирования дисплей с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) по сути внезапно совершает внутренний скачок, по аналогии с подачей бумаги или переводом строки пишущей машинки или принтера , перед созданием следующей строки сканирования. Как обсуждалось выше, это не совсем так: вертикальная развертка продолжается с постоянной скоростью по строке сканирования, создавая небольшой наклон. Выполняется развертка с постоянной скоростью вместо ступенчатого продвижения каждой строки, потому что шаги сложно реализовать технически, в то время как постоянная скорость намного проще. Результирующий наклон компенсируется в большинстве ЭЛТ регулировками наклона и параллелограмма, которые накладывают небольшое вертикальное отклонение, когда луч проходит по экрану. При правильной регулировке это отклонение точно отменяет нисходящий наклон строк сканирования. Горизонтальный обратный ход, в свою очередь, плавно наклоняется вниз по мере устранения отклонения наклона; на обоих концах обратного хода нет скачка. В деталях, сканирование ЭЛТ выполняется с помощью магнитного отклонения, путем изменения тока в катушках отклоняющего ярма . Быстрое изменение отклонения (скачок) требует подачи всплеска напряжения на ярмо, и отклонение может реагировать только так быстро, как позволяют индуктивность и величина всплеска. С электронной точки зрения индуктивность вертикальных обмоток отклоняющего ярма относительно высока, и, таким образом, ток в ярме, а следовательно, и вертикальная часть магнитного поля отклонения, могут изменяться только медленно.
На самом деле, пики действительно происходят, как по горизонтали, так и по вертикали, и соответствующий горизонтальный интервал гашения и вертикальный интервал гашения дают токам отклонения время для установления обратного хода и установления их нового значения. Это происходит во время интервала гашения.
В электронике эти (обычно с постоянной скоростью) движения луча[ов] называются «развертками», а схемы, которые создают токи для отклоняющего ярма (или напряжения для горизонтальных отклоняющих пластин в осциллографе), называются схемами развертки. Они создают пилообразную волну : равномерное движение по экрану, затем обычно быстрое движение обратно на другую сторону, и то же самое для вертикальной развертки.
Кроме того, широкоугольные ЭЛТ нуждаются в горизонтальной развертке с током, который изменяется пропорционально быстрее к центру, поскольку центр экрана находится ближе к отклоняющему ярму, чем края. Линейное изменение тока будет качать лучи с постоянной скоростью по углу; это вызовет горизонтальное сжатие к центру.
Компьютерные принтеры создают свои изображения в основном путем растрового сканирования. Лазерные принтеры используют вращающееся полигональное зеркало (или оптический эквивалент) для сканирования по светочувствительному барабану, а движение бумаги обеспечивает другую ось сканирования. Учитывая типичное разрешение принтера, эффект «нисходящего» спуска незначителен. Струйные принтеры имеют несколько сопел в печатающих головках, поэтому многие (от десятков до сотен) «линий сканирования» записываются вместе, а подача бумаги готовится к следующей партии линий сканирования. Преобразование векторных данных в форму, требуемую дисплеем или принтером, требует процессора растровых изображений (RIP).
Компьютерный текст в основном создается из файлов шрифтов, которые описывают контуры каждого печатаемого знака или символа (глифа). (Меньшая часть из них — это «битовые карты».) Эти контуры должны быть преобразованы в то, что фактически является маленькими растрами, по одному на символ, перед тем, как они будут визуализированы (отображены или напечатаны) в виде текста, фактически объединяя их маленькие растры в растры для страницы.
Подробно, каждая строка (горизонтальный кадр или HFrame) состоит из:
Подъезды и связанное с ними гашение должны обеспечить время спада и время установления для перемещения луча обратно влево (напряжение должно уменьшиться), а звон должен затихнуть. Вертикальный кадр (VFrame) состоит из точно таких же компонентов, но происходит только один раз на кадр изображения, и время значительно больше. Детали этих интервалов называются синхронизацией видео. См. Раскрытые детали синхронизации видео для их диаграммы. Они в основном не видны конечным пользователям, но были видны в случае XFree86 Modelines , где пользователи XFree86 могли (и иногда должны были) вручную настраивать эти синхронизации, в частности, для достижения определенных разрешений или частот обновления .
