Het effect van CRT's op pixel art

Er is een terugkerend argument dat moderne pixel art vaak niet "juist" oogt. Zo heeft TikTok-gebruiker "mylifeisanrpg" een populaire video gemaakt waarin hij uitlegt hoe pixel-artiesten vroeger gebruikmaakten van de inherente fysieke eigenschappen van Cathode Ray Tubes (CRT's). Kort samengevat beschrijft hij hoe de wazigheid van een CRT de ruwe randen van pixels met een lage resolutie gladstreek, waardoor beelden veel minder blokkerig ogen dan wanneer ze op een modern flatscreen worden bekeken.

Dit is correct. Ik ben het er ook mee eens dat moderne, blokkerige pixel art vaak een vorm van misplaatste, anachronistische nostalgie is. Er speelt echter veel meer mee bij zowel pixel art als oude gaming-hardware dan enkel de wazigheid van CRT's.

In screenshots uit de video van "mylifeisanrpg" zien we een illustratie van de "ruwe" visuele data van een Nintendo-sprite (links) en een weergave van hetzelfde beeld op een CRT-scherm. Ik betwijfel of de CRT-versie is genomen van een echte CRT; ik denk dat het te wazig oogt. Het zou een effect kunnen zijn van een close-up foto die is vergroot, maar waarschijnlijk is het een CRT-benadering gegenereerd door een softwarefilter op een moderne machine. Dergelijke filters zijn vaak beschikbaar in software die oude hardware emuleert. Hoewel de intentie goed is, heb ik nog nooit een filter gezien dat de eigenaardigheden van een echte CRT correct kan overbrengen. Ik gebruik zelf regelmatig (minstens wekelijks) oude CRT's, en wanneer ik een emulator op een modern systeem gebruik, schakel ik CRT-filters altijd uit.

(Update 02-08-2024: Er is mij verteld dat de bovenstaande afbeelding inderdaad een foto van een CRT is. Mea culpa! Ter referentie: een minder onscherpe close-up van een CRT zal scanlijnen, het schaduwmasker en de RGB-cellen beter onthullen.)

(Update 13-10-2025: Ik heb een uitgebreidere tekst geschreven over de "Peach-meme" en signaalkwaliteit.)

Een ander voorbeeld, van Twitter-gebruiker KaelanRamos, laat zien dat het moeilijk is om het echte CRT-gevoel te reproduceren op iets anders dan een echte CRT: het beeld aan de rechterkant is veel te donker en wazig om een accuraat beeld te geven van hoe CRT's eruitzien.

Beide voorbeelden wekken de indruk dat individuele pixels op CRT-schermen bijna ondetecteerbaar waren, wat — zoals hieronder zal worden aangetoond — simpelweg niet het geval is. Hoewel ze overdreven zijn, illustreren ze wel dat een bepaald type CRT de ervaring van het bekijken van pixel art aanzienlijk verandert in vergelijking met een modern flatscreen.

De Techniek

Net als bij elk artistiek medium hebben CRT's en oude hardware hun eigen eigenaardigheden, nadelen en voordelen. Op vroege 8-bit systemen, zoals de C64 en NES, bepaalden strikte hardwarebeperkingen wat er op het gebied van graphics mogelijk was. Een screenshot van het Commodore 64-spel Maniac Mansion (uitgebracht in 1987) heeft een oorspronkelijke resolutie van 160x200 pixels. Er zou een enorm wazige CRT nodig zijn om dat soort blokkerigheid glad te strijken.

Een foto van een C64 aangesloten op een Commodore 1084S-monitor laat zien dat, ondanks matige fotokwaliteit, kartelige pixelranden duidelijk zichtbaar zijn. Dit bewijst dat een CRT geen universele oplossing is voor blokkerige 8-bit graphics.

Na verloop van tijd leerden artiesten en programmeurs meer over deze 8-bit systemen. Er werden diverse programmeertrucs en artistieke technieken ontwikkeld om betere graphics te produceren op exact dezelfde hardware. Een voorbeeld hiervan is Mayhem in Monsterland (1993), zes jaar na Maniac Mansion.

Zelfs op een modern flatscreen is deze grafiek duidelijk superieur. Naast het zorgvuldig benutten van het vaste kleurenpalet van 16 kleuren van de C64, maakt Mayhem in Monsterland gebruik van anti-aliasing en dithering om een hogere resolutie en kleurdiepte te simuleren. (Er worden ook sprite-overlays gebruikt, wat technisch lastig is om correct te programmeren.) Deze technieken werken samen met de eigenschappen van een CRT — lichte wazigheid, scanlijnen, subtiele kleuruitloop — en tegen de beperkingen van de machine — lage resolutie, beperkte kleurselectie, zeer weinig RAM.

