Вертикальная развёртка¶

Вертикальная развёртка — это процесс перемещения электронного луча (или строк развёртки) по экрану от верхнего края к нижнему в растровых дисплеях, а также совокупность сигналов и схем, обеспечивающих это движение. Вместе с горизонтальной развёрткой она формирует полный кадр изображения. В современных дисплеях (LCD, OLED) термин сохранился как название интерфейсного сигнала, управляющего сменой строк, хотя физического перемещения луча в них не происходит.

¶История

¶Электронно-лучевые трубки

В первых телевизионных системах, начиная с 1920-х годов, для формирования изображения использовалась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). В ней электронный луч, управляемый магнитными катушками, последовательно проходил по строкам слева направо (горизонтальная развёртка), а затем возвращался к началу следующей строки. Вертикальная развёртка отвечала за перемещение луча сверху вниз по мере заполнения строк. После завершения последней строки кадра луч возвращался в верхний левый угол экрана — это называлось обратным ходом по вертикали.

В 1930-х годах были разработаны стандарты чересстрочной развёртки (interlaced scanning), где вертикальная развёртка делила кадр на два поля: сначала нечётные строки, затем чётные. Это позволяло увеличить частоту мерцания без расширения полосы пропускания. В СССР стандарт чересстрочной развёртки (625 строк, 50 полей в секунду) был принят в 1948 году.

¶Переход к цифровым дисплеям

С появлением жидкокристаллических (LCD) и плазменных панелей в конце XX века физическая развёртка электронным лучом исчезла. Однако термин «вертикальная развёртка» сохранился в контексте интерфейсов передачи видеосигнала (VGA, DVI, HDMI, DisplayPort). В цифровых дисплеях вертикальная развёртка означает сигнал, синхронизирующий смену кадров: частота обновления экрана (например, 60 Гц, 120 Гц) соответствует частоте вертикальной развёртки.

¶Принцип работы

¶В ЭЛТ-дисплеях

В ЭЛТ-мониторах и телевизорах вертикальная развёртка реализуется с помощью отклоняющей системы, состоящей из катушек индуктивности. Сигнал вертикальной развёртки — это пилообразное напряжение, которое подаётся на катушки, создавая магнитное поле, отклоняющее луч сверху вниз. Параметры сигнала:

• Частота — определяет количество кадров в секунду (например, 50 Гц для PAL, 60 Гц для NTSC).
• Амплитуда — задаёт полный угол отклонения луча по вертикали.
• Обратный ход — быстрое возвращение луча в верхнюю часть экрана, во время которого луч гасится (гасящий импульс).

В чересстрочной развёртке вертикальная развёртка формирует два поля, каждое со своей синхронизацией. Время обратного хода по вертикали (вертикальный гасящий интервал) используется для передачи служебной информации (телетекст, субтитры, данные VBI).

¶В цифровых дисплеях

В современных дисплеях с матричной адресацией (LCD, OLED) вертикальная развёртка — это не физическое движение, а процесс последовательной записи данных в строки пикселей. Контроллер дисплея получает сигнал вертикальной синхронизации (VSync), который указывает начало нового кадра. После этого данные строки за строкой передаются через интерфейс (например, LVDS или eDP). Частота вертикальной развёртки (частота обновления) определяет, сколько раз в секунду обновляется всё изображение. При этом обратный ход отсутствует — данные просто перезаписываются.

¶Параметры и стандарты

¶Частота вертикальной развёртки

Частота вертикальной развёртки (частота кадров) — это количество полных кадров, отображаемых в секунду. Измеряется в герцах (Гц). Основные стандарты:

• 50 Гц — стандарт PAL/SECAM (Европа, Россия, Азия, Австралия).
• 60 Гц — стандарт NTSC (США, Канада, Япония, Южная Корея).
• 100/120 Гц — удвоенная частота для уменьшения мерцания в ЭЛТ-телевизорах.
• 144 Гц, 240 Гц, 360 Гц — высокие частоты для игровых мониторов.

В киноиндустрии частота кадров (24 кадра/с) не совпадает с частотой вертикальной развёртки, что требует преобразования (telecine) для телевещания.

¶Вертикальное разрешение

Вертикальная развёртка связана с количеством строк в кадре. В ЭЛТ-системах это число строк, проходимых лучом за один кадр (например, 625 строк в PAL, 525 в NTSC). Часть строк отводится на обратный ход (вертикальный гасящий интервал), поэтому активное разрешение меньше (576 строк в PAL, 480 в NTSC). В цифровых стандартах (HDTV, UHD) вертикальное разрешение фиксировано: 720p (720 строк), 1080p (1080 строк), 2160p (2160 строк — 4K).

