显示技术介绍(3)_CRT技术

作者:wowo 发布于:2016-1-30 22:18 分类:显示

1. 前言

CRT(Cathode Rays Tube,阴极射线管)是最原始的电子显示技术,在上世纪被广泛运用于模拟电视(Analog television)系统中。本文将以模拟电视系统为背景,介绍CRT显示技术的原理、特性以及一些关键术语。

众所周知,CRT显示已经逐步被数字显示取代,已有退出历史舞台之势,本文之所以介绍它,原因有三:

1)模拟电视是我们这一代人童年的记忆,美好又神秘。现在回头去看,发觉其中的技术是那么的简单、有趣,值得一说。

2)帮助理解显示时序(video mode,or display timings)。对写过显示驱动的人来说,显示屏的那长长一串的时序相关的参数(xres, yres, hsync len, vsync len, left margin, etc.),足以让自己崩溃。追根溯源,它们产生于CRT技术,现在之所以还存在,很大程度上是CRT的延续,没有太多实质的意义。

3)现在很多前沿的显示技术,如PDP、FED等,都和CRT的工作机制类似(具体可以参考“显示技术介绍(2)_电子显示的前世今生”中的介绍)。理解CRT是理解这些新技术的基础。

2. CRT简介

CRT显示技术的本质是:

1)电子枪发射电子束,并在加速电场的作用下加速。

2)电子束轰击荧光物质发光。发光的亮度取决于电子束的速度,即加速电场的强度。

3)加速电场的强度由输入的视频信号控制,因此可以还原视频。

4)电子束可以产生直径略小于1mm的光点,在偏转系统的控制下,可以分时点亮屏幕上所有的区域,并利用人眼视觉暂留原理,产生一副完成的画面(人眼看来)。

因此,CRT包含了电子束产生(电子枪)、加速系统、偏转系统、涂有荧光物质的显示屏等基本组件,它们组合在一起,再加一个管壳,就是常说的阴极射线管(CRT)。

3. 模拟电视系统简介

模拟电视系统是一个包含视频信号采集输出、编码、传输、解码、还原显示的系统,其框图如下:

模拟电视系统

图片1 模拟电视系统

模拟电视系统中的显示终端(电视)基本上采用CRT显示,因此也称作CRT电视。一般情况下,CRT电视作为一个整体,包含了RF de-modulation、Analog decoding、CRT display三个部分。

4. 光电转换和电光转换

CRT是把电信号转换为光信号的一种技术,但电信号是怎么来的呢?巧的很,也可以使用类似的技术,如下:

电光&光电转换

图片2 光电&电光转换

上图描述了基于CRT的模拟电视系统的技术基础:

电子束轰击光电靶形成电回路,将光信号转换为电信号,完成光电转换;

加速后的电子束轰击荧光物质发光,将电信号转换回光信号,完成电光转换。

光电转换的目的是把图像信号转换为电信号,以便于传输、保存,转换后的电信号就是电子显示的源数据。上图左边部分介绍了基于阴极射线的光电转换过程:

1)电子枪的阴极产生电子束,并打在一个导电的光电靶上。

2)光电靶通过一个电阻(RL)和电子枪的阳极连接,打在光电靶上的电子束流经电阻回到电子枪的阳极,从而形成一个电回路。

3)光电靶本身也有电阻,且随光线强度的改变而改变(可以看做光敏电阻)。因此在光电靶和RL之间会产生随光线变化而变化的电压输出,就是视频信号输出。

光信号转换为电信号后,经过存储、传输、转换后,会以输入信号的形式,控制CRT中加速电场的强度,进而控制荧光屏上荧光物质的发光强度,完成电光转换(电子显示)。

理解了上面光电转换和电光转换的过程之后,我们会产生如下疑问:

问题一:一个光电靶只能反映一个点的光线变化,但这显然不够,一个足够大的平面上所有点的光线变化才是有意义的,要怎么做?

问题二:为什么一定需要电子束来形成电回路,一个简单的导线不也可以达到目的吗?

