Растровое сканирование - Raster scan

Образец отображения растрового изображения; видимые промежутки между горизонтальными линиями развертки разделяют каждый символ

Растрового сканирования или растрового сканирования , является прямоугольная картина захвата изображения и восстановления в телевидении. По аналогии, этот термин используется для растровой графики , схемы хранения и передачи изображения, используемой в большинстве компьютерных систем растровых изображений. Слово « растр» происходит от латинского слова rastrum (грабли), которое происходит от radere (очищать); см. также раструм , инструмент для рисования линий музыкального посоха . Узор, оставленный линиями граблей, если их нарисовать прямо, напоминает параллельные линии растра: это построчное сканирование и есть то, что создает растр. Это систематический процесс постепенного покрытия площади, по одной строке за раз. Хотя часто намного быстрее, это похоже на то, как перемещается взгляд, когда человек читает строки текста. Данные, которые нужно нарисовать, хранятся в области памяти, называемой буфером обновления или буфером кадра . Эта область памяти содержит значения для каждого пикселя на экране. Эти значения извлекаются из буфера обновления и выводятся на экран по одной строке за раз.

Описание

Линии сканирования

При растровом сканировании изображение подразделяется на последовательность (обычно горизонтальных) полос, известных как « линии сканирования ». Каждая строка развертки может быть передана в виде аналогового сигнала, когда она считывается с видеоисточника, как в телевизионных системах, или может быть дополнительно разделена на дискретные пиксели для обработки в компьютерной системе. Такой порядок пикселей по строкам известен как порядок растра или порядок сканирования растра. Аналоговое телевидение имеет дискретные линии 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) однозначно определено, разрешение по горизонтали является более приблизительным, в зависимости от того, насколько быстро сигнал может изменяться в ходе строки развертки.

Шаблон сканирования

Положение луча (развертки) примерно соответствует пилообразной волне .

При растровом сканировании луч перемещается по горизонтали слева направо с постоянной скоростью, затем пропускает и быстро перемещается обратно влево, где он снова включается и сметает следующую строку. В это время положение по вертикали также неуклонно увеличивается (вниз), но гораздо медленнее - на каждый кадр изображения приходится один проход по вертикали, но по одной развертке по горизонтали на строку разрешения. Таким образом, каждая линия сканирования имеет небольшой наклон «вниз» (в сторону правого нижнего угла) с крутизной приблизительно –1 / разрешение по горизонтали, в то время как развертка назад влево (обратный ход) значительно быстрее, чем прямое сканирование, и по существу горизонтально. Результирующий наклон линий сканирования очень мал, и на самом деле он затмевается выпуклостью экрана и другими незначительными геометрическими дефектами.

Существует заблуждение, что после завершения строки сканирования ЭЛТ- дисплей, по сути, внезапно перескакивает внутри, по аналогии с подачей бумаги в пишущей машинке или принтере или с подачей строки , прежде чем будет создана следующая строка сканирования. Как обсуждалось выше, этого не происходит в точности: вертикальная развертка продолжается с постоянной скоростью по линии сканирования, создавая небольшой наклон. Выполняется развертка с постоянной скоростью вместо ступенчатого продвижения каждого ряда, потому что шаги сложно реализовать технически, а с постоянной скоростью намного проще. Результирующий наклон компенсируется в большинстве ЭЛТ регулировками наклона и параллелограмма, которые приводят к небольшому вертикальному отклонению при прохождении луча по экрану. При правильной настройке это отклонение в точности компенсирует нисходящий наклон линий развертки. Горизонтальный откат, в свою очередь, плавно наклоняется вниз по мере устранения отклонения наклона; нет никакого скачка ни на одном конце ретрейса. В частности, сканирование ЭЛТ выполняется с помощью магнитного отклонения, путем изменения тока в катушках отклоняющего ярма . Для быстрого изменения отклонения (скачка) требуется, чтобы на ярмо был приложен скачок напряжения, и отклонение может реагировать только настолько быстро, насколько позволяют индуктивность и величина скачка. С точки зрения электроники индуктивность вертикальных обмоток отклоняющего ярма относительно высока, поэтому ток в ярме и, следовательно, вертикальная часть отклоняющего магнитного поля может изменяться только медленно.

Фактически, всплески действительно возникают как по горизонтали, так и по вертикали, и соответствующий интервал гашения по горизонтали и интервал гашения по вертикали дает токам отклонения время установления времени для восстановления и установления их нового значения. Это происходит во время интервала гашения.

В электронике эти (обычно с постоянной скоростью) движения луча (ов) называются "развертками", а цепи, которые создают токи для отклоняющей ярма (или напряжения для горизонтальных отклоняющих пластин в осциллографе), называются "разверткой". схемы. Они создают пилообразную волну : устойчивое движение по экрану, затем обычно быстрое возвращение на другую сторону, а также вертикальное движение.