¶Синхронизация

Сигнал вертикальной синхронизации (VSync) — это импульс, который передаётся в составе видеосигнала (композитный, компонентный, VGA, HDMI) или отдельно. Он указывает начало нового кадра. В компьютерной графике VSync используется для синхронизации вывода кадров с частотой обновления монитора, чтобы избежать разрывов изображения (tearing).

¶Применение

¶Телевидение и видеонаблюдение

Вертикальная развёртка является основой всех телевизионных стандартов: аналогового (PAL, NTSC, SECAM) и цифрового (DVB, ATSC). В системах видеонаблюдения частота вертикальной развёртки (обычно 25 или 30 кадров/с) определяет плавность записи.

¶Компьютерные мониторы

В мониторах частота вертикальной развёртки влияет на комфорт восприятия: низкие частоты (60 Гц) могут вызывать мерцание, высокие (120 Гц и выше) обеспечивают плавное движение. В игровых мониторах частота достигает 360 Гц и выше, что требует соответствующей производительности видеокарты.

¶Медицина и научная визуализация

В медицинских ультразвуковых сканерах и осциллографах вертикальная развёртка может быть синхронизирована с внешними сигналами (например, с частотой сердечных сокращений). В электронных микроскопах вертикальная развёртка управляет сканированием образца.

¶Технические особенности

¶Чересстрочная развёртка

При чересстрочной развёртке (interlaced) вертикальная развёртка формирует два поля с частотой, вдвое превышающей частоту кадров. Например, при частоте кадров 25 Гц частота полей составляет 50 Гц. Это уменьшает мерцание, но может вызывать артефакты (гребёнка) при быстром движении. В современных дисплеях чересстрочная развёртка обычно преобразуется в прогрессивную (deinterlacing).

¶Прогрессивная развёртка

При прогрессивной развёртке (progressive scan) строки выводятся последовательно, без разделения на поля. Это обеспечивает более чёткое изображение, особенно при статичных сценах. Прогрессивная развёртка используется в большинстве компьютерных мониторов и в HDTV (720p, 1080p).

¶Вертикальный гасящий интервал

Вертикальный гасящий интервал (VBI) — это время, необходимое для обратного хода луча в ЭЛТ. В аналоговом телевидении VBI использовался для передачи телетекста, скрытых субтитров, сигналов точного времени (VITC) и других данных. В цифровых системах VBI отсутствует, так как данные передаются в пакетном виде.

¶Критика и ограничения

¶Мерцание

Низкая частота вертикальной развёртки (50/60 Гц) в ЭЛТ-дисплеях вызывала заметное мерцание, особенно при периферийном зрении. Это приводило к утомлению глаз и головным болям. Решения включали повышение частоты до 100/120 Гц (в телевизорах) или использование прогрессивной развёртки с более высокой частотой (в мониторах).

¶Разрыв изображения

При несовпадении частоты кадров видеокарты и частоты вертикальной развёртки монитора возникает разрыв (tearing) — изображение состоит из двух частей, сдвинутых по горизонтали. Технологии VSync (вертикальная синхронизация) и G-Sync/FreeSync решают эту проблему, синхронизируя вывод кадров.

¶Ограничения чересстрочной развёртки

Чересстрочная развёртка плохо подходит для отображения мелкого текста и быстрых движений. В современных дисплеях она практически не используется, за исключением некоторых телевизионных стандартов (1080i).

¶Интересные факты

• В первых телевизионных системах (например, механический телевизор Нипкова) вертикальная развёртка осуществлялась вращающимся диском с отверстиями, а не электронным лучом.
• В СССР стандарт вертикальной развёртки 50 Гц был выбран из-за совпадения с частотой электрической сети, что упрощало синхронизацию.
• В некоторых старых компьютерных мониторах (CGA, EGA) частота вертикальной развёртки могла варьироваться в зависимости от режима (например, 60 Гц для текстового режима, 70 Гц для графического).
• Современные OLED-дисплеи могут иметь частоту вертикальной развёртки до 1000 Гц в экспериментальных образцах, что полностью устраняет мерцание.

¶Источники

• ГОСТ 21879-88 «Телевидение. Термины и определения»
• Р. Л. Хартли, «Телевидение: основы и стандарты», 1985
• Документация VESA (Video Electronics Standards Association) по стандартам развёртки
• Статья «Interlaced vs Progressive Scan» в журнале «IEEE Transactions on Consumer Electronics», 2005
• Материалы курса «Основы телевидения» МТУСИ, 2019