ラスタースキャン

ラスタースキャン、またはラスタースキャンとは、テレビで画像を取り込んで再構成する長方形のパターンのことです。類推により、この用語は、ほとんどのコンピュータビットマップ画像システムで使用される画像の保存および転送パターンであるラスターグラフィックスにも使用されます。ラスターという言葉は、ラテン語のrastrum（熊手）に由来しており、これはradere（削る）に由来しています。五線譜の線を引くための器具であるrastrumも参照してください。熊手の線が残すパターンをまっすぐに引くと、ラスターの平行線に似ています。この線ごとのスキャンによってラスターが作成されます。これは、一度に1行ずつ、領域を徐々にカバーする体系的なプロセスです。多くの場合、はるかに高速ですが、最も一般的な意味では、テキストの行を読むときに視線が移動する方法に似ています。

最近のほとんどのグラフィック カードでは、描画されるデータはフレーム バッファと呼ばれる半導体メモリの領域に内部的に保存されます。このメモリ領域には、画面上の各ピクセルの値が保持されます。これらの値はリフレッシュ バッファから取得され、一度に 1 行ずつ画面に描画されます。

ラスター スキャンでは、画像は「スキャン ライン」と呼ばれる一連の (通常は水平の) ストリップに分割されます。各スキャン ラインは、テレビ システムのようにビデオ ソースから読み取られるときにアナログ信号の形式で送信されるか、コンピューター システムで処理するために個別のピクセルにさらに分割されます。行によるピクセルの順序付けは、ラスター順序またはラスター スキャン順序と呼ばれます。アナログ テレビには個別のスキャン ライン (個別の垂直解像度) がありますが、個別のピクセル (水平解像度) はありません。代わりに、スキャン ライン上で信号が連続的に変化します。したがって、スキャン ラインの数 (垂直解像度) は明確に定義されますが、水平解像度は、スキャン ラインの途中で信号がどれだけ速く変化するかに応じて、より近似的になります。

ラスター スキャンでは、ビームは一定の速度で水平に左から右にスキャンし、その後、消えてすぐに左に戻り、再びオンになって次のラインをスキャンします。この間、垂直位置も着実に増加 (下方向) しますが、速度ははるかに遅くなります。垂直スキャンは画像フレームごとに 1 回ですが、水平スキャンは解像度のラインごとに 1 回です。したがって、各スキャン ラインはわずかに「下り坂」 (右下方向) に傾斜し、その傾斜は水平解像度の約 -1 です。一方、左に戻るスキャン (リトレース) は前方スキャンよりも大幅に高速で、基本的に水平です。結果として生じるスキャン ラインの傾斜は非常に小さく、スクリーンの凸状性やその他のわずかな幾何学的欠陥によって効果が小さくなります。

走査線が完了すると、ブラウン管(CRT) ディスプレイは、タイプライターやプリンターの紙送りや改行に似せて、次の走査線を作成する前に、事実上、突然内部でジャンプする、という誤解があります。上で説明したように、これは正確には起こりません。垂直スイープは走査線上を一定の速度で継続し、小さな傾きを作成します。階段状に各行を進めるのではなく、一定速度のスイープが行われます。これは、段階的なスイープは技術的に実装するのが難しいのに対し、一定速度の方がはるかに簡単だからです。結果として生じる傾きは、ほとんどの CRT で、ビームが画面をスイープするときに小さな垂直偏向を課す傾斜と平行四辺形の調整によって補正されます。適切に調整されると、この偏向は走査線の下向きの傾斜を正確に打ち消します。水平帰線は、傾斜偏向がなくなると、滑らかに下向きに傾斜します。帰線の両端にジャンプはありません。詳細には、CRT のスキャンは、偏向ヨークのコイルの電流を変化させる磁気偏向によって行われます。偏向を急速に変化させるには (ジャンプ)、ヨークに電圧スパイクを印加する必要があり、偏向はインダクタンスとスパイクの大きさが許す限り速く反応します。電子的には、偏向ヨークの垂直巻線のインダクタンスは比較的高いため、ヨークの電流、つまり磁気偏向フィールドの垂直部分はゆっくりとしか変化しません。

実際、スパイクは水平方向と垂直方向の両方で発生し、対応する水平ブランキング期間と垂直ブランキング期間により、偏向電流が新しい値に戻って安定 する時間が与えられます。これはブランキング期間中に発生します。