Hieronder volgen definities van deze technieken:

• Dithering: Het gebruik van willekeurige pixelpatronen, zoals lijnen, stippen of ruis, om nieuwe kleurwaarden te simuleren. Dit is vergelijkbaar met arcering in inkttekeningen en oude gravures.
• Anti-aliasing (AA): Het concept waarbij pixels met tussenliggende kleurwaarden worden gebruikt om scherpe randen glad te maken en een hogere resolutie te simuleren.

Vanwege de extreme hardwarebeperkingen van oude 8-bit systemen zijn dithering en AA zeldzaam in in-game graphics. Stilstaande beelden, zoals laadschermen, waren minder beperkt en vaak uitgebreider. Een andere beperkende factor was het ontwikkelproces. Hoewel er cross-development oplossingen bestonden, waren deze duur; veel ontwikkelaars werkten direct op de doelmachine. Graphics-programma's voor de C64 leden onder dezelfde beperkingen als de games. Ook waren muizen voor de C64 zeldzaam, waardoor veel artiesten het toetsenbord of een joystick gebruikten om te tekenen.

Een overvloed aan kleuren

Hoewel veel 8-bit liefhebbers het er niet mee eens zullen zijn, beschouw ik het 16-bit tijdperk (Amiga 500, SNES, Atari ST en SEGA Mega Drive) als het ware gouden tijdperk van pixel art. De hardware was nog steeds beperkt, maar de extreme beperkingen van 8-bit geheugenadressering waren verdwenen. De Amiga kon een scherm met 32 kleuren weergeven en grote hoeveelheden graphics verwerken zonder moeite. De resoluties waren echter nog steeds laag, gemiddeld rond de 320x240 pixels. Evenzo was de mogelijkheid om 32 vrij selecteerbare kleuren uit een totaal van 4.096 te kiezen een wonder vergeleken met de vaste paletten van 8-bit machines, maar het stond in geen verhouding tot de 24-bit kleurruimte die we tegenwoordig gewend zijn.

De progressie in vaardigheid en technische vindingrijkheid die plaatsvond op 8-bit systemen, gold ook voor de 16-bit wereld. Zoals iemand wijs ooit zei: "een technologie is altijd op zijn best vlak voordat hij overbodig wordt". De graphics van Amiga-games verbeterden naarmate de tijd verstreek. Betere hardware maakte conversies van arcade-games mogelijk. Silkworm (Amiga 500, 1989) komt heel dicht in de buurt van het originele arcadekabinet uit 1988, waarbij zowel anti-aliasing als dithering wordt gebruikt voor de in-game graphics.

Het startscherm van Ruff'n'Tumble (Amiga 500, 1994) is een prachtig voorbeeld van hoe ver pixel art destijds was gevorderd. Het palet is opgebouwd uit complementaire kleuren, waarbij enkele tinten blauw de rode tinten laten "knallen". Dithering is alomtegenwoordig maar subtiel, en de AA is zo ver doorgevoerd dat het beeld zelfs op een modern flatscreen opvallend glad oogt. Het gebruik van grote witte highlights (zoals in het vuur en op het haar en gezicht van de jongen) creëert de illusie van meer kleuren. Bovendien neigen schaduwen naar puur zwart, wat contrast en volume creëert en het mogelijk maakt om donkere tinten te hergebruiken voor huid, haar, kleding, vuur en de logo-tekst.

Signalen en ruis

Welke rol speelt een CRT nu precies in pixel art? Het korte antwoord is: "Dat hangt ervan af". Alle CRT's, vooral de goedkope oude modellen, hebben artefacten zoals visueel waarneembare scanlines (dunne zwarte lijnen tussen lijnen pixels) en color bleeding (een effect van de RGB-fosforen en het schaduwmasker). Dit zijn directe effecten van hoe CRT's werken en beïnvloeden hoe een beeld wordt weergegeven.

Een ander aspect is de signaalkwaliteit. De beste kwaliteit op analoge displays wordt bereikt door aparte signalen voor elke kleurwaarde te gebruiken, wat bekend staat als RGB (Rood, Groen, Blauw). Veel oude 8- en 16-bit machines waren echter aangesloten op een goedkope tv via Radio Frequency (RF) modulatie of composite video.

• RF-modulatie: Genereert een signaal via de antenne-ingang van de tv. Het resultaat is zo slecht dat het zelfs de graphics van Maniac Mansion zou kunnen "vervagen".
• Composite: Vergelijking met RF is veel beter.
• S-Video: De volgende stap omhoog.
• RGB-gescheiden SCART: De koning van de aansluitingen. Dit was nooit beschikbaar in de VS, wat betekent dat Amerikanen mij op mijn woord moeten geloven wanneer ik zeg dat RGB SCART op een goede tv bijna zo scherp is als een echte RGB-computermonitor — maar bijna.

