檢視光柵掃描的原始碼

光柵掃描（raster scan 或 raster scanning）是電視中影像擷取與重現的矩形圖案。類比之下，該術語也用於光柵圖形，這是大多數電腦點陣圖影像系統中使用的影像儲存和傳輸模式。raster 一詞源自拉丁文 rastrum（耙），而 rastrum 又源自 radere（刮）；另請參閱 rastrum，一種用於繪製五線譜的工具。耙子的齒以直線拉過後留下的圖案，類似於光柵的平行線：這種逐行掃描的方式創造了光柵。這是一個系統性的過程，一次一行，逐步覆蓋整個區域。雖然速度通常快得多，但在最普遍的意義上，這與人們閱讀文字時目光移動的方式相似。

在大多數現代顯示卡中，要繪製的資料儲存在一個稱為幀緩衝區的半導體記憶體區域內。這個記憶體區域保存著螢幕上每個像素的值。這些值從刷新緩衝區中檢索出來，並逐行繪製到螢幕上。

== 描述 ==

=== 掃描線 ===
在光柵掃描中，影像被細分為一系列（通常是水平的）條帶，稱為「掃描線」。每條掃描線可以像電視系統一樣，在從視訊來源讀取時以類比訊號的形式傳輸，也可以進一步劃分為離散的像素以便在電腦系統中處理。這種按行排列像素的順序稱為光柵順序或光柵掃描順序。類比電視有離散的掃描線（離散的垂直解析度），但沒有離散的像素（水平解析度）——它反而在掃描線上連續地改變訊號。因此，雖然掃描線的數量（垂直解析度）是明確定義的，但水平解析度則較為近似，取決於訊號在掃描線過程中變化的速度。

=== 掃描圖案 ===

在光柵掃描中，光束以穩定速率由左至右水平掃描，然後消隱並迅速移回左側，接著重新開啟並掃描下一行。在此期間，垂直位置也穩定地增加（向下），但速度慢得多——每個影像幀有一次垂直掃描，但每條解析度線有一次水平掃描。因此，每條掃描線都略微「下坡」傾斜（朝向右下方），斜率約為 –1/水平解析度，而掃回左側（回描）的速度明顯快於前向掃描，且基本上是水平的。掃描線產生的傾斜非常小，其影響遠小於螢幕凸面和其他微小的幾何不完美性。

有一種誤解認為，一旦一條掃描線完成，陰極射線管（CRT）顯示器在產生下一條掃描線之前，實際上會內部突然跳躍，類似於打字機或印表機的進紙或換行。如上所述，情況並非完全如此：垂直掃描在掃描線上以穩定速率持續進行，產生微小的傾斜。採用穩定速率掃描而非每行推進的階梯式掃描，是因為階梯式在技術上難以實現，而穩定速率則容易得多。由此產生的傾斜在大多數 CRT 中透過傾斜和平行四邊形調整來補償，這些調整會在光束掃過螢幕時施加一個微小的垂直偏轉。當調整得當時，這種偏轉會正好抵消掃描線的向下斜率。而水平回描則隨著傾斜偏轉的移除而平滑地向下傾斜；在回描的兩端都沒有跳躍。具體來說，CRT 的掃描是透過磁偏向來執行的，即改變偏向軛線圈中的電流。快速改變偏轉（跳躍）需要在偏向軛上施加一個電壓尖峰，而偏轉的反應速度受限於電感和尖峰的大小。從電子學角度來看，偏向軛垂直繞組的電感相對較高，因此軛中的電流，從而磁偏向場的垂直部分，只能緩慢改變。

事實上，無論是水平還是垂直方向，尖峰確實會發生，而相應的水平消隱期間和垂直消隱期間給了偏轉電流回描並穩定到新值的時間。這發生在消隱期間。

在電子學中，這些（通常是穩定速率的）光束運動被稱為「掃描」，而為偏向軛（或示波器中的水平偏向板）產生電流（或電壓）的電路被稱為掃描電路。這些電路會產生鋸齒波：穩定地掃過螢幕，然後通常迅速移回另一側，垂直掃描亦然。

此外，大偏轉角度的 CRT 需要水平掃描的電流在朝向中心時成比例地加速變化，因為螢幕中心比邊緣更靠近偏向軛。線性的電流變化會使光束以恆定的角速率擺動；這會導致朝向中心的水平壓縮。

=== 印表機 ===
電腦印表機基本上是透過光柵掃描來建立影像的。雷射印表機使用旋轉的多邊形鏡（或光學等效物）來掃描感光鼓，而紙張的移動則提供另一個掃描軸。考慮到典型的印表機解析度，「下坡」效應是微不足道的。噴墨印表機的噴頭中有多個噴嘴，因此可以同時寫入許多（數十到數百）條「掃描線」，而進紙則為下一批掃描線做準備。將向量式資料轉換為顯示器或印表機所需的形式，需要一個光柵影像處理器（RIP）。

