چرا تصویر بازی‌های قدیمی پیکسلی بود؟ بررسی سیر تحول کیفیت تصاویر کامپیوتری

21

بیشتر بازی‌های ویدیویی و کامپیوتری که در قرن بیستم طراحی شده بودند گرافیک پیکسلی و بلوکی داشتند. افرادی که تجربه اجرای بازی در آن دوره را ندارند (یا به جزئیات فنی دقت نمی‌کنند) از علت این موضوع بی خبر هستند. در این مطلب به بررسی ریشه‌های فنر پیکسلی و سیر تکامل گرافیک کامپیوتری در طول زمان می‌پردازیم.

هزینه و فناوری‌های آن دوره باعث ایجاد محدودیت در رزولوشن تصویر می‌شدند

علت اصلی پیکسلی شدن تصاویر بازی‌های ویدیویی قدیمی – یعنی وقتی که رزولوشن به قدری کم بود که پیکسل‌های تصویر کاملاً مشخص بودند – رزولوشن پایین تلویزیون‌ها و هزینه بالای تراشه‌های حافظه و منطق دیجیتال آن زمان بود.

هر چند در اواخر دهه ۷۰ میلادی امکان ایجاد تصاویر دیجیتال اچ‌دی ثابت وجود داشت اما فناوری‌های لازم برای به حرکت درآوردن این تصاویر تا مدتها بعد ساخته نشدند. چنین فناوری به قدری گران بود که تا اواسط دهه ۲۰۰۰، امکان تعبیه آن در محصولاتی که مشتری‌ها امکان پرداخت هزینه آن را داشته باشند، وجود نداشت.

طراحان آن دوره سعی می‌کردند با استفاده از فناوری محدودی که در دسترس داشتند و با گرافیک پیکسلی و موزائیک مانند بازی‌های خودشان را برای کنسول‌های مختلف مثل آتاری ۲۶۰۰، NES، سگا جنسیس و غیره به بهترین شکل ممکن تصویر بکشند.

جو دکویر که در تولید کنسول بازی آتاری ۲۶۰۰ مشارکت داشته و یکی از اولین بازی‌های این کنسول را نوشته می‌گوید: “ما طرح‌ها را روی کاغذ رسم می‌کردیم و بعد این نقاشی‌ها را دیجیتالیزه می‌کردیم. دقیقاً یادم هست که تانک‌های بازی کمبات چقدر بد شکل بودند.”

حتی هنرمندان طراح بازی‌های کامپیوتری هم باید با رزولوشن پایین و رنگ‌های محدودتری کار می‌کردند. مارک فراری که گرافیک‌های EGA بازی‌های مختلفی مثل لوم، زک مک کراکن و راز جزیره میمون‌ها را برای آی‌بی‌ام پی‌سی طراحی کرده می‌گوید: “کار کردن با این بلاک‌های بزرگ و محدود بودن به ۱۶ رنگ وحشتناک که از قبل برای ما انتخاب می‌شد و امکان تغییر آن وجود نداشت، مانع بسیار بزرگی برای ما بود.”

اما هنرمندان این محدودیت‌ها را قبول کرده و بازی‌های کلاسیک خاطره انگیزی ساختند. در ادامه نگاهی دقیق تر به جنبه‌های فنی این محدودیت‌ها خواهیم داشت و اینکه به مرور زمان چه تغییری در هنر طراحی پیکسلی ایجاد شد.

سیستم گرافیک بازی‌های ویدیویی چطور کار می‌کند؟

پایه و اساس گرافیک بازی‌های دیجیتال، پیکسل است و ذخیره، پردازش و نمایش همه تصاویر گرافیکی بر اساس پیکسل‌ها انجام می‌شود. افزایش تعداد پیکسل‌ها در هر اینچ منجر به نمایش جزئیات بیشتری می‌شود اما هر چقدر تعداد پیکسل‌ها بیشتر باشد، برای پردازش آنها نیاز به سخت‌افزارهای قوی تری وجود دارد.