要回答上面两个问题,我们要进一步理解电子扫描的原理。

5. 电子扫描

首先回答问题二,电子束当然不是必须的,现在普遍使用的数码摄像、数字显示等技术,都不需要电子束的参与,当然,它们不在本文的介绍范围内,就不过多涉及了。因此,我们先分析基于电子束的场景。

对于问题一,怎么得到一个平面上多个点的光线变化呢?机智的工程师们想到了扫描(Scanning)。所谓的扫描,就是同一时刻只处理一个点,如果能够在短时间内(足以欺骗人的眼睛的时间,如40ms)处理完所有的点,就万事大吉了,如下图所示:

Raster-scan

图片3 Raster scanning

上面图片所描述的电子扫描(也称作光栅扫描,Raster scanning[2]),在模拟电视系统中,既用于图像的采集,也用于图像的显示。可以这样理解:

我们可以使用多个光电靶(假设是MxN个)组成一个平面,然后在电子束经过的路径上的水平和垂直方向分别加入合适的磁场,磁场的强度由一个由锯齿波信号控制的线圈(偏转线圈)决定,由于磁场会使电子束偏转,因此就可以控制电子束以从左到右、从上到下的方式,分别打到每一个光电靶上。这个过程就叫做扫描。

扫描的结果,是将MxN个光电靶所代表的的光信号,分别转换成电信号,并依次输出。这样的一个电信号序列,称作一个图像帧(Frame),接收端(CRT显示器),按照同样的规则,就可以将这样的图像帧还原显示。

关于电子扫描,有很多重要的概念,会在显示有关的驱动编写中用到,下面结合上面图片,一一解释。

1)扫描线(Scan lines)和分辨率(Resolution)

对电子扫描而言(这里以图像采集为例),一行中所有光电靶输出的信号实际上是连续信号,这就意味着:

一行所包含的光电靶个数,对扫描(或者显示)来说,是不重要的,它只影响光信号采集的精度,也即图像的精细度。甚至,显示端根本不关心采集端到底用了多少个光电靶采集信号(由于是模拟信号,它也无从得知)。这个特征决定在电子扫描的水平方向上,并没有分辨率的概念,整个水平方向上的一行,称作一个扫描线(Scan line)。

对模拟的CRT显示来说,只需要根据显示器的特性(水平方向有多长),将一行的模拟信号map过去即可。

当每一行扫描结束的时候,电子束需要在水平偏转磁场和垂直偏转磁场的偏转作用下,回到下一行的起点(这个过程称作回扫,下面会介绍),这中间不允许采集信号,因而每一个扫描线之间,是不连续的。也就是说,电子扫描在垂直方向上有分辨率的概念,即多少个扫描线(Scan lines)。

综上所述,在电子扫描中,分辨率可以用Scan lines表示,例如576 lines。

2)回扫(Horizontal/Vertical retrace)

电子束从左向右扫描完一行后,需要在水平偏转磁场的作用下快速移回到最左边,并在垂直偏转磁场的作用下,向下偏转一个scan line,以便扫描下一行。同理,电子束从上向下扫描完一帧后,也需要在垂直偏转磁场的作用下快速移回到最左边。因此,水平和垂直两个偏转磁场,实际上是一个周期性的锯齿波,如下:

Scanning-pattern

图片4 Scanning-pattern

斜率为正的上升期,称作正扫描,电子束将会从左向右(或者从上向下)偏转。斜率为负的下降期,称作回扫(retrace),电子束将会从右向左(或者从下向上)偏转。

由于回扫的过程中不能采集(或者输出)信号,因此需要关闭电子束,称作blank(Horizontal/Vertical balnk)。回扫结束后(回到了最左边或者最右边),需要重新打开电子束,称作unblank。

注1:了解显示驱动(如linux framebuffer)的同学,应该对blank/unblank不陌生,它们的来源正是此处。

3)前肩(front porch)和后肩(back porch)

由上面的描述可知,回扫开始的时候需要blank操作,即关闭电子束的发射。在模拟电子的世界里,关闭电子束的发射,其实就是将激发电子束发射的电压从高电平降到一个较低的电平(接近零),但下降的过程是需要时间的(具体原因有多种,这里就不详细分析了),因此:

在电平降到一个安全的值之前(电子束不再发射),不能开始回扫。

也就是说,有效的视频信号必须要在回扫开始前结束(即上面图片4中“t2”处),从有效视频信号结束到回扫开始的那一段时间,称作前肩(front porch),这一段时间也是blank操作所需的时间。

另外,回扫也是需要时间的(不用纠结原因,都是老历史了),这一段时间可以用作同步信号。

同样的道理,回扫完成后,unblank操作时,电平从接近零值上升到正常值(可以发射电子束,图片4中的“t1”处)也需要一定的时间,称作后肩(back porch)。在back porch的这一段时间内,视频信号也是无效的。