Растровое сканирование на ЭЛТ создает как впечатление устойчивого изображения из одной точки сканирования (только одна точка рисуется за раз), так и через несколько технических и психологических процессов. Затем эти изображения создают впечатление движения в значительной степени так же, как и пленка — достаточно высокая частота кадров неподвижных изображений создает впечатление движения — хотя растровое сканирование отличается в нескольких отношениях, особенно чересстрочной разверткой.
Во-первых, из-за стойкости фосфора , даже если за раз рисуется только один «пиксель» (вспомним, что на аналоговом дисплее «пиксель» плохо определен, так как нет фиксированных горизонтальных делений; скорее, есть «летящее пятно»), к тому времени, когда весь экран будет закрашен, начальный пиксель все еще относительно освещен. Его яркость немного упадет, что может вызвать ощущение мерцания . Это одна из причин использования чересстрочной развертки — поскольку в одном поле транслируемого видео рисуется только каждая вторая строка, яркие новые нарисованные строки, перемежающиеся с несколько тусклыми старыми нарисованными строками, создают относительно более равномерное освещение.
Во-вторых, благодаря инертности зрения , просматриваемое изображение сохраняется на сетчатке на мгновение и воспринимается как относительно устойчивое. Благодаря соответствующему порогу слияния мерцаний эти пульсирующие пиксели кажутся устойчивыми.
Эти воспринимаемо устойчивые неподвижные изображения затем собираются вместе, чтобы создать движущееся изображение, похожее на кинопроектор . Однако следует иметь в виду, что в кинопроекторах полное изображение проецируется сразу (не в растровой развертке), без чересстрочной развертки, на основе частоты кадров 24 кадра в секунду. Напротив, растровое сканированное чересстрочное видео создает изображение 50 или 60 полей в секунду (поле - это каждая вторая строка, что соответствует частоте кадров 25 или 30 кадров в секунду), причем каждое поле рисуется по пикселю за раз, а не все изображение сразу. Оба они создают видео, но дают несколько разные восприятия или "ощущения" [ необходима цитата ] .
В ЭЛТ-дисплее, когда электронные лучи не гасятся, горизонтальная отклоняющая составляющая магнитного поля, создаваемая отклоняющим ярмом, заставляет лучи сканировать «вперед» слева направо с постоянной скоростью. Данные для последовательных пикселей поступают (с тактовой частотой пикселей) на цифро-аналоговые преобразователи для каждого из трех основных цветов (однако для современных плоских дисплеев данные пикселей остаются цифровыми). По мере рисования линии сканирования на правом краю дисплея все лучи гасятся, но магнитное поле продолжает увеличиваться по величине в течение короткого времени после гашения.
Чтобы прояснить возможную путаницу: ссылаясь на поля магнитного отклонения, если бы их не было, все лучи попадали бы на экран около центра. Чем дальше от центра, тем большая сила поля необходима. Поля одной полярности перемещают луч вверх и влево, а поля противоположной полярности перемещают его вниз и вправо. В некоторой точке около центра поле магнитного отклонения равно нулю. Поэтому сканирование начинается по мере уменьшения поля. На полпути оно проходит через ноль и плавно увеличивается снова, завершая сканирование.
После того, как на экране создана одна строка и лучи гаснут, магнитное поле достигает своего расчетного максимума. Относительно времени, необходимого для прямого сканирования, оно затем относительно быстро возвращается к тому, что требуется для позиционирования луча за левым краем видимой (негашенной) области. Этот процесс происходит со всеми гашенными лучами и называется обратным ходом. На левом крае поле неуклонно уменьшается по величине, чтобы начать еще одно прямое сканирование, и вскоре после начала лучи гаснут, чтобы начать новую видимую линию сканирования.
Аналогичный процесс происходит для вертикальной развертки, но с частотой обновления дисплея (обычно от 50 до 75 Гц). Полное поле начинается с полярности, которая поместила бы лучи за верхнюю часть видимой области, с вертикальным компонентом поля отклонения на максимуме. После нескольких десятков горизонтальных сканирований (но с гашением лучей) вертикальный компонент негашения, в сочетании с горизонтальным негашением, позволяет лучам показывать первую строку сканирования. После того, как последняя строка сканирования записана, вертикальный компонент магнитного поля продолжает увеличиваться на эквивалент нескольких процентов от общей высоты, прежде чем произойдет вертикальный обратный ход. Вертикальный обратный ход сравнительно медленный, происходящий в течение промежутка времени, необходимого для нескольких десятков горизонтальных сканирований. В аналоговых телевизорах с ЭЛТ установка яркости на максимум обычно делала вертикальный обратный ход видимым в виде зигзагообразных линий на изображении.