کلمه پیکسل مخفف کلمه‌های picture element (المان تصویری) است که در دهه ۶۰ میلادی توسط محققان حوزه کامپیوتر ابداع شد. پیکسل، کوچکترین بخش تصاویر دیجیتال صرف نظر از رزولوشن آنهاست. در کامپیوترهای امروزی معمولاً این پیکسل‌ها به صورت بلوک‌های مربعی نمایش داده می‌شوند – البته نه همیشه و این موضوع بستگی به ماهیت و نسبت ابعاد صفحه نمایش دارد.

بیشتر بازی‌های ویدیویی با ذخیره یک جدول از پیکسل‌ها (که به آن نقشه بیتی یا bitmap گفته می‌شود) در بخشی از حافظه ویدیویی به اسم «بافر فریم» کار می‌کنند. سپس یک مدار مخصوص این حافظه را خوانده و محتویان آن را به تصویر روی صفحه تبدیل می‌کند. میزان جزئیات (رزولوشن) و تعداد رنگ‌هایی که می‌توان در تصویر ذخیره کرد، به میزان حافظه ویدیویی آزاد کامپیوتر یا کنسول بازی ارتباط دارد.

در بعضی از بازی‌های کنسول و آرکید اولیه، از بافر فریم استفاده نمی‌شد. در طراحی کنسول آتاری ۲۶۰۰ که سال ۱۹۷۷ روانه بازار شد، از یک منطق اختصاصی خاص استفاده می‌شد تا همزمان با اسکن خطوطی که در صفحه حرکت می‌کنند، یک سیگنال ایجاد شود. این روش برای کاهش هزینه‌های تولید طراحی شده بود. دکویر، یکی از طراحان کنسول آتاری ۲۶۰۰ می‌گوید: “ما سعی می‌کردیم هزینه‌ها را پایین نگه داریم اما این شرایط باعث می‌شد که همه چیز روی دوش برنامه نویس‌ها باشد که البته نسبت به آنچه که مهندسان سخت‌افزار فکر می‌کردند باهوش تر بودند.”

در رابطه با بازی‌های قبل از دوره بافر فریم، جزئیات گرافیکی بر اساس هزینه مدارهای پشتیبان (مثل اولین بازی‌های آرکید آتاری با منطق گسسته) یا حجم کدهای برنامه (مثل آتاری ۲۶۰۰) محدود می‌شد.

تغییرات چشمگیر در حافظه و روزلوشن

در ۵۰ سال اخیر سرعت پیشرفت قابلیت‌های فنی کامپیوترها و کنسول‌های بازی فوق العاده بوده در نتیجه هزینه‌های قدرت پردازشی و حافظه دیجیتال با شتاب خیره کننده‌ای کاهش پیدا کرد.

دلیل این تغییر، پیشرفت‌های فناوری تولید تراشه بوده که به تولیدکنندگان امکان داده ترانزیستورهای بیشتری را در یک قطعه سیلیکون درج کنند در نتیجه امکان افزایش قابل توجه حجم حافظه، سرعت پردازنده و پیچیدگی تراشه گرافیک فراهم شد.

استیو گلسن یکی از طراحان تراشه‌های گرافیکی آتاری ۷۸۰۰ و از سازندگان بازی میس پک-من و بازی‌های مختلف دیگر می‌گوید: “تعداد ترانزیستورهای قابل استفاده خیلی مهم است. با وجود ده‌ها هزار ترانزیستور امکان ایجاد آتاری ۲۶۰۰ فراهم شد و با وجود میلیاردها ترانزیستور، کنسول‌های مدرن ایجاد شده؛ یعنی یک میلیون برابر و سرعت کلاک هم از چند مگاهرتز به چند گیگاهرتز افزایش داشته و این یعنی افزایش هزار برابری.”

قیمت ترانزیستور بر همه قطعات الکترونیکی که از ترانزیستور استفاده می‌کردند از جمله رم تأثیرگذار بود. در دوره اولیه کنسول‌های بازی کامپیوتری در سال ۱۹۷۶، حافظه دیجیتال قیمت بسیار زیادی داشت. در کنسول Fairchild Channel F دو کیلوبایت رم برای ذخیره تصاویر نقشه بیتی وجود دارد – یعنی فقط ۱۲۸×۶۴ پییکسل (۱۰۲×۵۸ پیکسل قابل مشاهده) با یک رنگ از چهار رنگ برای هر پیکسل. تراشه‌های رمی که ظرفیتی مشابه با چهار تراشه رم مورد استفاده در Channel F داشتند، در آن زمان به قیمت ۸۰ دلار فروخته می‌شدند که با در نظر گرفتن تورم، معادل با ۳۷۳ دلار امروزی است.