電子工学では、ビームのこのような（通常は一定速度の）動きは「スイープ」と呼ばれ、偏向ヨークの電流（またはオシロスコープの水平偏向板の電圧）を生成する回路はスイープ回路と呼ばれます。これらは鋸歯状波を生成します。つまり、画面を横切る一定の動きの後、通常は反対側に急速に戻ります。垂直スイープについても同様です。

さらに、偏向角の広い CRT では、画面の中央が端よりも偏向ヨークに近いため、中央に向かって比例して速く変化する電流による水平スイープが必要です。電流が直線的に変化すると、ビームは一定の割合で角度的に振動し、中央に向かって水平方向に圧縮されます。

コンピュータ プリンタは、基本的にラスター スキャンによって画像を作成します。レーザー プリンタは、回転する多角形ミラー (または光学的に同等のもの) を使用して感光ドラムをスキャンし、紙の動きによってもう 1 つのスキャン軸が提供されます。一般的なプリンタの解像度を考慮すると、「ダウンヒル」効果はごくわずかです。インクジェット プリンタのプリントヘッドには複数のノズルがあるため、多数 (数十から数百) の「スキャン ライン」が同時に書き込まれ、紙送りによって次のスキャン ラインのバッチが準備されます。ベクトル ベースのデータをディスプレイまたはプリンタに必要な形式に変換するには、ラスター イメージ プロセッサ (RIP) が必要です。

コンピュータ テキストは、主に、各印刷可能な文字または記号 (グリフ) のアウトラインを記述するフォント ファイルから作成されます (少数ですが「ビット マップ」もあります)。これらのアウトラインは、テキストとしてレンダリング (表示または印刷) される前に、文字ごとに 1 つの小さなラスターに変換する必要があります。つまり、小さなラスターをページのラスターに統合することになります。

詳細には、各行 (水平フレームまたは HFrame) は次の要素で構成されます。

• ビームが消灯し、右に着実に動いているときの走査線
• 玄関ポーチ、梁が遮られ、右に着実に動いているとき
• 同期パルス、ビームが消え、急速に左に戻るとき
• 裏ポーチ、梁が遮られると、再び右へ着実に移動します。

ポーチとそれに伴うブランキングは、ビームが左に戻る（電圧が下がる）ための立ち下がり時間と安定時間、およびリンギングが静まるための時間を提供します。垂直フレーム（VFrame）はまったく同じコンポーネントで構成されていますが、画像フレームごとに 1 回しか発生せず、時間はかなり長くなります。これらの間隔の詳細は、ビデオ タイミングと呼ばれます。これらの図については、「ビデオ タイミングの詳細の表示」を参照してください。これらはほとんどの場合、エンド ユーザーに表示されませんが、 XFree86 Modelineの場合は表示され、 XFree86のユーザーは、特に特定の解像度やリフレッシュ レートを実現するために、これらのタイミングを手動で調整することができました（場合によっては調整する必要がありました）。

CRT のラスター スキャンは、いくつかの技術的および心理的プロセスを通じて、単一のスキャン ポイント (一度に 1 つのポイントのみが描画されます) から安定した画像の印象を生成します。これらの画像は、映画とほぼ同じように動きの印象を生成します。静止画像のフレーム レートが十分に高いと、動きの印象が生成されますが、ラスター スキャンは、特にインターレースなど、いくつかの点で異なります。

まず、蛍光体の持続性により、一度に 1 つの「ピクセル」しか描画されないにもかかわらず (アナログ ディスプレイでは、固定された水平分割がなく、「フライング スポット」があるため、「ピクセル」は明確に定義されていないことに注意してください)、画面全体が描画されるまで、最初のピクセルはまだ比較的明るくなっています。明るさがいくらか低下し、ちらつきが感じられることがあります。これが、インターレースを使用する理由の 1 つです。放送ビデオの 1 つのフィールドには 1 本おきに線が描画されるため、明るい新しく描画された線が、やや暗い古い描画線とインターレースされ、比較的均一な照明が生まれます。

第二に、視覚の残像により、観察された画像は網膜上で一瞬残像となり、比較的安定しているように知覚されます。関連するフリッカー融合閾値により、これらの脈動するピクセルは安定して見えます。

