Un escaneo raster , o escaneo raster , es el patrón rectangular de captura y reconstrucción de imágenes en televisión. Por analogía, el término se utiliza para gráficos rasterizados , el patrón de almacenamiento y transmisión de imágenes utilizado en la mayoría de los sistemas de imágenes de mapa de bits de computadora . La palabra raster proviene del latín rastrum (un rastrillo), que se deriva de radere (raspar); véase también rastrum , un instrumento para dibujar líneas de pentagrama musical . El patrón que dejan las líneas de un rastrillo, cuando se dibujan en línea recta, se asemeja a las líneas paralelas de un raster: este escaneo línea por línea es lo que crea un raster. Es un proceso sistemático de cubrir el área progresivamente, una línea a la vez. Aunque a menudo es mucho más rápido, es similar en el sentido más general a cómo se desplaza la mirada cuando se leen líneas de texto.
En la mayoría de las tarjetas gráficas modernas , los datos que se van a dibujar se almacenan internamente en un área de la memoria semiconductora llamada búfer de cuadros . Esta área de memoria contiene los valores de cada píxel de la pantalla. Estos valores se recuperan del búfer de actualización y se dibujan en la pantalla una fila a la vez.
En un escaneo de trama, una imagen se subdivide en una secuencia de tiras (normalmente horizontales) conocidas como " líneas de escaneo ". Cada línea de escaneo puede transmitirse en forma de señal analógica a medida que se lee desde la fuente de vídeo, como en los sistemas de televisión, o puede dividirse en píxeles discretos para su procesamiento en un sistema informático. Esta ordenación de píxeles por filas se conoce como orden de trama u orden de escaneo de trama. La televisión analógica tiene líneas de escaneo discretas (resolución vertical discreta), pero no tiene píxeles discretos (resolución horizontal); en cambio, varía la señal de forma continua a lo largo de la línea de escaneo. Por tanto, mientras que el número de líneas de escaneo (resolución vertical) está definido de forma inequívoca, la resolución horizontal es más aproximada, según la rapidez con la que la señal puede cambiar a lo largo de la línea de escaneo.
En el escaneo de trama, el haz barre horizontalmente de izquierda a derecha a una velocidad constante, luego se queda en blanco y se mueve rápidamente de nuevo a la izquierda, donde se enciende de nuevo y barre la siguiente línea. Durante este tiempo, la posición vertical también aumenta de manera constante (hacia abajo), pero mucho más lentamente: hay un barrido vertical por fotograma de imagen, pero un barrido horizontal por línea de resolución. Por lo tanto, cada línea de escaneo está inclinada ligeramente "cuesta abajo" (hacia la parte inferior derecha), con una pendiente de aproximadamente -1/resolución horizontal, mientras que el barrido de vuelta a la izquierda (retroceso) es significativamente más rápido que el escaneo hacia adelante y esencialmente horizontal. La inclinación resultante en las líneas de escaneo es muy pequeña y se ve eclipsada en efecto por la convexidad de la pantalla y otras imperfecciones geométricas modestas.
Existe la idea errónea de que una vez que se completa una línea de escaneo, una pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT) en efecto salta de repente internamente, por analogía con el avance de papel o el avance de línea de una máquina de escribir o impresora , antes de crear la siguiente línea de escaneo. Como se mencionó anteriormente, esto no sucede exactamente: el barrido vertical continúa a una velocidad constante sobre una línea de escaneo, creando una pequeña inclinación. Se realiza un barrido a velocidad constante, en lugar de un paso a paso de avance en cada fila, porque los pasos son difíciles de implementar técnicamente, mientras que la velocidad constante es mucho más fácil. La inclinación resultante se compensa en la mayoría de los CRT con los ajustes de inclinación y paralelogramo, que imponen una pequeña desviación vertical a medida que el haz barre la pantalla. Cuando se ajusta correctamente, esta desviación cancela exactamente la pendiente descendente de las líneas de escaneo. El retroceso horizontal, a su vez, se inclina suavemente hacia abajo a medida que se elimina la desviación de inclinación; no hay salto en ninguno de los extremos del retroceso. En detalle, el escaneo de los CRT se realiza mediante deflexión magnética, al cambiar la corriente en las bobinas del yugo de deflexión . Cambiar rápidamente la deflexión (un salto) requiere que se aplique un pico de voltaje al yugo, y la deflexión solo puede reaccionar tan rápido como lo permitan la inductancia y la magnitud del pico. Electrónicamente, la inductancia de los devanados verticales del yugo de deflexión es relativamente alta y, por lo tanto, la corriente en el yugo, y por lo tanto la parte vertical del campo de deflexión magnética, solo puede cambiar lentamente.
