Rastrové skenování - Raster scan

Ukázka zobrazení rastrového skenování; viditelné mezery mezi vodorovnými řádky rozdělí každý znak

Rastrovým nebo rastrové skenování , je pravoúhlý vzor snímání a rekonstrukci v televizi. Analogicky se tento termín používá pro rastrovou grafiku , vzor ukládání a přenosu obrazu používaný ve většině počítačových bitmapových obrazových systémů. Slovo rastr pochází z latinského slova rastrum (hrábě), které je odvozeno od radere (škrábat); viz také rastrum , nástroj pro kreslení linií hudebního personálu . Vzor, který zanechali řádky hrábě, je-li nakreslen rovně, připomíná rovnoběžné čáry rastru: toto skenování řádek po řádku vytváří rastr. Jedná se o systematický proces postupného pokrytí oblasti po jedné linii. I když je to často mnohem rychlejší, je to v nejobecnějším smyslu podobné tomu, jak cestuje pohled člověka, když člověk čte řádky textu. Data, která mají být vykreslena, jsou uložena v oblasti paměti zvané obnovovací vyrovnávací paměť nebo vyrovnávací paměť rámce . Tato oblast paměti obsahuje hodnoty pro každý pixel na obrazovce. Tyto hodnoty jsou načteny z obnovovací vyrovnávací paměti a malovány na obrazovku jeden řádek po druhém.

Popis

Skenování řádků

V rastrovém skenování je obraz rozdělen na sekvenci (obvykle vodorovných) proužků známých jako „ řádky skenování “. Každá skenovací linka může být vysílána ve formě analogového signálu, jak je čtena ze zdroje videa, jako v televizních systémech, nebo může být dále rozdělena na jednotlivé pixely pro zpracování v počítačovém systému. Toto uspořádání pixelů po řádcích je známé jako rastrový řád nebo rastrový řád skenování. Analogová televize má diskrétní rozkladové řádky (diskrétní vertikální rozlišení), ale ne mít jednotlivé pixely (horizontální rozlišení) - místo toho se mění signál nepřetržitě přes čtecí linky. I když je tedy počet řádků skenování (vertikální rozlišení) jednoznačně definován, horizontální rozlišení je více přibližné podle toho, jak rychle se signál může v průběhu řádku skenování změnit.

Skenovací vzor

Poloha paprsku (zametá) sleduje zhruba vlnu pilovitého zubu .

V rastrovém skenování paprsek rovnoměrně horizontálně zleva doprava zametá, poté se zatmí a rychle se pohybuje zpět doleva, kde se znovu zapne a zametá další řádek. Během této doby se také svislá poloha neustále zvyšuje (dolů), ale mnohem pomaleji - na jeden rámeček obrázku je jeden svislý pohyb, ale na řádek rozlišení jeden vodorovný pohyb. Každá řádka skenování je tedy skloněna mírně „z kopce“ (směrem doprava dole), se sklonem přibližně –1 / horizontálního rozlišení, zatímco tažení zpět doleva (zpětné sledování) je podstatně rychlejší než skenování vpřed a je v zásadě horizontální. Výsledný náklon řádků skenování je velmi malý a ve skutečnosti je zakrnělý konvexitou obrazovky a dalšími skromnými geometrickými nedokonalostmi.

Je mylná představa, že jakmile je čtecí linka je kompletní, CRT displej v podstatě náhle skočí interně, obdobně jako s psacím strojem, nebo se jedná o předběžnou papíru nebo tiskárny linky krmiv , před vytvořením další řádek skenování. Jak již bylo uvedeno výše, nedochází to přesně: vertikální tažení pokračuje rovnoměrnou rychlostí nad řádkem skenování a vytváří malý náklon. Steady-rate sweep se provádí, místo schodiště postupujícího v každé řadě, protože kroky je těžké technicky implementovat, zatímco ustálená rychlost je mnohem jednodušší. Výsledný náklon je u většiny CRT kompenzován úpravami náklonu a rovnoběžníku, které způsobují malé vertikální vychýlení, když paprsek přejíždí po obrazovce. Při správném nastavení tato výchylka přesně zruší sestupný sklon řádků skenování. Horizontální stopa zase plynule klesá po odstranění vychýlení naklonění; na žádném konci vysledování není skok. Podrobně se skenování CRT provádí magnetickou výchylkou, změnou proudu v cívkách vychylovacího třmenu . Rychlá změna výchylky (skok) vyžaduje, aby na třmen byl aplikován napěťový hrot a výchylka může reagovat pouze tak rychle, jak to indukčnost a velikost hrotu dovolí. Elektronicky je indukčnost vertikálních vinutí vychylovacího třmenu relativně vysoká, a proto se proud ve třmenu, a tedy vertikální část magnetického vychylovacího pole, může měnit jen pomalu.