=== 字型 ===
電腦文字大多是從描述每個可列印字元或符號（字符）輪廓的字型檔案中創建的。（少數是「點陣圖」。）這些輪廓在被渲染（顯示或列印）為文字之前，必須被轉換為實際上是每個字元一個的小光柵，實質上是將它們的小光柵合併到頁面的光柵中。

== 視訊時序 ==

具體來說，每一行（水平幀或 HFrame）包括：
* 掃描線，光束非消隱，並穩定向右移動
* 前肩，光束消隱，並穩定向右移動
* 同步脈衝，光束消隱，並迅速移回左側
* 後肩，光束消隱，並再次穩定向右移動。
前肩、後肩及相關的消隱是為了提供光束移回左側的下降時間和穩定時間（電壓下降），並讓振鈴效應消退。垂直幀（VFrame）由完全相同的組件構成，但每個影像幀只發生一次，且時間要長得多。這些期間的細節稱為視訊時序。有關這些的圖示，請參見 Video timing details revealed。這些通常對終端使用者是不可見的，但在 XFree86 Modelines 的情況下是可見的，XFree86 的使用者可以（有時需要）手動調整這些時序，特別是為了達到某些解析度或更新率。

== 感知 ==

CRT 上的光柵掃描透過幾種技術和心理過程，從單一掃描點（一次只繪製一個點）產生了穩定影像的印象。這些影像然後以與電影大致相同的方式產生運動的印象——足夠高的靜態影像幀率會產生運動的印象——儘管光柵掃描在一些方面有所不同，特別是交錯式掃描。

首先，由於螢光持續性，即使一次只繪製一個「像素」（請記住，在類比顯示器上，「像素」的定義不清晰，因為沒有固定的水平劃分；相反，存在一個「飛行光點」），到整個螢幕被繪製完成時，最初的像素仍然相對明亮。它的亮度會有所下降，這可能導致閃爍的感覺。這是使用交錯式掃描的原因之一——因為在廣播視訊的單一欄中只繪製每隔一條的線，所以明亮的新繪製線與稍微變暗的舊繪製線交錯，創造出相對更均勻的亮度。

其次，透過視覺暫留，觀看的影像在視網膜上停留片刻，並被感知為相對穩定。透過相關的閃爍融合閾值，這些脈動的像素看起來是穩定的。

這些在感知上穩定的靜態影像然後被拼接在一起，產生一個動態畫面，類似於電影放映機。然而，必須記住，在電影放映機中，整個影像是同時投射的（不是以光柵掃描方式），非交錯式，基於每秒 24 幀的幀率。相比之下，光柵掃描的交錯式視訊每秒產生 50 或 60 個欄的影像（一個欄是每隔一條的線，因此對應於每秒 25 或 30 幀的幀率），每個欄是一次繪製一個像素，而不是一次繪製整個影像。這兩種方式都產生視訊，但會產生些許不同的感知或「感覺」。

== 理論與歷史 ==

在 CRT 顯示器中，當電子束非消隱時，偏向軛產生的磁場的水平偏轉分量使光束以恆定速率從左到右「前向」掃描。連續像素的資料（以像素時脈速率）傳送到三個原色各自的數位類比轉換器（然而，對於現代平面顯示器，像素資料保持數位形式）。當掃描線被繪製時，在顯示器的右邊緣，所有光束都被消隱，但磁場在消隱後短時間內繼續增加其強度。

為澄清可能的混淆：關於磁偏向場，如果沒有磁場，所有光束都會射到螢幕中心附近。離中心越遠，所需場強越大。一種極性的磁場將光束向上和向左移動，而相反極性的磁場則將其向下和向右移動。在中心附近的某個點，磁偏向場為零。因此，掃描始於場強減弱。在中途，它通過零點，然後平滑地再次增強以完成掃描。

在一條線在螢幕上創建並且光束被消隱後，磁場達到其設計的最大值。相對於前向掃描所需的時間，它然後相對迅速地變回到將光束定位在可見（非消隱）區域左邊緣之外所需的位置。這個過程在所有光束都被消隱的情況下發生，稱為回描。在左邊緣，場強穩定地減弱以開始另一次前向掃描，並在開始後不久，光束非消隱以開始一條新的可見掃描線。

垂直掃描也發生類似的過程，但速率為顯示器更新率（通常為 50 到 75 Hz）。一個完整的欄開始時，極性會將光束置於可見區域的頂部之外，此時偏轉場的垂直分量處於最大值。經過幾十次水平掃描（但光束被消隱）後，非消隱的垂直分量與水平非消隱結合，使光束顯示第一條掃描線。一旦最後一條掃描線被寫入，磁場的垂直分量會繼續增加相當於總高度百分之幾的量，然後才發生垂直回描。垂直回描相對較慢，發生在需要幾十次水平掃描的時間跨度內。在類比 CRT 電視中，將亮度設置為最大通常會使垂直回描在畫面上呈現為鋸齒形線條。