Anti-aliasing en dithering dragen sterk bij aan een glad uiterlijk. Het tonen van deze technieken op een CRT helpt zeker, vooral bij schermen gebouwd voor PAL of NTSC video. Op een 1084S monitor is in ingezoomd beeld AA en dithering duidelijk zichtbaar; in normaal beeld zorgt de inherente wazigheid van de CRT ervoor dat deze elementen versmelten tot iets dat groter is dan de som der delen.

Een detail uit een Atari STe-intro genaamd Riverside (door Dead Hackers Society) laat zien dat, wanneer de machine is aangesloten via RGB SCART op een 14" Philips CRT-tv, pixels nog steeds duidelijk zichtbaar zijn. In dit specifieke geval zou anti-aliasing onpraktisch zijn: het kolkende watereffect achter de bladeren verandert constant van kleur. AA toepassen op een donkere kleur zou er zeer storend uitzien zodra de achtergrond naar licht verspringt, en vice versa.

Een CRT is inderdaad veel vergevingsgezinder dan een modern flatscreen, zelfs zonder anti-aliasing. Maar in veel gevallen waren dithering en AA overduidelijk voor de eindgebruiker. Desondanks was het vaak de betere keuze: het menselijk brein is meesterlijk in het worden gefopt en heeft een fantastisch vermogen om gaten in te vullen.

Dithering en anti-aliasing verbeteren een pixel art-beeld ongeacht het type scherm. Ze zijn ontworpen om de lage resolutie van oude hardware tegen te gaan; het is toevallig dat een CRT ze er nog beter uit laat zien. Hoewel een composite-signaal beelden waziger maakt dan S-Video, is een betere signaalkwaliteit altijd te prefereren. Bij te veel ruis gaan details verloren en kloppen de kleuren niet. Indien beschikbaar is een RGB-verbinding altijd de beste keuze.

Een uitzondering op deze regel is CGA color blending op oude IBM PC's. Dit maakt gebruik van artefacten van het NTSC composite videosignaal — niet van het scherm zelf — om meer kleuren weer te geven dan normaal mogelijk is via het RGB-signaal. Dit kan alleen worden bereikt via composite video en heeft niets te maken met de CRT zelf.

Let op dat deze CGA-truc niet hetzelfde is als dithering, ook al kan dithering (met het juiste scherm en de juiste kleuren) de illusie van nieuwe kleuren wekken. Dit laatste is wel degelijk gekoppeld aan het gebruik van een proper CRT, in tegenstelling tot "video signal shenanigans".

Technologische vooruitgang

Tot nu toe hebben we PAL- en NTSC-displays behandeld. Deze hadden een relatief lage verversingssnelheid (slechts 50 Hz op PAL-systemen) en een grove dot pitch. Bij computerschermen zijn er altijd twee resoluties: de resolutie geproduceerd door de computer (bijv. 320x200) en de dot pitch van het scherm zelf. De dot pitch beschrijft de dichtheid van de RGB-cellen, wat bepaalt hoe nauwkeurig het scherm het gewenste beeld kan reproduceren.

Met betere componenten en een fijnere dot pitch reproduceert het scherm het beeld met grotere getrouwheid, waardoor de CRT-artefacten die gepaard gaan met pixel art-trucs afnemen. De meeste oude tv's hadden een grove dot pitch. RGB-monitoren uit diezelfde periode hadden een fijnere dot pitch, en zij werden op hun beurt overtroffen door VGA-schermen.

Een detail uit Duke Nukem 3D op een standaard consumenten-CRT VGA-scherm uit 1995 (bij een resolutie van 320x200) laat zien dat individuele pixels, zelfs met een zeer laag contrast, zeer duidelijk herkenbaar zijn. VGA-monitoren hadden nog steeds de CRT-kenmerken van hun voorgangers, maar waren van veel hogere kwaliteit en minder gevoelig voor artefacten. Toch waren pixel art-technieken niet zinloos: zonder anti-aliasing ziet de hand die een clip in het geweer duwt er zeer kartelig uit.

Ook op een monochrome NeXT MegaPixel Display (1990), een professioneel scherm met een resolutie van 1120x832 pixels, zijn individuele pixels nog steeds zichtbaar.