Ve skutečnosti dochází k hrotům, a to jak horizontálně, tak vertikálně, a odpovídající horizontální interval zatemnění a interval vertikálního potlačení dávají vychylovacím proudům usazovací čas k vysledování a usazení na jejich novou hodnotu. K tomu dochází během intervalu zaslepení.

V elektronice se tyto (obvykle ustálené) pohyby paprsku [s] nazývají „zatáčky“ a obvody, které vytvářejí proudy pro vychylovací třmen (nebo napětí pro horizontální vychylovací desky v osciloskopu), se nazývají zametání obvodů. Ty vytvářejí vlnu pilovitých zubů : stálý pohyb po obrazovce, potom obvykle rychlý pohyb zpět na druhou stranu a podobně pro vertikální zatáčku.

Dále CRT se širokým úhlem vychýlení potřebují horizontální zatáčky s proudem, který se mění proporcionálně rychleji směrem ke středu, protože střed obrazovky je blíže k vychylovacímu třmenu než okraje. Lineární změna proudu by úhlově houpala paprsky konstantní rychlostí; to by způsobilo vodorovnou kompresi směrem ke středu.

Tiskárny

Počítačové tiskárny vytvářejí své obrazy v zásadě rastrovým skenováním. Laserové tiskárny používají rotující polygonální zrcadlo (nebo optický ekvivalent) ke skenování přes fotocitlivý válec a pohyb papíru poskytuje druhou osu skenování. Vzhledem k typickému rozlišení tiskárny je „downhill“ efekt nepatrný. Inkoustové tiskárny mají ve svých tiskových hlavách více trysek, takže se mnoho (desítek až stovek) „řádků skenování“ zapisuje společně a postup papíru se připravuje na další dávku řádků skenování. Transformace vektorových dat do formy požadované displejem nebo tiskárnou vyžaduje procesor Raster Image (RIP).

Písma

Počítačový text je většinou vytvářen ze souborů písem, které popisují obrysy každého tisknutelného znaku nebo symbolu (glyf). (Menšina jsou „bitové mapy“.) Tyto obrysy musí být převedeny na skutečně malé rastry, jeden na znak, než budou vykresleny (zobrazeny nebo vytištěny) jako text, čímž se jejich malé rastry sloučí do toho pro stránku.

Načasování videa

Podrobně každá čára (vodorovný rám nebo HFrame) sestává z:

scanline, když je paprsek odkrytý a pohybuje se stabilně doprava
přední verandu , když je paprsek zatemněn, a pohybuje se stabilně doprava
synchronizační pulz , když je paprsek zatemněn, a pohybuje se rychle zpět doleva
zadní verandu , když je paprsek zatemněn, a znovu se stabilně pohybuje doprava.

Verandy a související zatemnění mají zajistit čas pádu a čas usazení paprsku, aby se pohyboval zpět doleva (napětí se snížilo) a zvonění zemřelo. Svislý rámeček (VFrame) se skládá z přesně stejných komponent, ale vyskytuje se pouze jednou za rámeček obrázku a časy jsou podstatně delší. Podrobnosti o těchto intervalech se nazývají časování videa. Jejich diagram najdete v podrobnostech časování videa . Většinou nejsou viditelné pro koncové uživatele, ale byly viditelné v případě XFree86 Modelines , kde uživatelé XFree86 mohli (a někdy potřebovali) ručně upravit tato časování, zejména k dosažení určitých rozlišení nebo obnovovacích frekvencí .

Vnímání

Rastrové skenování na CRT vytváří dojem stabilního obrazu z jednoho skenovacího bodu (kreslí se pouze jeden bod najednou) prostřednictvím několika technických a psychologických procesů. Tyto obrázky pak vytvářejí dojem pohybu převážně stejným způsobem jako film - dostatečně vysoká snímková frekvence statických obrázků poskytuje dojem pohybu - i když rastrové skeny se v několika ohledech liší, zejména prokládáním.

Za prvé, kvůli fosforové perzistenci , i když je současně vykreslen pouze jeden „pixel“ (připomeňme, že na analogovém displeji je „pixel“ špatně definován, protože neexistují žádná pevná horizontální rozdělení; spíše existuje „ „létající bod“), v době, kdy je celá obrazovka vymalována, je počáteční pixel stále relativně osvětlený. Jeho jas některé poklesl, což může způsobit vnímání blikání . To je jeden z důvodů pro použití prokládání - protože v každém poli vysílaného videa je nakreslena pouze každá druhá čára, světlé nově nakreslené čáry prokládané poněkud tlumenými staršími nakreslenými čarami vytvářejí relativně rovnoměrnější osvětlení.