Кроме того, ЭЛТ с широким углом отклонения нуждаются в горизонтальной развертке с током, который изменяется пропорционально быстрее по направлению к центру, потому что центр экрана находится ближе к отклоняющему стержню, чем края. Линейное изменение тока приведет к повороту лучей с постоянной скоростью по углу; это вызовет горизонтальное сжатие к центру.

Принтеры

Компьютерные принтеры создают свои 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 продвижение бумаги готовится к следующему пакету строк сканирования. Для преобразования векторных данных в форму, требуемую дисплеем или принтером, требуется процессор растровых изображений (RIP).

Шрифты

Компьютерный текст в основном создается из файлов шрифтов, которые описывают очертания каждого печатаемого символа или символа (глифа). (Меньшая часть - это «битовые карты».) Эти контуры должны быть преобразованы в то, что фактически является маленькими растрами, по одному на символ, перед визуализацией (отображением или печатью) в виде текста, фактически объединяя их маленькие растры в растры для страницы.

Время видео

Подробно каждая строка (горизонтальный кадр или HFrame) состоит из:

линия сканирования, когда луч не заглушен и постоянно движется вправо
крыльцо , когда балка заглушена и устойчиво движется вправо
синхронизирующий импульс , когда луч гаснет и быстро возвращается влево
заднее крыльцо , когда балка гаснет, и снова уверенно движется вправо.

Крышки и связанное с ними гашение должны обеспечивать время спада и время установления для луча, чтобы переместиться обратно влево (напряжение уменьшилось) и чтобы звон затухал. Вертикальный кадр (VFrame) состоит из точно таких же компонентов, но встречается только один раз для каждого кадра изображения, и это время значительно больше. Детали этих интервалов называются синхронизацией видео. См. Подробные сведения о времени видео, чтобы увидеть их диаграмму. В основном они не видны конечным пользователям, но были видны в случае XFree86 Modelines , где пользователи XFree86 могли (а иногда и требовалось) вручную настраивать эти тайминги, особенно для достижения определенных разрешений или частоты обновления .

Восприятие

Растровое сканирование на ЭЛТ создает впечатление устойчивого изображения из одной точки сканирования (одновременно рисуется только одна точка) с помощью нескольких технических и психологических процессов. Эти изображения затем производят впечатление движения во многом так же, как и пленка - достаточно высокая частота кадров неподвижных изображений дает впечатление движения - хотя растровые изображения различаются в некоторых отношениях, особенно в чересстрочной развертке.

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

Во-вторых, благодаря постоянству зрения , наблюдаемое изображение на мгновение сохраняется на сетчатке глаза и воспринимается как относительно устойчивое. По соответствующему порогу слияния мерцания эти пульсирующие пиксели выглядят устойчивыми.

Затем эти устойчивые к восприятию неподвижные изображения собираются вместе для создания движущегося изображения, похожего на кинопроектор . Однако следует иметь в виду, что в кинопроекторах полное изображение проецируется сразу (не при растровой развертке) без чересстрочной развертки с частотой кадров 24 кадра в секунду. Напротив, чересстрочное видео с растровой разверткой 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 разное восприятие или "ощущения".

Теория и история

В дисплеях с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), когда пучки электронов не заглушены, компонент горизонтального отклонения магнитного поля, создаваемый отклоняющим стержнем, 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.) По мере рисования 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 отклоняющих полей, если бы их не было, все лучи попадали бы на экран около центра. Чем дальше от центра, тем больше требуется напряженность поля. Поля одной полярности перемещают луч вверх и влево, а поля противоположной полярности - вниз и вправо. В некоторой точке около центра отклоняющее магнитное поле равно нулю. Таким образом, сканирование начинается по мере уменьшения поля. На полпути он проходит через ноль и снова плавно увеличивается, чтобы завершить сканирование.

После того, как на экране была создана одна линия и лучи погашены, магнитное поле достигает своего расчетного максимума. Относительно времени, необходимого для прямого сканирования, он затем относительно быстро возвращается к тому, что требуется для позиционирования луча за левым краем видимой (непрозрачной) области. Этот процесс происходит, когда все лучи заглушены, и называется обратным ходом. На левом краю поле неуклонно уменьшается по величине, чтобы начать новое сканирование вперед, и вскоре после начала лучи становятся пустыми, чтобы начать новую видимую строку сканирования.

Аналогичный процесс происходит при вертикальной развертке, но с частотой обновления дисплея (обычно от 50 до 75 Гц). Полное поле начинается с полярности, которая помещает лучи за пределы верхней части видимой области, с максимальной вертикальной составляющей поля отклонения. После нескольких десятков горизонтальных сканирований (но с погашенными лучами) вертикальная составляющая непустого изображения в сочетании с горизонтальным непустым сканированием позволяет лучам показать первую строку сканирования. После того, как последняя строка сканирования записана, вертикальная составляющая магнитного поля продолжает увеличиваться на несколько процентов от общей высоты до того, как произойдет обратный ход по вертикали. Вертикальный откат сравнительно медленный и происходит за время, необходимое для нескольких десятков горизонтальных сканирований. В аналоговых телевизорах с ЭЛТ установка максимальной яркости обычно делала вертикальный откат 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 быстрой частотой обновления и достаточным горизонтальным разрешением, хотя французская система с 819 строками имела лучшее разрешение, чем другие стандарты того времени. Для получения немерцающего изображения аналоговое телевидение использовало вариант схемы кинопроекторов с движущимся изображением, в котором каждый кадр фильма показывается дважды или трижды. Для этого затвор закрывается и снова открывается, чтобы увеличить частоту мерцания, но не скорость обновления данных.