これらの知覚的に安定した静止画像は、映画映写機と同様に、動画を作成するために組み立てられます。ただし、映画映写機では、フレーム レート 24 フレーム/秒に基づいて、ラスター スキャンではなく、インターレースなしで画像全体が一度に投影されることに留意する必要があります。対照的に、ラスター スキャンされたインターレース ビデオは、1 秒あたり 50 または 60 フィールド (フィールドは 1 行おきなので、フレーム レートは 25 または 30 フレーム/秒に相当) の画像を作成し、画像全体が一度に描画されるのではなく、各フィールドが一度に 1 ピクセルずつ描画されます。これらはどちらもビデオを作成しますが、多少異なる知覚または「感覚」を生み出します^{[引用が必要]}。

CRT ディスプレイでは、電子ビームがブランキングされていない場合、偏向ヨークによって生成された磁場の水平偏向成分によって、ビームは一定速度で左から右へ「前方」にスキャンされます。連続するピクセルのデータは (ピクセル クロック レートで) 3 つの原色ごとにデジタル/アナログ コンバータに送られます (ただし、最新のフラット パネル ディスプレイでは、ピクセル データはデジタルのままです)。スキャン ラインが描画されると、ディスプレイの右端ですべてのビームがブランキングされますが、ブランキング後も磁場はしばらくの間、大きさが増大し続けます。

混乱を避けるために、磁気偏向フィールドについて説明しましょう。もしこれがなければ、すべてのビームはスクリーンの中心付近に当たることになります。中心から離れるほど、必要なフィールドの強度は大きくなります。ある極性のフィールドはビームを上と左に移動し、反対極性のフィールドはビームを下と右に移動します。中心付近のある時点で、磁気偏向フィールドはゼロになります。したがって、スキャンはフィールドが減少するところから始まります。途中で、フィールドはゼロを通過し、再びスムーズに増加してスキャンを完了します。

画面上に 1 本の線が作成され、ビームが消灯すると、磁場は設計上の最大値に達します。その後、前方スキャンに必要な時間に比べて、磁場は比較的速く、ビームを可視 (消灯されていない) 領域の左端を超えて配置するために必要な値に戻ります。このプロセスは、すべてのビームが消灯された状態で発生し、リトレースと呼ばれます。左端では、磁場の大きさが徐々に減少して別の前方スキャンが開始され、開始後すぐにビームが消灯して新しい可視スキャン ラインが開始されます。

垂直スキャンでも同様のプロセスが発生しますが、これはディスプレイのリフレッシュ レート (通常 50 ～ 75 Hz) で発生します。完全なフィールドは、ビームが可視領域の上部を超える極性で始まり、偏向フィールドの垂直成分が最大になります。数十回の水平スキャン (ただし、ビームはブランク) の後、ブランク解除の垂直成分と水平ブランク解除の組み合わせにより、ビームは最初のスキャン ラインを表示できるようになります。最後のスキャン ラインが書き込まれると、垂直帰線が発生する前に、磁場の垂直成分が全体の高さの数パーセントに相当する分だけ増加し続けます。垂直帰線は比較的遅く、数十回の水平スキャンに必要な時間にわたって発生します。アナログ CRT テレビでは、明るさを最大に設定すると、通常、垂直帰線が画像上にジグザグ線として表示されます。

アナログテレビでは、フランスの 819 ライン システムは当時の他の標準よりも鮮明度が高かったものの、前述のような単純な連続ラスター スキャンを十分なリフレッシュ レートと十分な水平解像度で作成するには、当初はコストがかかりすぎました。ちらつきのない表示を実現するために、アナログテレビでは、映画フィルム プロジェクターの方式のバリエーションを使用していました。この方式では、フィルムの各フレームが 2 回または 3 回表示されます。そのためには、シャッターを閉じて再び開くことでちらつき率を上げますが、データ更新率は上げません。