Zadruhé, vytrvalostí vidění , sledovaný obraz na chvíli přetrvává na sítnici a je vnímán jako relativně stabilní. Podle související prahové hodnoty flikru fúze se tyto pulzující pixely zdají stabilní.

Tyto percepčně stabilní statické obrazy se poté spojí dohromady a vytvoří se pohyblivý obraz podobný filmovému projektoru . Je však třeba mít na paměti, že ve filmových projektorech se celý obraz promítá najednou (nikoli v rastrovém skenování), neprokládaně, na základě snímkové frekvence 24 snímků za sekundu. Naproti tomu rastrové skenované prokládané video vytváří obraz 50 nebo 60 polí za sekundu (pole je každý druhý řádek, což odpovídá snímkové frekvenci 25 nebo 30 snímků za sekundu), přičemž každé pole je vykresleno pixel po druhém , spíše než celý obrázek najednou. Oba vytvářejí video, ale přinášejí poněkud odlišné vnímání nebo „pocit“.

Teorie a historie

Na displeji katodové trubice (CRT), když jsou elektronové paprsky neomezené, horizontální vychylovací složka magnetického pole vytvořená vychylovacím třmenem způsobí, že paprsky skenují "dopředu" zleva doprava konstantní rychlostí. Data pro po sobě jdoucí pixely přecházejí (při rychlosti taktování pixelů) do digitálně-analogových převaděčů pro každou ze tří primárních barev. (U moderních plochých displejů však pixelová data zůstávají digitální.) Při vykreslování skenovací čáry jsou na pravém okraji displeje všechny paprsky prázdné, ale magnetické pole se na chvíli stále zvětšuje po zaslepení.

Chcete-li odstranit možnou nejasnost: Pokud bychom se zmínili o magnetických vychylovacích polích, pokud by žádná neexistovala, všechny paprsky by zasáhly obrazovku poblíž středu. Čím dále od středu, tím větší je potřeba síly pole. Pole s jednou polaritou pohybují paprskem nahoru a doleva a pole s opačnou polaritou pohybují dolů a doprava. V určitém bodě blízko středu je magnetické vychylovací pole nulové. Proto skenování začíná, jak se pole zmenšuje. Uprostřed prochází nulou a plynule se znovu zvyšuje, aby dokončil skenování.

Poté, co byl na obrazovce vytvořen jeden řádek a paprsky jsou prázdné, magnetické pole dosáhne svého navrženého maxima. Ve srovnání s časem potřebným pro skenování vpřed se pak relativně rychle změní zpět na to, co je nutné k umístění paprsku za levý okraj viditelné (neomezené) oblasti. K tomuto procesu dochází, když jsou všechny paprsky prázdné, a nazývá se vysledování. U levého okraje pole ustavičně klesá, aby zahájilo další dopředné skenování, a brzy po startu se paprsky odblokovaly a zahájily novou viditelnou skenovací linii.

Podobný proces nastává u vertikálního skenování, ale při obnovovací frekvenci displeje (obvykle 50 až 75 Hz). Kompletní pole začíná polaritou, která by umisťovala paprsky za horní část viditelné oblasti, maximálně s vertikální složkou vychylovacího pole. Po několika desítkách horizontálních skenů (ale s nevyplněnými paprsky) umožňuje svislá složka nebloku v kombinaci s horizontálním nebokem paprskům zobrazit první řádek skenování. Jakmile je zapsán poslední řádek skenování, vertikální složka magnetického pole se nadále zvyšuje o ekvivalent několika procent celkové výšky, než dojde k vertikálnímu vysledování. Vertikální vysledování je poměrně pomalé a dochází k němu v časovém rozpětí potřebném pro několik desítek horizontálních skenů. U analogových televizorů CRT nastavení jasu na maximum obvykle zviditelnilo vertikální vysledování jako klikaté čáry na obrázku.

V analogové televizi bylo původně příliš nákladné vytvořit jednoduchý sekvenční rastrový sken právě popsaného typu s dostatečně rychlou obnovovací frekvencí a dostatečným horizontálním rozlišením, ačkoli francouzský 819řádkový systém měl lepší definici než jiné standardy své doby. Aby bylo možné získat zobrazení bez blikání, použila analogová televize variantu schématu u filmových projektorů s pohyblivým obrazem, ve kterých je každý snímek filmu zobrazen dvakrát nebo třikrát. K tomu se závěrka zavře a znovu otevře, aby se zvýšila rychlost blikání, ale ne rychlost aktualizace dat.