حالا در سال ۲۰۲۱، نینتندو سوئیچ مجهز به ۴ گیگابایت رم است که امکان به اشتراک گذاشتن آن بین حافظه ویدیویی و حافظه کاری وجود دارد. فرض کنید یک بازی از ۲ گیگابایت (۲ میلیون کیلوبایت) رم ویدیویی سوئیچ استفاده کند. چنین حافظه‌ای در سال ۱۹۷۶ حدود ۸۰ میلیون دلار قیمت داشت – که طبق تورم این ۸۰ دلار به اندازه ۳۷۳ میلیون دلار امروزی ارزش دارد. وقتی تغییرات به صورت نمایی ایجاد می‌شوند، چنین اختلافات چشمگیری بوجود می‌آید.

با افت قیمت حافظه نسبت به سال ۱۹۷۶ تولید کنندگان کنسول توانستند رم بیشتری در کنسول‌ها جاسازی کنند در نتیجه امکان ایجاد تصاویری با رزولوشن بالاتر بوجود آمد. با افزایش رزولوشن، پیکسل‌ها کوچکتر شده و به سختی می‌توان آنها را دید.

سیستم سرگرمی نینتندو که در سال ۱۹۸۵ عرضه شد می‌توانست تصاویری با رزولوشن ۲۵۶×۲۴۰ (۶۱۴۴۰ پیکسل) تولید کند. امروزه کنسول پلی استیشن ۵ سونی می‌تواند تصاویری با رزولوشن ۳۸۴۰×۲۱۶۰ پیکسل (4K) و حتی تا ۷۶۸۰×۴۳۲۰ پیکسل (۳۳۱۷۷۶۰۰ پیکسل) تولید کند. این یعنی افزایش ۵۳۹۰۰ درصدی رزولوشن کنسول‌های بازی در ۳۶ سال اخیر.

حتی اگر امکان نمایش گرافیک‌هایی با وضوح بالا در دهه ۸۰ میلادی وجود داشت، راهی برای انتقال این عکس‌ها از حافظه و ترسیم آنها روی صفحه با سرعت ۳۰ تا ۶۰ بار در ثانیه وجود نداشت. گلسن می‌گوید “فیلم انیمیشن کوتاه فوق العاده پیکسار، ماجراهای آندره و والی را در نظر بگیرید. در سال ۱۹۸۴ ایجاد چنین فیلمی نیاز به یک ابرکامپیوتر Cray پانزده میلیون دلاری داشت.”

شرکت پیکسار، برای انیمیشن ماجراهای آندره و والی، فریم‌های ۵۱۲×۴۸۸ پیکسلی را با نرخ حدود یک فریم در ۲ تا ۳ ساعت پردازش می‌کرد. اجرای کارهای رزولوشن بالای بعدی زمان بسیار بیشتری می‌برد و به تجهیزاتی چند میلیون دلاری در سطح کلاس جهانی نیاز داشت. به گفته گلسن امکان پردازش گرافیک‌های واقعی تر به صورت بلادرنگ، “با استفاده از سخت‌افزارهای موجود در سال ۱۹۸۴، وجود نداشت چه برسد با قیمتی که به مصرف کننده فروخته می‌شد.”

رزولوشن تلویزیون‌های قدیمی پایین بود و جزئیات تصویر را محدود می‌کرد

قطعاً برای اینکه یک کنسول تصاویر 4K مثل کنسول‌های پیشرفته امروزی تولید کند، نیاز به صفحه نمایشی دارد که قادر به انجام این کار باشد و البته در دهه ۷۰ و ۸۰ میلادی چنین صفحه نمایشی وجود نداشت.