De hecho, se producen picos , tanto horizontales como verticales, y el intervalo de supresión horizontal y vertical correspondientes dan a las corrientes de desviación tiempo para estabilizarse y volver a su nuevo valor. Esto sucede durante el intervalo de supresión.
En electrónica, estos movimientos (normalmente constantes) de los haces se denominan "barridos", y los circuitos que crean las corrientes para el yugo de deflexión (o los voltajes para las placas de deflexión horizontales en un osciloscopio) se denominan circuitos de barrido. Estos crean una onda de dientes de sierra : un movimiento constante a través de la pantalla, luego un movimiento típicamente rápido de regreso al otro lado, y lo mismo ocurre con el barrido vertical.
Además, los CRT con un ángulo de deflexión amplio necesitan barridos horizontales con corriente que cambia proporcionalmente más rápido hacia el centro, porque el centro de la pantalla está más cerca del yugo de deflexión que los bordes. Un cambio lineal en la corriente haría oscilar los haces a una velocidad angular constante; esto causaría una compresión horizontal hacia el centro.
Las impresoras de ordenador crean sus imágenes básicamente mediante escaneo de trama. Las impresoras láser utilizan un espejo poligonal giratorio (o un equivalente óptico) para escanear a través del tambor fotosensible, y el movimiento del papel proporciona el otro eje de escaneo. Teniendo en cuenta la resolución típica de la impresora, el efecto "cuesta abajo" es minúsculo. Las impresoras de inyección de tinta tienen múltiples boquillas en sus cabezales de impresión, por lo que se escriben juntas muchas (decenas a cientos) de "líneas de escaneo", y el avance del papel prepara el siguiente lote de líneas de escaneo. Para transformar los datos basados en vectores en el formato requerido por una pantalla o impresora, se necesita un procesador de imágenes rasterizadas (RIP).
El texto de computadora se crea principalmente a partir de archivos de fuentes que describen los contornos de cada carácter o símbolo imprimible (glifo). (Una minoría son "mapas de bits"). Estos contornos deben convertirse en lo que efectivamente son pequeños rásteres, uno por carácter, antes de ser representados (mostrado o impreso) como texto, en efecto fusionando sus pequeños rásteres con los de la página.
En detalle, cada línea (marco horizontal o HFrame) consta de:
Los porches y el borrado asociado sirven para proporcionar tiempo de caída y tiempo de asentamiento para que el haz se mueva de nuevo hacia la izquierda (para que el voltaje disminuya) y para que el zumbido se apague. El marco vertical (VFrame) consta exactamente de los mismos componentes, pero solo ocurre una vez por fotograma de imagen y los tiempos son considerablemente más largos. Los detalles de estos intervalos se denominan sincronización de vídeo. Consulte Detalles de sincronización de vídeo revelados para ver un diagrama de estos. En su mayoría, no son visibles para los usuarios finales, pero eran visibles en el caso de XFree86 Modelines , donde los usuarios de XFree86 podían (y a veces necesitaban) ajustar manualmente estos tiempos, en particular para lograr ciertas resoluciones o frecuencias de actualización .
El escaneo de trama en los CRT produce la impresión de una imagen estable a partir de un único punto de escaneo (solo se dibuja un punto a la vez) a través de varios procesos técnicos y psicológicos. Estas imágenes luego producen la impresión de movimiento de la misma manera que la película: una frecuencia de cuadros suficientemente alta de imágenes fijas produce la impresión de movimiento, aunque los escaneos de trama difieren en algunos aspectos, en particular el entrelazado.
En primer lugar, debido a la persistencia del fósforo , aunque solo se dibuje un "píxel" a la vez (recuerde que en una pantalla analógica, el "píxel" está mal definido, ya que no hay divisiones horizontales fijas; más bien, hay un "punto volante"), para cuando se ha pintado toda la pantalla, el píxel inicial todavía está relativamente iluminado. Su brillo habrá disminuido un poco, lo que puede causar una percepción de parpadeo . Esta es una de las razones para el uso del entrelazado : dado que solo se dibuja una de cada dos líneas en un solo campo de video transmitido, las líneas brillantes recién dibujadas entrelazadas con las líneas antiguas dibujadas algo atenuadas crean una iluminación relativamente más uniforme.
