Строчная развёртка

Строчная развёртка — это процесс перемещения луча (электронного или светового) по строкам (горизонтальным линиям) при формировании растрового изображения на экране электронно-лучевого прибора (кинескопа, монитора, осциллографа) или в системах телевизионного вещания. Является одной из двух основных составляющих развёртки изображения (наряду с кадровой развёрткой), обеспечивая построчное сканирование кадра слева направо.

Принцип действия

В основе строчной развёртки лежит периодическое отклонение луча по горизонтальной оси. В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) это осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого строчными отклоняющими катушками, или, реже, электрического поля в электростатических системах. В современных плоскопанельных дисплеях (жидкокристаллических, плазменных, OLED) строчная развёртка реализуется путём последовательной адресации пикселей в каждой строке матрицы.

Процесс включает три фазы:

1. Прямой ход — движение луча слева направо по строке. В это время модулируется яркость луча (или подаётся сигнал данных), формируя элементы изображения.
2. Обратный ход — возврат луча в начало следующей строки (справа налево). Во время обратного хода луч обычно гасится (гасящий импульс), чтобы не создавать видимых следов на экране.
3. Синхронизация — импульсы строчной синхронизации, передаваемые в составе видеосигнала, задают точное начало каждой строки, обеспечивая синхронность работы передающего и приёмного устройств.

Параметры

Основные характеристики строчной развёртки:

• Частота строк (строчная частота) — количество строк, развёртываемых за одну секунду. Измеряется в герцах (Гц) или килогерцах (кГц). Для стандартных телевизионных систем (PAL, SECAM, NTSC) частота строк составляет 15 625 Гц (для 625 строк при 50 полях в секунду) или 15 734 Гц (для 525 строк при 60 полях). В компьютерных мониторах с высокой разрешающей способностью частота строк может достигать 100–200 кГц.
• Длительность строки — время, затрачиваемое на развёртку одной строки, включая прямой и обратный ход. Обратно пропорциональна частоте строк.
• Количество строк в кадре — число горизонтальных линий, составляющих полное изображение. В аналоговом телевидении — 625 (PAL/SECAM) или 525 (NTSC) строк, из которых часть (около 50) приходится на обратный ход кадровой развёртки и не отображается.
• Отношение сигнал/шум — влияет на чёткость и стабильность изображения.

Виды строчной развёртки

По способу формирования изображения

• Прогрессивная (построчная) развёртка — все строки кадра отображаются последовательно, одна за другой, за один проход. Используется в компьютерных мониторах, современных телевизорах высокой чёткости (HDTV) и цифровых видеосистемах. Обеспечивает более высокое качество изображения без мерцания, но требует большей полосы пропускания.
• Чересстрочная (интерлейсная) развёртка — кадр делится на два поля: чётные и нечётные строки. Сначала отображаются строки одного поля, затем — другого. Применялась в аналоговом телевидении для снижения мерцания при ограниченной полосе пропускания. Недостаток — заметность межстрочного мерцания и артефактов на движущихся объектах.

По типу отклоняющей системы

• Магнитная — используется в большинстве ЭЛТ (телевизоры, мониторы). Отклонение луча осуществляется магнитным полем катушек, что позволяет создавать большие углы отклонения (до 110–120 градусов).
• Электростатическая — применяется в осциллографах и некоторых специализированных ЭЛТ. Отклонение луча происходит под действием электрического поля между пластинами. Обеспечивает более высокую скорость развёртки, но меньший угол отклонения.

История развития

Первые системы строчной развёртки были разработаны в конце XIX — начале XX века. В 1884 году немецкий изобретатель Пауль Нипков предложил механический способ развёртки с помощью диска с отверстиями (диск Нипкова). Электронная строчная развёртка стала возможной после создания электронно-лучевой трубки. В 1920-х годах Владимир Зворыкин и Фило Фарнсворт независимо друг от друга разработали системы электронного телевидения, в которых строчная развёртка осуществлялась магнитным полем.