Чересстрочная развертка

Чтобы уменьшить мерцание , аналоговые телевизоры с ЭЛТ записывают только нечетные строки развертки при первой развертке по вертикали; затем следуют строки с четными номерами, помещенные («чередующиеся») между строками с нечетными номерами. Это называется чересстрочной разверткой . (В этом случае позиционирование строк с четными номерами требует точного управления положением; в старых аналоговых телевизорах обрезка регулировки вертикальной фиксации приводила к правильному пространству строк развертки. При незначительной корректировке строки развертки будут отображаться парами с промежутками между ними.) Современные телевизионные дисплеи высокой четкости используют форматы данных, такие как прогрессивная развертка на компьютерных мониторах (например, «1080p», 1080 строк, прогрессивная развертка) или чересстрочная развертка (например, «1080i»).

Радар

Растровое сканирование использовалось в радарах управления огнем (военно-морская пушка), хотя обычно они представляли собой узкие прямоугольники. Их использовали попарно (по пеленгу и по высоте). На каждом дисплее одна ось была угловым смещением от линии визирования, а другая - дальности. Возвращение радара сделало видео ярче. Поисковые и погодные радары имеют круглый дисплей ( индикатор положения в плане , PPI), который покрывает круглый экран, но технически это не растр. Аналоговые ИЦП имеют развертки, которые движутся наружу от центра, а угол развертки соответствует повороту антенны, если вверх он находится на севере или в носовой части корабля.

Телевидение

Использование растрового сканирования на телевидении было предложено в 1880 году французским инженером Морисом Лебланом . Концепция растрового сканирования была заложена в оригинальном патенте Пола Нипкова на телевидении с механическим сканированием дисков в 1884 году. Термин « растр» использовался для полутоновой трафаретной печати еще в 1894 году. Подобная терминология использовалась в немецком языке по крайней мере с 1897 года; Эдер пишет о «die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie» (производство растровых негативов для полутонов). Макс Дикманн и Густав Гладж были первыми, кто произвел реальные растровые изображения на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ); они запатентовали свои методы в Германии в 1906 году. Не было определено, использовали ли они слово « растр» в своем патенте или других работах.

Одним из первых применений термина « растр» в отношении сканирования изображений с помощью вращающегося барабана является книга Артура Корна 1907 года, в которой говорится (на немецком языке): «... как Rasterbild auf Metall in solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne Metallisch Rein sind, oder umgekehrt "(... как растровое изображение, нанесенное на металл таким образом, чтобы яркие тона были металлически чистыми, и наоборот). Korn применял терминологию и методы полутоновой печати, где «Rasterbild» представлял собой печатную форму с полутоновым трафаретом. Немецкие авторы Эйххорн в 1926 году использовали растровые изображения в большей степени для сканирования : «die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern» и «Die Bildpunkte des Rasterbildes» («тон элементов изображения в этом растровом изображении» и «точки изображения» растрового изображения »); и Шретер в 1932 году: «Rasterelementen», «Rasterzahl» и «Zellenraster» («элементы растра», «количество растра» и «растр ячеек»).

Первое использование растра специально для шаблона телевизионного сканирования часто приписывают барону Манфреду фон Арденне, который в 1933 году написал: «In einem Vortrag im Januar 1930 konnte durch Vorführungen nachgewiesen werden, daß die Braunsche Röhre hinsichtlich Punktschärfezkeitung und Punktschärfezung lichtstarken Rasters labratoriumsmäßig durchgebildet war »(в лекции в январе 1930 года было доказано демонстрациями, что трубка Брауна была прототипирована в лаборатории с остротой и яркостью точки для получения точного яркого растра). Растр был принят в английскую телевизионную литературу по крайней мере к 1936 году в названии статьи в « Электрик» . Математическая теория сканирования изображений была подробно разработана с использованием методов преобразования Фурье в классической статье Мерца и Грея из Bell Labs в 1934 году.

Компоненты ЭЛТ

Электронный пистолет: -
1. Первичный пистолет: используется для хранения рисунка.
2. Пистолет для наводнения: используется для поддержания изображения на экране.
3. Экран с люминофорным покрытием: покрытый кристаллами фосфора («люминофором»), которые излучают свет, когда на них попадает электронный луч.
4. Система фокусировки: система фокусировки заставляет электронный луч сходиться в маленькое пятно, когда он попадает на люминофорный экран.
5. Система отклонения: используется для изменения направления электронного луча, чтобы он мог попадать в разные места на люминофорном экране.

Languages

In other projects