Prokládané skenování

Aby se snížilo blikání , analogové televizory CRT zapisují pouze liché řádky skenování na první vertikální skenování; potom následují sudé řádky, umístěné („prokládané“) mezi lichými řádky. Tomu se říká prokládané skenování . (V takovém případě umístění sudých řádků vyžaduje přesnou kontrolu polohy; u starých analogových televizorů oříznutím úpravy Vertical Hold bylo řádkové skenování řádkové. Pokud by došlo k nesprávnému nastavení, řádky skenování by se objevily v párech, s mezerami mezi nimi.) Moderní televizní displeje s vysokým rozlišením používají datové formáty, jako je progresivní skenování na počítačových monitorech (například „1080p“, 1080 řádků, progresivní), nebo prokládané (například „1080i“).

Radar

Rastrové skeny byly použity v (námořní zbraň) radaru řízení palby, ačkoli oni byli obvykle úzké obdélníky. Byly použity ve dvojicích (pro nesení a pro zvedání). Na každém displeji byla jedna osa úhlově odsazena od zorného pole a druhá byla v rozsahu. Radar se vrací rozjasnil video. Radary pro vyhledávání a počasí mají kruhový displej ( Plan Position Indicator , PPI), který pokrývá kulatou obrazovku, ale technicky to není rastr. Analogové PPI mají zametání, která se pohybují směrem ven od středu, a úhel zametání odpovídá rotaci antény, nahoru na sever nebo na příď lodi.

Televize

Použití rastrového skenování v televizi navrhl v roce 1880 francouzský inženýr Maurice Leblanc . Koncept rastrového skenování byl obsažen v původním televizním patentu na mechanické skenování disků od Paula Nipkowa z roku 1884. Termín rastr byl použit pro vzor polotónového tisku obrazovky již v roce 1894. Podobná terminologie byla používána v němčině přinejmenším od roku 1897; Eder píše o „die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie“ (výroba rastrových negativů pro polotóny). Max Dieckmann a Gustav Glage byli první, kdo produkovali skutečné rastrové obrázky na katodové trubici (CRT); patentovali své techniky v Německu v roce 1906. Nebylo stanoveno, zda ve svém patentu nebo jiných spisech použili slovo rastr .

Časné použití termínu rastr, pokud jde o skenování obrazu pomocí rotujícího bubnu, je kniha Arthura Korna z roku 1907, která (v němčině) říká: „... jako Rasterbild auf Metall v solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne metallisch rein sind, oder umgekehrt "(... jako rastrový obrázek vyložený na kovu tak, že světlé tóny jsou metalicky čisté a naopak). Korn aplikoval terminologii a techniky polotónového tisku, kde „Rasterbild“ byla polotónová sítotisková deska. V roce 1926 existovalo více rastrově relevantních použití Raster od německých autorů Eichhorna: „die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern“ a „Die Bildpunkte des Rasterbildes“ („tón obrazových prvků tohoto rastrového obrazu“ a „obrazové body rastrového obrázku "); a Schröter v roce 1932: „Rasterelementen“, „Rasterzahl“ a „Zellenraster“ („rastrové prvky“, „počet rastrů“ a „buněčný rastr“).

První použití rastru konkrétně pro vzor televizního skenování se často připisuje baronovi Manfredovi von Ardenne, který napsal v roce 1933: „In einem Vortrag im Januar 1930 lichtstarken Rasters laboratoriumsmäßig durchgebildet war “(Na přednášce v lednu 1930 bylo prokázáno demonstracemi, že Braunova trubice byla prototypována v laboratoři s ostrostí bodu a jasem bodu pro výrobu přesného, jasného rastru). Raster byl přijat do anglické televizní literatury přinejmenším do roku 1936, v názvu článku v Elektrikáři . Matematická teorie skenování obrazu byla podrobně vyvinuta pomocí technik Fourierovy transformace v klasickém článku Mertze a Graye z Bell Labs v roce 1934.

CRT komponenty

Elektronická zbraň: -
1. Primární zbraň: slouží k uložení obrazového vzoru.
2. Protipovodňová pistole: slouží k udržení zobrazení obrazu.
3. Obrazovka potažená fosforem: potažená krystaly fosforu („fosfory“), které emitují světlo, když na ně dopadne elektronový paprsek.
4. Zaostřovací systém: zaostřovací systém způsobí, že elektronový paprsek konverguje do malého bodu, když narazí na fosforovou obrazovku.
5. Vychylovací systém: používá se ke změně směru elektronového paprsku, aby bylo možné provést úder na různá místa na fosforové cloně.

Languages

In other projects