En segundo lugar, por persistencia de la visión , la imagen observada persiste durante un momento en la retina y se percibe como relativamente estable. Por el umbral de fusión de parpadeo relacionado , estos píxeles pulsantes parecen estables.
Estas imágenes fijas perceptualmente estables se juntan para producir una imagen en movimiento, similar a un proyector de películas . Sin embargo, hay que tener en cuenta que en los proyectores de películas, la imagen completa se proyecta de una vez (no en un escaneo rasterizado), sin entrelazar, en base a una velocidad de cuadros de 24 cuadros por segundo. Por el contrario, un video entrelazado escaneado rasterizado produce una imagen de 50 o 60 campos por segundo (un campo es cada dos líneas, lo que corresponde a una velocidad de cuadros de 25 o 30 cuadros por segundo), y cada campo se dibuja un píxel a la vez, en lugar de la imagen completa a la vez. Ambos producen un video, pero brindan percepciones o "sensaciones" algo diferentes [ cita requerida ] .
En una pantalla CRT, cuando los haces de electrones no están bloqueados, el componente de deflexión horizontal del campo magnético creado por el yugo de deflexión hace que los haces se desplacen "hacia adelante" de izquierda a derecha a una velocidad constante. Los datos de los píxeles consecutivos van (a la velocidad del reloj de píxeles) a los conversores de digital a analógico para cada uno de los tres colores primarios (sin embargo, en las pantallas planas modernas, los datos de los píxeles siguen siendo digitales). A medida que se dibuja la línea de escaneo, en el borde derecho de la pantalla, todos los haces se bloquean, pero el campo magnético continúa aumentando en magnitud durante un breve período después de la desactivación.
Para aclarar posibles confusiones: En referencia a los campos de deflexión magnética, si no hubiera ninguno, todos los rayos incidirían en la pantalla cerca del centro. Cuanto más lejos del centro, mayor será la intensidad del campo necesario. Los campos de una polaridad mueven el rayo hacia arriba y hacia la izquierda, y los de la polaridad opuesta lo mueven hacia abajo y hacia la derecha. En algún punto cerca del centro, el campo de deflexión magnética es cero. Por lo tanto, un escaneo comienza a medida que el campo disminuye. A mitad de camino, pasa por cero y aumenta suavemente de nuevo para completar el escaneo.
Después de que se ha creado una línea en la pantalla y se han suprimido los haces, el campo magnético alcanza su máximo diseñado. En relación con el tiempo necesario para un escaneo hacia adelante, luego cambia relativamente rápido a lo que se requiere para colocar el haz más allá del borde izquierdo del área visible (no suprimida). Este proceso ocurre con todos los haces suprimidos y se denomina retroceso. En el borde izquierdo, el campo disminuye de manera constante en magnitud para iniciar otro escaneo hacia adelante y, poco después del inicio, los haces se despejan para iniciar una nueva línea de escaneo visible.
Un proceso similar ocurre para el escaneo vertical, pero a la frecuencia de actualización de la pantalla (normalmente de 50 a 75 Hz). Un campo completo comienza con una polaridad que colocaría los haces más allá de la parte superior del área visible, con el componente vertical del campo de deflexión al máximo. Después de algunas decenas de escaneos horizontales (pero con los haces en blanco), el componente vertical del no blanco, combinado con el no blanco horizontal, permite que los haces muestren la primera línea de escaneo. Una vez que se escribe la última línea de escaneo, el componente vertical del campo magnético continúa aumentando en el equivalente a un pequeño porcentaje de la altura total antes de que se produzca el retroceso vertical. El retroceso vertical es comparativamente lento, y se produce durante un lapso de tiempo necesario para varias decenas de escaneos horizontales. En los televisores CRT analógicos, configurar el brillo al máximo normalmente hacía que el retroceso vertical fuera visible como líneas en zigzag en la imagen.