پیش از دوره HDTV، بیشتر کنسول‌های بازی از فناوری صفحه نمایش قدیمی استفاده می‌کردند که در دهه ۵۰ میلادی ساخته شده بود – یعنی مدت‌ها قبل از اینکه کسی اجرای بازی‌های ویدیویی با رزولوشن بالا را متصور شود. این تلویزیون‌ها برای دریافت تصاویر از آنتنی که پشت آنها نصب می‌شد طراحی شده بودند.

استیو گلسن می‌گوید: “تنها راه اتصال به این تلویزیون‌ها، از طریق ورودی آنتن بود. بنابراین کنسول‌ها باید سیگنال سازگاری تولید می‌کردند که انگار از طریق آنتن وارد تلویزیون می‌شوند. در نتیجه محدود به رزولوشنی بودید که از طریق سیگنال پخش NTSC آنالوگ ایجاد می‌شد.”

در حالت ایده آل، سیگنال تلویزیون آنالوگ NTSC قادر است حدود ۴۸۶ خط که تقریباً ۶۴۰ پیکسل عرض دارند ایجاد کند (هر چند این موضوع به دلیل ماهیت خاص آنالوگ استاندارد، بستگی به روش پیاده سازی آن دارد) اما خیلی زود، طراحان کنسول‌های بازی متوجه شدند که می‌توانند فقط با استفاده از نصف دو فیلد بر ثانیه‌ی NTSC تصاویری بسیار پایدار با ارتفاع ۲۴۰ پیکسل ایجاد کنند که در حال حاضر به آن 240p گفته می‌شود. طراحان برای حفظ نسبت ابعاد ۴:۳ رزولوشن افقی را به ۳۲۰ پیکسل محدود کردند هر چند این عدد بین کنسول‌های مختلف متفاوت است.

سیگنال NTSC تعداد رنگ‌های قابل تولید، بدون ترکیب شدن رنگ‌ها با هم یا محو شدن رنگ را محدود می‌کرد و به گفته گلسن “این تصاویر باید برای مردم زیادی که هنوز هم از تلویزیون‌های سیاه و سفید استفاده می‌کردند، وضوح و شفافیت مناسبی ایجاد می‌کردند در نتیجه گزینه‌های رنگی در دسترس محدودتر می‌شدند.”

جهت دور زدن این محدودیت، در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی، برای کامپیوترهای شخصی از صفحه نمایش‌های رزولوشن بالای غیر تلویزیونی استفاده شد. به گفته جو دکویر “آی‌بی‌ام پی‌سی و سیستم‌های مشابه آن منجر به ایجاد بازار بزرگی برای مانیتورهای رنگی مجزا شدند که حداقل کیفیت VGA (640×۴۸۰) را داشتند. اما بعضی از پلیرها تا دهه ۹۰ میلادی به این مانیتورها دسترسی نداشتند.”

بعضی از بازی‌های آرکید پرطرفدار مثل Popeye نینتندو (۱۹۸۲) رزولوشن بسیار بالاتری داشتند (۵۱۲×۴۴۸) که مانیتورهای آرکید مجهز به یک حالت ویدیویی غیراستاندارد خاص، امکان نمایش آنها را داشتند اما امکان اجرای چنین بازی‌هایی روی کنسول‌های خانگی بدون افت کیفیت گرافیک در هنگام تبدیل تصاویر برای این کنسول‌ها وجود نداشت.

صفحه نمایش‌های امروزی از نظر شفافیت و دقت تصویر هم عملکرد متفاوتی دارند. تصاویری که در یک مانیتور LCD امروزی مربعی و بلوکی دیده می‌شود، هنگام نمایش روی مانیتورهای CRT یا تلویزیون‌های قدیمی معمولاً روان‌تر و یکنواخت‌تر بودند.

محدودیت رسانه‌های ذخیره اطلاعات هم مانعی برای افزایش پیچیدگی تصاویر گرافیکی بود

در بازی‌های کنسول و کامپیوتر، پیچیدگی گرافیک علاوه بر امکانات صفحه نمایش و سرعت منطق، به دلیل نحوه ذخیره اطلاعات روی رسانه‌های قابل جابجایی که بین مشتریان توزیع می‌شدند هم محدود می‌شدند.