在類比電視中，最初要以足夠快的更新率和足夠的水平解析度創建剛剛描述的簡單循序光柵掃描類型，成本太高，儘管法國的 819 線系統比當時的其他標準有更好的清晰度。為了獲得無閃爍的顯示，類比電視使用了電影放映機方案的一個變體，其中電影的每一幀都顯示兩次或三次。為此，快門再次關閉和打開以增加閃爍率，但不增加資料更新率。

=== 交錯式掃描 ===

為了減少閃爍，類比 CRT 電視在第一次垂直掃描時只寫入奇數掃描線；然後，偶數線跟隨，放置（「交錯」）在奇數線之間。這稱為交錯式掃描。（在這種情況下，定位偶數線確實需要精確的位置控制；在舊的類比電視中，調整垂直同步調整使掃描線間距正確。如果稍微失調，掃描線會成對出現，中間有空隙。）現代高畫質電視顯示器使用如電腦螢幕中的循序掃描等資料格式（例如「1080p」，1080 線，循序），或交錯式（例如「1080i」）。

=== 雷達 ===
光柵掃描已用於（艦炮）火控雷達，儘管它們通常是狹窄的矩形。它們成對使用（用於方位角和仰角）。在每個顯示器中，一個軸是與視線的角度偏移，另一個是距離。雷達回波會使視訊變亮。搜索和氣象雷達有一個圓形顯示器（平面位置顯示器，PPI），覆蓋一個圓形螢幕，但這在技術上不是光柵。類比 PPI 的掃描從中心向外移動，掃描的角度與天線旋轉相匹配，上方是北方，或船頭方向。

== 電視 ==

在電視中使用光柵掃描是由法國工程師 Maurice Leblanc 於 1880 年提出的。光柵掃描的概念內含於 Paul Nipkow 在 1884 年的原始機械盤掃描電視專利中。raster 一詞早在 1894 年就用於指半色調印刷網版圖案。類似的術語至少從 1897 年起就在德語中使用；Eder 寫到「die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie」（為半色調印刷製作光柵底片）。Max Dieckmann 和 Gustav Glage 是最早在陰極射線管（CRT）上產生實際光柵影像的人；他們於 1906 年在德國為其技術申請了專利。目前尚不確定他們是否在專利或其他著作中使用了 raster 一詞。

早期關於影像掃描透過旋轉鼓使用 raster 一詞的例子是 Arthur Korn 於 1907 年的著作，其中（用德語）說：「...als Rasterbild auf Metall in solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne metallisch rein sind, oder umgekehrt」（...作為光柵影像鋪設在金屬上，使得亮色調呈現純金屬色，反之亦然）。Korn 當時應用的是半色調印刷的術語和技術，其中「Rasterbild」指的是半色調網版印刷版。德國作家 Eichhorn 在 1926 年有更多與掃描相關的 Raster 用法：「die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern」和「Die Bildpunkte des Rasterbildes」（「這些光柵影像中圖像元素的色調」和「光柵影像的圖像點」）；以及 Schröter 在 1932 年的用法：「Rasterelementen」、「Rasterzahl」和「Zellenraster」（「光柵元素」、「光柵數量」和「單元光柵」）。

首次將 raster 專門用於電視掃描圖案通常歸功於 Manfred von Ardenne 男爵，他在 1933 年寫道：「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」（在 1930 年 1 月的一場演講中，透過展示證明了布朗管在點銳利度和點亮度方面已在實驗室中原型開發完成，可用於產生精確、明亮的光柵）。Raster 一詞至少在 1936 年被引入英語電視文獻，出現在《Electrician》雜誌一篇文章的標題中。影像掃描的數學理論是在 1934 年由貝爾實驗室的 Mertz 和 Gray 在一篇經典論文中，使用傅立葉變換技術詳細發展的。

=== CRT 組件 ===

# 電子槍：-
## 主電子槍：用於儲存圖像圖案。
## 泛射電子槍：用於維持圖像顯示。
## 螢光塗層螢幕：塗有螢光物質，當電子束撞擊時會發光。
## 聚焦系統：聚焦系統使電子束在撞擊螢光螢幕時會聚成一個小點。
## 偏向系統：用於改變電子束的方向，使其可以撞擊到螢光螢幕上的不同位置。

== 參見 ==
* 廣播電視系統
* 陰極射線管
* 電腦顯示標準
* 反掃描
* 影像解析度
* 光柵圖形
* 光柵化

== 參考資料 ==

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