En la televisión analógica, en un principio era demasiado costoso crear un barrido rasterizado secuencial simple del tipo que acabamos de describir con una frecuencia de actualización lo suficientemente rápida y una resolución horizontal suficiente, aunque el sistema francés de 819 líneas tenía una mejor definición que otros estándares de su época. Para obtener una visualización sin parpadeos, la televisión analógica utilizó una variante del esquema de los proyectores de películas de imágenes en movimiento, en el que cada fotograma de la película se muestra dos o tres veces. Para ello, el obturador se cierra y se vuelve a abrir para aumentar la frecuencia de parpadeo, pero no la frecuencia de actualización de los datos.
Para reducir el parpadeo, los televisores CRT analógicos escriben solo líneas de escaneo impares en el primer escaneo vertical; luego, siguen las líneas pares, colocadas ("entrelazadas") entre las líneas impares. Esto se llama escaneo entrelazado . (En este caso, la posición de las líneas pares requiere un control de posición preciso; en los televisores analógicos antiguos, recortar el ajuste de retención vertical hacía que las líneas de escaneo se espaciaran correctamente. Si se desajustaba ligeramente, las líneas de escaneo aparecían en pares, con espacios entre ellas). Las pantallas de TV de alta definición modernas utilizan formatos de datos como el escaneo progresivo en los monitores de computadora (como "1080p", 1080 líneas, progresivo) o entrelazado (como "1080i").
Los escaneos de trama se han utilizado en radares de control de tiro (de cañones navales), aunque por lo general eran rectángulos estrechos. Se usaban en pares (para rumbo y elevación). En cada pantalla, un eje estaba desplazado angularmente respecto de la línea de visión y el otro, la distancia. Los retornos de radar iluminaban el video. Los radares de búsqueda y meteorológicos tienen una pantalla circular ( Plan Position Indicator , PPI) que cubre una pantalla redonda, pero técnicamente no es un ráster. Los PPI analógicos tienen barridos que se mueven hacia afuera desde el centro y el ángulo del barrido coincide con la rotación de la antena, siendo arriba el norte o la proa del barco.
El uso del escaneo rasterizado en televisión fue propuesto en 1880 por el ingeniero francés Maurice Leblanc . [1] El concepto de escaneo rasterizado era inherente a la patente original de televisión de escaneo de disco mecánico de Paul Nipkow en 1884. El término rasterizado se utilizó para un patrón de pantalla de impresión de medios tonos ya en 1894. [2] Se utilizó una terminología similar en alemán al menos desde 1897; Eder [3] escribe sobre "die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie" (la producción de negativos rasterizados para medios tonos). Max Dieckmann y Gustav Glage fueron los primeros en producir imágenes rasterizadas reales en un tubo de rayos catódicos (CRT); patentaron sus técnicas en Alemania en 1906. [4] No se ha determinado si utilizaron la palabra rasterizado en su patente o en otros escritos.
Un uso temprano del término raster con respecto al escaneo de imágenes a través de un tambor giratorio es el libro de Arthur Korn de 1907 que dice (en alemán): [5] "...als Rasterbild auf Metall in solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne metallisch rein sind, oder umgekehrt" (... como una imagen rasterizada dispuesta sobre metal de tal manera que los tonos brillantes son metálicos puros, y viceversa). Korn estaba aplicando la terminología y las técnicas de la impresión de medios tonos , donde una "Rasterbild" era una placa de impresión serigrafiada en medios tonos. Hubo usos más relevantes del término Raster por parte de los autores alemanes Eichhorn en 1926: [6] "die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern" y "Die Bildpunkte des Rasterbildes" ("el tono de los elementos de imagen de esta imagen rasterizada" y "los puntos de imagen de la imagen rasterizada"); y Schröter en 1932: [7] "Rasterelementen", "Rasterzahl" y "Zellenraster" ("elementos ráster", "recuento de ráster" y "ráster de celdas").
El primer uso de ráster específicamente para un patrón de escaneo de televisión a menudo se atribuye al barón Manfred von Ardenne, quien escribió en 1933: [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" (En una conferencia en enero de 1930 se demostró mediante demostraciones que el tubo Braun fue un prototipo en el laboratorio con nitidez y brillo puntuales para la producción de una trama precisa y brillante). Raster se adoptó en la literatura televisiva inglesa al menos en 1936, en el título de un artículo en Electrician . [9] La teoría matemática del escaneo de imágenes fue desarrollada en detalle utilizando técnicas de transformada de Fourier en un artículo clásico de Mertz y Gray de Bell Labs en 1934. [10]