Als je goed kijkt en je ogen een beetje samenknijpt, zijn individuele pixels vaak zelfs op moderne flatscreens waarneembaar. We denken er alleen minder aan, mede omdat ze veel kleiner zijn, maar ook omdat modern beeldmateriaal veel gemeen heeft met oude pixel art-trucs: zoom in op een digitale foto en je zult veel anti-aliasing zien. Moderne computers zijn bovendien snel genoeg om deze technieken on-the-fly toe te passen; font smoothing is in feite een andere naam voor "real-time anti-aliasing van tekst".

De uitstekende beeldkwaliteit van laatstadium CRT's (eind jaren '90 of begin 2000) zorgt ervoor dat elke oude 320x200 pixel art game er in principe net zo scherp en blokkerig uitziet als op een modern flatscreen. Het was niet de CRT-technologie op zich die pixel art er beter uit liet zien, maar de flagrante artefacten van goedkope consumentenelektronica met een lage dot pitch die samen precies de juiste hoeveelheid "fuzz" creëerden. Dit betekent dat retro-gamers verschillende herinneringen kunnen hebben aan hoe pixel art "zou moeten" ogen, afhankelijk van of ze DOS (VGA), Amiga (RGB) of 8-bit console (composite) liefhebbers waren.

Beeldverhoudingen (Ratioed)

Bij het verkennen van authentieke pixel art op een modern scherm, kom je uiteindelijk dit tegen: Governor Elaine Marley (uit Monkey Island) ziet er volledig platgedrukt uit, ondanks haar 256-kleur VGA-pracht.

Dit is een artefact van een 1:1 conversie van oude pixel art. Moderne flatscreens hebben vaste resoluties en puur digitale interfaces, wat zorgt voor een vaste beeldverhouding (aspect ratio) en volledig vierkante pixels. CRT's konden echter diverse resoluties weergeven. VGA omvatte bijvoorbeeld zowel de gaming-standaard 320x200 als de zakelijke 640x480. Deze twee hebben zeer verschillende beeldverhoudingen. Een VGA-monitor moest beide kunnen weergeven en benaderde daarom de verhouding van 640x480. Als je wilde dat 320x200 games de volledige hoogte van je scherm vulden, moest je de weergave zo aanpassen dat de pixels niet vierkant waren.

Wanneer we de hoogte van het beeld van Governor Marley iets verhogen, zodat het beter past bij een 640x480 beeldverhouding, ziet het er direct veel beter uit. Variabele beeldverhoudingen en resoluties met niet-vierkante pixels zijn vaak vergeten eigenaardigheden van CRT-schermen. Dit werd ook nooit meegerekend bij het porteren van PC-games naar PAL-Amiga's met een 320x256 resolutie.

Moderne Kunst

Wat betreft pixel art ben ik een purist. Ik ben opgegroeid met 16-bit systemen en gebruik ze nog steeds actief binnen de demo-scene. Ik houd me zelf ook bezig met pixel art. Veel werk wordt nog steeds geproduceerd voor oude platforms, en vaak is dat veel beter dan mijn eigen pogingen. Deze werken volgen de kernprincipes van wat ik beschouw als pixel art:

• Een beperkte en relatief lage resolutie.
• Een beperkt en/of vast kleurenpalet, met maximaal 256 kleuren op het scherm — bij voorkeur minder.
• Gebruik van pixel art-technieken, zoals anti-aliasing en dithering, oftewel: precisie op pixelniveau tijdens het creatieve proces.

Het nemen van artistieke vrijheden met resolutie en kleurpaletten in een moderne "pixel art" game vind ik prima. Mijn grootste irritatie is slordige techniek. Veel moderne pixel art is opzettelijk gemaakt om overdreven blokkerig te ogen. Dithering en anti-aliasing worden simpelweg niet gebruikt, waardoor het er nog "chunkier" uitziet dan echte oude game-art op een modern scherm. Het lijkt erop dat artiesten bang zijn dat klassieke technieken de beelden "te goed" zouden maken, terwijl ik geloof dat het tegenovergestelde waar is.

Conclusie

CRT's speelden een grote rol in de pixel art-ervaring van vroeger — vooral goedkope tv's en consumenten-RGB-monitoren voor PAL- of NTSC-signalen. Even belangrijk waren echter technieken zoals paletselectie, dithering, anti-aliasing en color blending. Pure programmeertrucs hielpen ook bij het produceren van betere kwaliteit pixel art, vooral op 8-bit systemen.

Moderne pixel art lijdt aan twee kwalen: artiesten die bang zijn traditionele technieken te gebruiken omdat het beeld dan niet blokkerig genoeg zou zijn, en een rooskleurige nostalgie die CRT-schermen onterecht afschildert als een veel vergevingsgezinder medium dan ze in werkelijkheid waren.

C'est la vie, zoals ze zeggen.