Un escaneo rasterizado , o escaneo rasterizado , 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 informáticos de imágenes de mapas de bits . La palabra raster proviene de la palabra latina rastrum (rastrillo), que se deriva de radere (raspar); véase también rastrum , un instrumento para dibujar líneas de pentagrama musical . El patrón dejado por las líneas de un rastrillo, cuando se dibujan en línea recta, se asemeja a las líneas paralelas de un ráster: este escaneo línea por línea es lo que crea un ráster. Es un proceso sistemático de cubrir el área de forma progresiva, una línea a la vez. Aunque a menudo es mucho más rápido, es similar en el sentido más general a cómo viaja la mirada cuando leemos 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 del semiconductor llamada framebuffer . Esta área de memoria contiene los valores de cada píxel de la pantalla. Estos valores se recuperan del búfer de actualización y se pintan en la pantalla una fila a la vez.
En un escaneo rasterizado, una imagen se subdivide en una secuencia de franjas (generalmente horizontales) conocidas como " líneas de escaneo ". Cada línea de exploración 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. Este orden de píxeles por filas se conoce como orden de trama u orden de escaneo de trama. La televisión analógica tiene líneas de exploración discretas (resolución vertical discreta), pero no tiene píxeles discretos (resolución horizontal); en cambio, varía la señal continuamente a lo largo de la línea de exploración. Así, mientras que el número de líneas de exploración (resolución vertical) se define 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 exploración.
En el escaneo rasterizado, el haz barre horizontalmente de izquierda a derecha a un ritmo constante, luego se queda en blanco y rápidamente regresa hacia la izquierda, donde se enciende nuevamente y barre la siguiente línea. Durante este tiempo, la posición vertical también aumenta constantemente (hacia abajo), pero mucho más lentamente: hay un barrido vertical por cuadro de imagen, pero un barrido horizontal por línea de resolución. Por lo tanto, cada línea de escaneo tiene una pendiente ligeramente "cuesta abajo" (hacia la parte inferior derecha), con una pendiente de aproximadamente –1/resolución horizontal, mientras que el barrido hacia 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, en efecto, queda eclipsada 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) salta repentinamente internamente, por analogía con el avance del papel o el avance de línea de una máquina de escribir o una impresora , antes de crear la siguiente línea de escaneo. Como se analizó anteriormente, esto no sucede exactamente: el barrido vertical continúa a un ritmo constante sobre una línea de exploración, creando una pequeña inclinación. Se realiza un barrido a ritmo constante, en lugar de avanzar escalonadamente en cada fila, porque los pasos son difíciles de implementar técnicamente, mientras que el barrido a ritmo constante es mucho más fácil. La inclinación resultante se compensa en la mayoría de los CRT mediante los ajustes de inclinación y paralelogramo, que imponen una pequeña desviación vertical a medida que el haz recorre la pantalla. Cuando se ajusta correctamente, esta desviación cancela exactamente la pendiente descendente de las líneas de exploración. El retroceso horizontal, a su vez, se inclina suavemente hacia abajo a medida que se elimina la desviación de inclinación; no hay ningún salto en ninguno de los extremos del recorrido. En detalle, el escaneo de CRT se realiza mediante deflexión magnética, cambiando 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 desviación es relativamente alta y, por tanto, la corriente en el yugo y, por tanto, la parte vertical del campo de desviación magnético, sólo puede cambiar lentamente.
De hecho, se producen picos, tanto horizontal como verticalmente, y el correspondiente intervalo de supresión horizontal y el intervalo de supresión vertical dan a las corrientes de deflexión tiempo de establecimiento para retroceder y establecerse en su nuevo valor. Esto sucede durante el intervalo de supresión.
En electrónica, estos movimientos (generalmente de velocidad constante) de los haces se denominan "barridos", y los circuitos que crean las corrientes para el yugo de desviación (o voltajes para las placas de desviación horizontales en un osciloscopio) se denominan barrido. circuitos. Estos crean una onda en forma de diente de sierra : un movimiento constante a través de la pantalla, luego un movimiento típicamente rápido hacia el otro lado, y lo mismo ocurre con el barrido vertical.
