Die Legende vom kleinen Quadrat #2

Im →ersten Teil dieser Story wurde geschildert, dass das Quadrat nur eine von vielen möglichen Interpretationen der Pixelform ist – und auf dem Gebiet der Bildverarbeitung nicht einmal die bestmögliche. Aber bereits die Bildschirm-Technologie wirkt sich maßgeblich auf die Erscheinungsform des Pixels aus.

Pixel habe ich erstmals auf einem Röhrenbildschirm wahrgenommen. In diesem Geräten werden die Punkte auf dem Bildschirm mithilfe einer (kleinen) Elektronenkanone zum Leuchten gebracht. Im Vergleich zu den heute üblichen Flachbildschirmen sind sie unglaublich sperrig und schwer, denn sie enthalten eine nach hinten weit ausladende Kathodenstrahlröhre (daher auch die Abkürzung →CRT), und sie sind nach vorne mit Bleiglas abgeschirmt, um gesundheitsgefährdende Röntgenstrahlung zu absorbieren.[1]

Der »gaussian bump«

Der Kathodenstrahlröhrenbildschirm ist ein Kunstwerk der Regeltechnik. Seine Bildschirmfläche ist mit einer Phosphorschicht aus winzigen, regelmäßig angeordneten Segmenten in den Grundfarben Rot, Grün und Blau versehen. Trifft der Elektronenstrahl aus der Röhre auf die Bildschirmfläche, leuchten alle Phosphorsegmente an diesem Punkt auf. Die drei Farbraster lassen sich mithilfe einer Lochmaske unabhängig voneinander aktivieren, außerdem lässt sich die jeweilige Leuchtintensität regulieren.

Die Subpixel, das heißt: die einzelnen roten, grünen und blauen Phosphorsegmente, sind so winzig, dass sie erst mithilfe einer Nahaufnahme voneinander unterscheidbar werden. Das führt dazu, dass sich die leuchtenden Segmente für das menschliche Auge zu einem Punkt von genau einer Farbe addieren. Beispielsweise entsteht ein lila Punkt, indem Elektronenstrahlen auf die roten und blauen Segmente eines Bildschirmpunktes lanciert werden, und ein weißer Punkt, wenn alle drei Segmente zum Leuchten gebracht werden.

Nahaufnahme eines CRTs (Johannes Waschke, 2006). Quelle: Wikimedia Commons. Rechte: CC BY-SA 2.5.

Für einen einzelnen Bildpunkt wird dabei eine Vielzahl von Subpixeln zum Leuchten gebracht. Wieviele der kleinen Phosphorflächen daran beteiligt sind, hängt von dem gewählten Anzeigeraster ab. Bei CRTs ist dies relativ frei skalierbar, zumindest innerhalb der technischen Grenzen des jeweiligen Geräts. Die meisten CRTs bieten außerdem Regler für Form und Ausrichtung der Bildfläche, denn z.B. kann ein Magnetfeld in der Umgebung zu Verzerrungen des Bildes führen, so dass je nach Stellplatz neu justiert werden muss.

Da jeder Elektronenstrahl ein wenig streut, erscheint ein Pixel auf der CRT-Bildschirmfläche als rundliches Pünktchen (Smith 1995: 8). Dessen Leuchtstärke ist im Zentrum am stärksten, flacht nach außen stark ab und läuft an den Rändern sanft aus. Dieses Streuungsbild entspricht einer Gauß-Funktion und wird deshalb auch »gaussian bump« genannt (Blinn 2005: 83).

Das Gauß-Modell bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Bildpunkte optisch miteinander verschmelzen, so dass ein kontinuierliches Bild entsteht. Verglichen mit anderen Modellen der Pixelform – insbesondere im Vergleich zur quadratischen Form – ist es zwar nicht ideal, jedoch bietet es einen guten Kompromiss. So betrachtete beispielsweise Alvy Ray Smith die CRT-Pixel als »not necessarily accurate, but [it] will give you the correct flavor« (Smith 1995: 7). Auch Jim Blinn betrachtete die CRT-Pixel als »not perfect, but […] not too terrible« (Blinn 2005: 83).

Die Quadratur des Pixels

In den 2000ern wurde die Welt von den flimmernden und raumfüllenden Röhrenbildschirmen erlöst und von den Flachbildschirmen übernommen. Attraktiv an den damals hochmodernen Geräten war insbesondere die Flüssigkristall-Technologie, denn diese war deutlich platzsparender und strahlungsärmer als der Elektronen-Schießstand der CRT. So weit, so gut – doch mit dem Umbruch zugunsten der Flüssigkristallanzeige (kurz: →LCD) veränderte sich auch das Erscheinungsbild des Pixels.