综上所述:视频信号的有效范围,是图片4中t1到t2的范围,一般称作xres/yres;视频信号的无效范围,是图片4中t2到t1的范围,包括front porch、sync len和back porch(水平或者垂直方向上),一般称作blanking interval(Horizontal/ Vertical blanking interval[3],[4])。

4)同步信号(sync pulse)

由“图片1 模拟电视系统”的描述可知,视频信号在发送之前,需要经过Analog encoding,而编码的过程是不包括前后肩(front/back porch)信息的,因为前后肩的值和具体系统的电路有关,因而不应包含在传输系统中。

但是,从时间轴上看,视频信号是不连续的,每一行的有效信号之后,会有一段horizontal blanking interval,每一帧的有效信号之后,会有一段vertical blanking interval。编码器利用这些空隙时间,传递了一种特殊信号---同步信号(HSYNC和VSYNC,在模拟系统中,该信号以一个高于正常视频电平的高电平脉冲),用于告知接收端每一行以及每一帧视频信号的开始和结束。

6. 显示时序(display timings)和视频模式(videomode)

经过上面章节的介绍,我们对CRT显示技术有了一个基本的了解,并引出了前后肩、同步信号等概念,此时,我们可以回到linux kernel中,看几个数据结构的定义:

  1: /* include/video/display_timing.h */
  2: 
  3: struct display_timing {
  4:         struct timing_entry pixelclock;
  5: 
  6:         struct timing_entry hactive;            /* hor. active video *
  7:         struct timing_entry hfront_porch;       /* hor. front porch */
  8:         struct timing_entry hback_porch;        /* hor. back porch */
  9:         struct timing_entry hsync_len;          /* hor. sync len */
 10: 
 11:         struct timing_entry vactive;            /* ver. active video *
 12:         struct timing_entry vfront_porch;       /* ver. front porch */
 13:         struct timing_entry vback_porch;        /* ver. back porch */
 14:         struct timing_entry vsync_len;          /* ver. sync len */
 15: 
 16:         enum display_flags flags;               /* display flags */
 17: };

hactive, hfront_porch, hback_porch, hsync_len/vactive, vfront_porch, vback_porch, vsync_len,是不是已经不陌生了?

再看一下struct videmode和struct fb_videomode,以及linux下的fbset命令(就不贴代码了,具体可参考include/video/videomode.h、include/linux/fb.h以及Documentation/fb/framebuffer.txt),也都类似,不再难以理解了。

7. 总结

最后,本文对CRT以及模拟电视系统的介绍,只是九牛一毛,很多较为细节的内容,如帧率、隔行扫描(Interlaced scan)、编码、显示制式(PAL/NTSC)等等,都没有涉及。有碍于篇幅和个人精力,就不一一介绍了,如有兴趣,可参考本文后面的一些链接。

8. 参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Raster_scan

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal_blanking_interval

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_blanking_interval

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_television#Structure_of_a_video_signal

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Overscan

 

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标签: CRT scan blank unblank front porch back

评论:

hanks
2016-02-17 11:08
这文章普及了一些之前不明白的知识,真的很赞。
我有个问题,之前的黑白模拟电视机,有些频道如果没有信号,呈现的是雪花点;另外的频道似乎有信号,但是呈现的是黑白相间的类似图3的宽斜线,说起来是行不同步,或者帧不同步导致的,具体怎么理解?
wowo
2016-02-17 22:02
@hanks:关于雪花点:CRT显示并不关心输入的信号是“有效”还是“无效”,雪花点是de-modulation和decoding的过程中引入的,当有效信号很弱的时候,会被淹没在噪声中,因此雪花点可以看做随机信号。
关于帧(或者行)同步,可以这样理解:假设图像采集端使用“图片3”那样的扫描方式,而CRT显示端,使用另一种方式,输出的图像肯定是不正确的。至于为什么会是“宽斜线”,要看具体的场景了。
heziq
2016-02-02 15:55
写的太棒了,我终于明白前肩,后肩的意思了。我这里有个疑问,在hactive的时间里,行是不是也是稍微有点倾斜的,并不是一条水平的直线,在行扫描的过程中,其实它也受到列偏转磁场的影响。
wowo
2016-02-02 20:26
@heziq:是的,垂直方向也是在缓慢偏转的。不过你想啊,两条线都是斜的,稍微转一下,总能把一个转直,就是图片3的样子了。呵呵~~

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