Además, los CRT de gran ángulo de deflexión 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 angularmente los haces a una velocidad constante; esto causaría una compresión horizontal hacia el centro.
Las impresoras de computadora 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. Considerando la resolución típica de una impresora, el efecto "cuesta abajo" es minúsculo. Las impresoras de inyección de tinta tienen múltiples boquillas en sus cabezales de impresión, por lo que muchas (docenas a cientos) de "líneas de escaneo" se escriben juntas y el avance del papel se prepara para el siguiente lote de líneas de escaneo. La transformación de datos basados en vectores en el formato requerido por una pantalla o impresora requiere un procesador de imágenes rasterizadas (RIP).
El texto informático se crea principalmente a partir de archivos de fuentes que describen los contornos de cada carácter o símbolo (glifo) imprimible. (Una minoría son "mapas de bits"). Estos contornos deben convertirse en lo que son efectivamente pequeños rásteres, uno por carácter, antes de renderizarlos (mostrarlos o imprimirlos) como texto, fusionando de hecho sus pequeños rásteres en los de la página.
En detalle, cada línea (marco horizontal o HFrame) consta de:
Los pórticos y el supresión asociado deben proporcionar tiempo de caída y tiempo de asentamiento para que el haz se mueva hacia la izquierda (el voltaje disminuya) y para que el timbre se apague. El cuadro vertical (VFrame) consta exactamente de los mismos componentes, pero sólo aparece una vez por cuadro de imagen y los tiempos son considerablemente más largos. Los detalles de estos intervalos se denominan sincronización del vídeo. Consulte los detalles de sincronización del video revelados para ver un diagrama de estos. En su mayoría, estos no son visibles para los usuarios finales, pero sí lo eran en el caso de XFree86 Modellines , donde los usuarios de XFree86 podían (y a veces necesitaban) ajustar manualmente estos tiempos, particularmente para lograr ciertas resoluciones o frecuencias de actualización .
El escaneo rasterizado en CRT produce la impresión de una imagen estable desde un único punto de escaneo (sólo se dibuja un punto a la vez) a través de varios procesos técnicos y psicológicos. Luego, estas imágenes producen la impresión de movimiento en gran medida de la misma manera que la película (una velocidad de fotogramas suficientemente alta de imágenes fijas produce la impresión de movimiento), aunque los escaneos rasterizados difieren en algunos aspectos, particularmente en el entrelazado.
En primer lugar, debido a la persistencia del fósforo , aunque sólo 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 de vuelo"), cuando se ha pintado toda la pantalla, el píxel inicial todavía está relativamente iluminado. Su brillo habrá bajado algo, lo que puede provocar una percepción de parpadeo . Esta es una de las razones para el uso del entrelazado : dado que sólo se dibuja una línea de por medio en un solo campo de video transmitido, las líneas brillantes recién dibujadas entrelazadas con las líneas dibujadas más antiguas, algo atenuadas, crean una iluminación relativamente más uniforme.
En segundo lugar, por persistencia de la visión , la imagen vista persiste por un momento en la retina y se percibe como relativamente estable. Según el umbral de fusión de parpadeo relacionado , estos píxeles pulsantes parecen estables.
Estas imágenes fijas perceptualmente estables se unen para producir una imagen en movimiento, similar a un proyector de películas . Sin embargo, hay que tener en cuenta que en los proyectores de cine la imagen completa se proyecta de una vez (no en un escaneo rasterizado), sin entrelazar, basándose en una velocidad de fotogramas de 24 fotogramas por segundo. Por el contrario, un vídeo entrelazado escaneado en trama produce una imagen de 50 o 60 campos por segundo (un campo está cada dos líneas, lo que corresponde a una velocidad de fotogramas de 25 o 30 fotogramas por segundo), y cada campo se dibuja un píxel a la vez. , en lugar de toda la imagen a la vez. Ambos producen un video, pero producen percepciones o "sensaciones" algo diferentes [ cita necesaria ] .