مارک فراری می‌گوید: “امروزه واقعاً برای مردم قابل درک نیست که ما در آن دوره از نظر زمان پردازش و فضای ذخیره اطلاعات چقدر محدود بودیم. فضای دیسک در آن دوره واقعاً ارزشمند بود.”

در دوره‌ای که فراری تصاویر گرافیکی را برای شرکت لوکاس فیلم آماده می‌کرد، بازی‌ها معمولاً چند فلاپی دیسک داشتند که هر کدامشان حدود ۱.۴ مگابایت گنجایش داشت. حتی با اینکه شرکت لوکاس فیلم تصاویر بازی‌ها را فشرده می‌کرد، محدودیت ظرفیت فلاپی دیسک‌ها هم در کنار محدودیت‌های کارت‌های گرافیک آی‌بی‌ام پی‌سی برای آنها مشکل آفرین بود.

اما هزینه ذخیره اطلاعات گرافیکی روی رسانه‌های قابل جابجایی هم مثل هزینه‌های حافظه به صورت نمایی کاهش پیدا کرد. مثلاً در سال ۱۹۷۶ یک کارتریج Fairchild Channel F حدود ۲ کیلوبایت داده را در خود جا می‌داد اما کارت گرافیک نینتندو سوئیچ می‌تواند تا ۳۲ میلیون کیلوبایت (۳۲ گیگابایت) داده را در خود ذخیره کند که ۱۶ میلیون بار بیشتر است در نتیجه فضای بیشتری برای ذخیره تصاویر دقیق و کامل فراهم شد.

پایان عصر پیکسل‌های قابل تشخیص … و یک شروع جدید

در سال ۲۰۲۰، اپل از یک صفحه نمایش رتینای جدید برای آیفون ۴ رونمایی کرد که رزولوشن آن به قدری بالا بود که امکان تشخیص پیکسل‌ها با چشم غیر مسلح در آن وجود نداشت. از آن زمان به بعد این صفحه نمایش‌های رزلوشن بالا (ultra high-res) وارد دنیای کامپیوتر، تبلت و لپ تاپ شدند.

پس از مدتی دوره هنرهای پیکسلی به پایان رسید اما هنر پیکسلی رزولوشن بالا به طور کامل از بین نرفت بلکه اوج گرفت و پیشرفته تر شد.

از اواخر دهه ۲۰۰۰ میلادی، طراحان بازی‌های سبک ایندی شروع به استفاده از هنر پیکسلی به سبک قدیمی کردند. این کار بیشتر برای تداعی خاطرات قبلی انجام شد و همچنین به این دلیل که معمولاً برای تیم‌های کوچکتر تولید گرافیک‌های ساده تر نسبت به تصاویری با رزولوشن بالا وجزئیات زیاد آسان تر است (البته در این زمینه هم استثنائاتی وجود دارد چون تولید انیمیشن‌های روان و جذاب با سبک ۲ بعدی قدیمی کار پرزحمتی است).

بازی‌های پیکسلی و بلوکی امروزی مثل ماین‌کرفت و استاردو ولی (Stardew-Valley) همگی یادآور دوران قدیم هستند و در عین حال راحتی که طراحی بازی‌های مدرن ایجاد می‌کند را هم دارند.

مارک فراری با تعجب و احترام کار هنرمندان مدرن را دنبال می‌کند و می‌گوید: “ما به این خاطر هنر پیکسلی را انتخاب می‌کردیم که گزینه دیگری نداشتیم. این انتخاب ما نبود، ضرورت بود. امروزه این کار بر حسب انتخاب انجام می‌شود. در حال حاضر هیچ اجباری برای انجام هنر پیکسلی وجود ندارد اما هنرمندان امروزی این روش را انتخاب می‌کنند چون به آن علاقه دارند.”

بنابراین هر چند هنر پیکسلی زمانی یک محدودیت بود اما امروزه یک سبک زیبایی شناسی محسوب می‌شود که بعید است روزی از بین برود؛ همه این موفقیت‌ها به لطف دوره‌ای حاصل شده که در آن هنرمندان هر آنچه می‌توانستند را با تکنولوژی محدود آن دوره انجام دادند.