В 1930-х годах были установлены стандарты развёртки: 405 строк (Великобритания), 441 строка (США), 625 строк (СССР, Европа). В 1940-1950-х годах чересстрочная развёртка стала общепринятой для телевидения. С развитием компьютерной техники в 1970-1980-х годах прогрессивная развёртка получила распространение в мониторах. В 1990-х годах с появлением цифрового телевидения и HDTV чересстрочная развёртка стала вытесняться прогрессивной.

Применение

Строчная развёртка используется в:

• Телевизионных приёмниках — формирование изображения на экране кинескопа или плазменной панели.
• Компьютерных мониторах — отображение графической информации.
• Осциллографах — визуализация электрических сигналов. В осциллографах строчная развёртка может быть как линейной (равномерное движение луча), так и нелинейной (например, для отображения переходных процессов).
• Сканирующих устройствах — лазерные проекторы, сканеры штрих-кодов, системы лазерной печати.
• Медицинской визуализации — ультразвуковые аппараты, рентгеновские установки, где используется построчное сканирование.

Строчная развёртка в современных дисплеях

В жидкокристаллических (LCD), плазменных (PDP) и органических светодиодных (OLED) дисплеях строчная развёртка реализуется не физическим перемещением луча, а электронным сканированием матрицы пикселей. Каждая строка адресуется последовательно, сигналы данных подаются на столбцы матрицы, а строки активируются по очереди. Частота обновления таких дисплеев обычно составляет 60, 120 или 240 Гц, что соответствует частоте строк от 60 до 240 кГц в зависимости от разрешения.

Неисправности и артефакты

Нарушения в работе строчной развёртки могут приводить к различным дефектам изображения:

• Отсутствие строчной развёртки — на экране видна только вертикальная линия (в ЭЛТ) или полоса (в плоских панелях).
• Нарушение синхронизации — изображение «плывёт» по горизонтали или разрывается на полосы.
• Нелинейность развёртки — искажение пропорций изображения (сжатие или растяжение по горизонтали).
• Обратный ход — видимые линии обратного хода, если гасящий импульс отсутствует или недостаточен.
• Мерцание — заметное колебание яркости при низкой частоте строк.

Строчная развёртка в осциллографах

В осциллографах строчная развёртка используется для отображения сигналов во временной области. Луч движется слева направо с постоянной скоростью, а отклонение по вертикали пропорционально напряжению сигнала. В отличие от телевизионной развёртки, в осциллографах часто применяется ждущая развёртка (запуск по сигналу) и автоматическая развёртка. Частота строк может регулироваться в широких пределах — от долей герца до десятков гигагерц.

Строчная развёртка в системах видеозаписи

В видеомагнитофонах и цифровых видеорекордерах строчная развёртка используется при записи и воспроизведении видеосигнала. В аналоговых системах (VHS, Betamax) частота строк соответствует телевизионному стандарту. В цифровых системах (DV, MPEG) строчная развёртка реализуется в виде последовательности строк, кодируемых с помощью сжатия.

Строчная развёртка в компьютерной графике

В компьютерной графике строчная развёртка применяется при выводе изображения на экран. Видеокарта формирует кадр, состоящий из строк, которые передаются на дисплей. В современных графических интерфейсах используется прогрессивная развёртка, однако для совместимости с аналоговыми телевизорами может применяться чересстрочная развёртка (например, в режиме 1080i).

Источники

1. Горохов П. К. «Телевидение: принципы, стандарты, системы». — М.: Радио и связь, 1985.
2. Самойлов В. Ф., Хромой Б. П. «Телевидение». — М.: Связь, 1975.
3. Бендат Дж., Пирсол А. «Измерение и анализ случайных процессов». — М.: Мир, 1974 (раздел об осциллографической развёртке).
4. Смирнов А. В. «Основы телевизионной техники». — СПб.: Лань, 2008.
5. Руководство по эксплуатации осциллографов серии С1-83 (ГОСТ 8.009-84).
6. Стандарты ITU-R BT.470-6 (системы аналогового телевидения).
7. Стандарты SMPTE (Общество инженеров кино и телевидения) — серия документов по видеосигналам.