En una pantalla CRT, cuando los haces de electrones no están en blanco, el componente de desviación horizontal del campo magnético creado por el yugo de desviación hace que los haces exploren "hacia adelante" de izquierda a derecha a una velocidad constante. Los datos de píxeles consecutivos van (a la velocidad del reloj de píxeles) a los convertidores de digital a analógico para cada uno de los tres colores primarios (sin embargo, para las pantallas planas modernas, los datos de píxeles siguen siendo digitales). A medida que se dibuja la línea de exploración, en el borde derecho de la pantalla, todos los haces se suprimen, pero el campo magnético continúa aumentando en magnitud durante un breve periodo de tiempo después de la supresión.
Para aclarar una posible confusión: 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 fuerza del campo necesaria. Los campos de una polaridad mueven el haz hacia arriba y hacia la izquierda, y los de polaridad opuesta lo mueven hacia abajo y hacia la derecha. En algún punto cerca del centro, el campo de desviación magnética es cero. Por lo tanto, una exploración comienza a medida que el campo disminuye. A mitad de camino, pasa por cero y vuelve a aumentar suavemente para completar el escaneo.
Después de que se ha creado una línea en la pantalla y los haces se suprimen, el campo magnético alcanza su máximo diseñado. En relación con el tiempo necesario para un escaneo hacia adelante, luego vuelve relativamente rápido al tiempo necesario para colocar el haz más allá del borde izquierdo del área visible (no en blanco). Este proceso ocurre con todos los haces en blanco y se llama retroceso. En el borde izquierdo, el campo disminuye constantemente en magnitud para iniciar otro escaneo hacia adelante, y poco después del inicio, los rayos se abren para comenzar una nueva línea de escaneo visible.
Se produce un proceso similar 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 en blanco, combinado con el en blanco horizontal, permite que los haces muestren la primera línea de escaneo. Una vez que se escribe la última línea de exploración, el componente vertical del campo magnético continúa aumentando en el equivalente de un pequeño porcentaje de la altura total antes de que tenga lugar 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 generalmente hacía que el retroceso vertical fuera visible como líneas en zigzag en la imagen.
En la televisión analógica, originalmente era demasiado costoso crear un escaneo raster 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 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 con 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 abre nuevamente para aumentar la tasa de parpadeo, pero no la tasa de actualización de datos.
Para reducir el parpadeo, los televisores CRT analógicos escriben sólo 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, colocar las líneas pares requiere un control de posición preciso; en televisores analógicos antiguos, recortar el ajuste de retención vertical hacía que las líneas de escaneo se espaciaran correctamente. Si se desajustaban ligeramente, las líneas de escaneo aparecerían en pares, con espacios entre ellas). Las pantallas de televisión modernas de alta definición utilizan formatos de datos como el escaneo progresivo en los monitores de computadora (como "1080p", 1080 líneas, progresivo) o entrelazado (como "1080i").
Los escaneos ráster se han utilizado en radares de control de fuego (armas navales), aunque normalmente eran rectángulos estrechos. Se utilizaban por parejas (para rumbo y para elevación). En cada pantalla, un eje estaba desplazado angularmente de la línea de visión y el otro, el alcance. Los retornos de radar iluminaron el vídeo. Los radares meteorológicos y de búsqueda tienen una pantalla circular ( Indicador de posición del plan , PPI) que cubre una pantalla redonda, pero técnicamente no es una trama. 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 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 de trama era inherente a la patente original de televisión con escaneo de discos mecánicos de Paul Nipkow en 1884. El término trama se usaba para un patrón de pantalla de impresión de medios tonos ya en 1894. [2] Se usó 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 usaron la palabra raster en su patente u otros escritos.
Un uso temprano del término ráster con respecto al escaneo de imágenes mediante 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 sean metálicamente puros, y viceversa). Korn estaba aplicando la terminología y las técnicas de impresión de medios tonos , donde un "Rasterbild" era una plancha de impresión serigrafiada de medios tonos. Hubo usos de Raster más relevantes para el escaneo 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 la 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 de 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 se desarrolló en detalle utilizando técnicas de transformada de Fourier en un artículo clásico de Mertz y Gray de Bell Labs en 1934. [10]