ちらつきを減らすため、アナログ CRT テレビは最初の垂直スキャンで奇数走査線のみを書き込み、次に偶数走査線を奇数走査線の間に配置 (「インターレース」) して書き込みます。これをインターレース スキャンと呼びます。(この場合、偶数走査線の位置を決めるには正確な位置制御が必要です。古いアナログ テレビでは、垂直ホールド調整をトリミングすることで走査線の間隔が適切に調整されていました。少しでも調整がずれると、走査線が 2 本ずつ表示され、間に間隔が空いていました。) 最新の高解像度テレビ ディスプレイでは、コンピューター モニターのプログレッシブ スキャン (「1080p」、1080 ライン、プログレッシブなど) やインターレース (「1080i」など) のようなデータ形式が使用されています。

ラスタースキャンは（艦砲の）火器管制レーダーで使われてきましたが、通常は狭い長方形でした。これらはペアで使用されていました（方位用と仰角用）。各表示では、1 つの軸が視線からの角度オフセットで、もう 1 つの軸が距離でした。レーダーの反射によりビデオが明るくなりました。捜索レーダーと気象レーダーには、円形の画面をカバーする円形の表示（プラン位置指示器、PPI）がありますが、これは厳密にはラスターではありません。アナログ PPI には、中心から外側に移動するスイープがあり、スイープの角度はアンテナの回転、上が北、または船首と一致します。

テレビにおけるラスタースキャンの使用は、1880年にフランスの技術者モーリス・ルブランによって提案されました。^[1]ラスタースキャンの概念は、1884年にポール・ニプコウが取得したオリジナルの機械式ディスクスキャンテレビの特許に内在していました。ラスターという用語は、1894年にはすでにハーフトーン印刷スクリーンパターンに使用されていました。 ^[2]同様の用語は少なくとも1897年からドイツ語で使用されていました。エーダー^[3]は「die Herstellung von Rasternegativen für Zwecke der Autotypie」（ハーフトーン用ラスターネガの製造）について書いています。マックス・ディークマンとグスタフ・グラーゲは、ブラウン管（CRT）上に実際のラスター画像を初めて生成しました。彼らは1906年にドイツでその技術の特許を取得しました。 ^{[4]彼らが特許や他の文書で}ラスターという 言葉を使用したかどうかは不明です。

回転ドラムによる画像スキャンに関してラスターという用語が最初に使われたのは、アーサー・コーンの 1907 年の著書で、そこには次のように書かれています (ドイツ語): ^[5]「...als Rasterbild auf Metall in solcher Weise aufgetragen, dass die hellen Töne metallisch rein sind, oder umgekehrt」(...明るいトーンが金属的に純粋になるように金属上に配置されたラスター画像、およびその逆)。コーンはハーフトーン印刷の用語と技術を適用しており、「Rasterbild」はハーフトーン スクリーン印刷版でした。1926 年には、ドイツの作家アイヒホルンによって、よりスキャンに関連したラスターの使用法がありました。 ^[6]「die Tönung der Bildelemente bei diesen Rasterbildern」および「Die Bildpunkte des Rasterbildes」（「このラスター イメージの画像要素のトーン」および「ラスター イメージの画像ポイント」）。および 1932 年の Schröter: ^[7] "Rasterelementen"、"Rasterzahl"、および "Zellenraster" ("ラスター要素"、"ラスター カウント"、および "セル ラスター")。

特にテレビのスキャン パターンにラスターを初めて使用したのは、1933 年に次のように書いたマンフレッド フォン アルデンヌ男爵とされることがよくあります。 ^[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」 (1930 年 1 月の講演では、正確で明るいラスターを生成するために、ブラウン管が点の鮮明さと点の明るさを備えて実験室で試作されたことがデモンストレーションによって証明されました)。ラスターは、少なくとも 1936 年までに、『Electrician』の記事のタイトルとして英語のテレビ文学に採用されました。^[9]画像スキャンの数学的理論は、1934年にベル研究所のメルツとグレイによる古典的な論文でフーリエ変換技術を使用して詳細に開発されました。^[10]

1. 電子銃:-
   1. プライマリガン: 画像パターンを保存するために使用されます。
   2. フラッドガン: 画像表示を維持するために使用します。
   3. 蛍光体コーティングスクリーン: 電子ビームが当たると光を発する蛍光体でコーティングされています。
   4. フォーカス システム: フォーカス システムにより、電子ビームは蛍光スクリーンに当たると小さな点に収束します。
   5. 偏向システム: 電子ビームの方向を変えて、蛍光体スクリーン上の異なる場所に電子ビームを当てるために使用されます。

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