В аналоговом телевидении изначально было слишком дорого создавать простую последовательную растровую развертку только что описанного типа с достаточно высокой частотой обновления и достаточным горизонтальным разрешением, хотя французская 819-строчная система имела лучшую четкость, чем другие стандарты своего времени. Для получения изображения без мерцания аналоговое телевидение использовало вариант схемы в кинопроекторах, в которых каждый кадр фильма демонстрируется дважды или трижды. Для этого затвор закрывается и снова открывается, чтобы увеличить частоту мерцания, но не скорость обновления данных.
Чтобы уменьшить мерцание, аналоговые ЭЛТ-телевизоры записывают только нечетные строки развертки на первой вертикальной развертке; затем следуют четные строки, размещенные («чересстрочные») между нечетными строками. Это называется чересстрочной разверткой . (В этом случае позиционирование четных строк требует точного управления положением; в старых аналоговых телевизорах обрезка регулировки вертикальной развертки заставляла строки развертки располагаться правильно. Если немного не отрегулировать, строки развертки будут отображаться парами с пробелами между ними.) Современные дисплеи телевизоров высокой четкости используют форматы данных, такие как прогрессивная развертка в компьютерных мониторах (например, «1080p», 1080 строк, прогрессивная) или чересстрочная развертка (например, «1080i»).
Растровые сканы использовались в радарах управления огнем (военно-морских орудий), хотя они обычно представляли собой узкие прямоугольники. Они использовались парами (для пеленга и для угла места). На каждом дисплее одна ось была угловым смещением от линии визирования, а другая — дальностью. Возвраты радаров делали видео ярче. Поисковые и метеорологические радары имеют круговой дисплей ( индикатор положения плана , PPI), который охватывает круглый экран, но технически это не растр. Аналоговые PPI имеют развертки, которые движутся наружу от центра, а угол развертки соответствует вращению антенны, вверху — север или носу корабля.
Использование растрового сканирования в телевидении было предложено в 1880 году французским инженером Морисом Лебланом . [1] Концепция растрового сканирования была заложена в оригинальном патенте на механический дисковый сканирующий телевизор Пауля Нипкова в 1884 году. Термин «растр» использовался для обозначения полутонового печатного трафарета еще в 1894 году. [2] Подобная терминология использовалась в немецком языке по крайней мере с 1897 года; Эдер [3] пишет о «die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie» (производство растровых негативов для полутонов). Макс Дикман и Густав Глаге были первыми, кто создал реальные растровые изображения на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ); они запатентовали свои методы в Германии в 1906 году. [4] Не было установлено, использовали ли они слово «растр» в своем патенте или других работах.
Раннее использование термина «растр» в отношении сканирования изображения с помощью вращающегося барабана можно найти в книге Артура Корна 1907 года, в которой говорится (на немецком языке): [5] «...als Rasterbild auf Metall in solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne metallisch rein sind, oder umgekehrt» (...как растровое изображение, нанесенное на металл таким образом, что яркие тона являются металлически чистыми, и наоборот). Корн применял терминологию и методы полутоновой печати, где «Rasterbild» представлял собой полутоновую растрированную печатную форму. Были и другие связанные со сканированием использования термина «Raster» немецкими авторами Эйххорном в 1926 году: [6] «die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern» и «Die Bildpunkte des Rasterbildes» («тон элементов изображения этого растрового изображения» и «точки изображения растрового изображения»); и Шретер в 1932 году: [7] «Rasterelementen», «Rasterzahl» и «Zellenraster» («растровые элементы», «подсчет растров» и «растр ячеек»).
Первое использование растра специально для телевизионного сканирования часто приписывают барону Манфреду фон Арденну, который написал в 1933 году: [8] «In einem Vortrag im Januar 1930 konnte durch Vorführungen nachgewiesen werden, daß die Braunsche Röhre hinsichtlich Punktschärfe und Punkthelligkeit zur Herstellung» eines präzisen, lichtstarken Rasters Laboratoriumsmäßig durchgebildet war» (В лекции в январе 1930 года путем демонстрации было доказано, 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 . [9] Математическая теория сканирования изображений была подробно разработана с использованием методов преобразования Фурье в классической статье Мерца и Грея из Bell Labs в 1934 году. [10]