Jeder Bildpunkt eines LCD besteht üblicherweise aus drei fix positionierten Subpixeln in den Farben Rot, Grün und Blau, deren Leuchtstärke einzeln geregelt werden kann. Die Lichtintensität der Subpixel ist völlig gleichmäßig auf deren gesamte Fläche verteilt, so dass die Bildpunkte eines LCD als präzis rechteckige (sofern nicht quadratische) Flächen mit messerscharfen Kanten erscheinen. Alvy Ray Smith, der die Quadratgestalt des Pixels ablehnt (→Teil 1), hat vermutlich bitter geweint, als er von dieser Technologie erfuhr.

Nahaufnahme eines LCDs (Luís Flávio Loureiro dos Santos, 2009). Quelle: Wikimedia Commons. Rechte: CC BY 3.0

Zugunsten des Nutzungskomforts verzichtete man also auf den physikalisch verursachten Glättungseffekt des »gaussian bump« der CRT-Displays und führte dafür das kantige Erscheinungsbild der LCDs ein. Dies ist ein akzeptabler Kompromiss, solange die Programme exakt das Anzeigeraster des LCD bedienen. Anders als beim CRT lässt sich dessen Auflösung aber nicht ohne weiteres an die eines Programms anpassen (Becker 2005: 4). Auch heute sind viele Programme immer noch für eine spezifische Auflösung ausgelegt. Hatte das neue LCD nun eine feinere Auflösung, verkleinerte sich also das sichtbare Programmfenster. Wenn man indessen das Programmfenster auf die gesamte Bildfläche skalierte, traten fast immer unregelmäßige →Treppeneffekte auf, die vor allem die Lesbarkeit des Schriftbilds verringerten und präzise gezeichnete Kurven und Diagonalen zu verbeulten Konturen werden ließen (Becker 2005: 6). Der Einsatz von Glättungs- oder Filtertechniken (→Teil 1) im Live-Betrieb war anfangs aufgrund der erforderlichen Rechenleistung noch nicht denkbar, so dass Pixel von da an rechteckig waren.

Was beim Technologiesprung von CRT auf LCD hardwareseitig ›verbockt‹ worden war, konnte mit der Zeit aber softwareseitig ausgeglichen werden. So wurden Techniken zur Konturenglättung auf Pixelebene weiterentwickelt. Beispielsweise lässt sich der Treppeneffekt etwas abmildern, indem bei diagonalen Konturen zusätzliche Pixel in Zwischenfarben eingefügt werden (→Antialialising). Die Skalierungseffektre treten dadurch in den Hintergrund, allerdings kann das Bild leicht unscharf erscheinen, was besonders augenfällig bei Text ist.

Noch subtiler funktioniert das →Subpixel-Rendering, bei denen nicht ganze Pixel, sondern einzelne Subpixel optimiert werden, also die einzelnen roten, grünen oder blauen Farbzellen. →ClearType von Microsoft ist so eine Entwicklung, bei der die exakte Position des Subpixels im Verhältnis zu den angrenzenden Pixel ebenfalls berücksichtigt wird. Dieses Verfahren kann stark zur Schärfung von Konturen beitragen, wie sie insbesondere bei Text erforderlich sind.

Hat sich jemand gefragt, weshalb ein Screenshot von einem schwarz-weißen Text an den Kanten bunte Pixel aufweist? Das ist ein Nebeneffekt des Subpixel-Rendering. Die Pixel werden dabei genau so eingefärbt, dass die Wiedergabe auf dem LCD eine Kantenglättung bewirkt. Bei der typischen Subpixel-Anordnung (wie auf den gezeigten Bildern), von links nach rechts gesehen, glättet ein rötliches Pixel den Übergang von Weiß nach Schwarz und ein bläuliches Pixel den Übergang von Schwarz nach Weiß.

Die Subpixel-Revolution

Bei den neuesten Displays mit organischen Leuchtdioden (→OLED) wird mit gänzlich neuen Subpixel-Anordnungen operiert. Samsung führte beispielsweise das PenTile-Muster ein, bei der Pixel als Karoform konstruiert sind und die Subpixel unter den angrenzenden Pixeln aufgeteilt werden. Dabei wird auch berücksichtigt, dass die Retina auf die Farben der Subpixel unterschiedlich reagiert: Ihre Sensitivität ist für Grün am höchsten, für Blau am geringsten, weshalb die blauen Subpixel bei OLEDs eine größere Fläche bekommen.

Dies alles trägt zu einer weiteren Verfeinerung der Darstellung bei. Spätestens hier stellt sich jedoch die Frage, inwieweit der einzelne Farbpunkt eines digitalen Bildes noch »eineindeutig« mit einer festen Subpixel-Gruppe auf dem Display verbunden ist. Vielmehr ist es notwendig, zwischen »logischen« Pixeln der grafischen Vorlage und den bestmöglich gerenderten »wahrnehmbaren« Pixeln des Displays (wieder) zu unterscheiden: Denn prinzipiell besteht die Notwendigkeit dafür bereits seit der Einführung des Pixels, das als diskreter Farbwert eines Bildpunktes stets in ein kontinuierliches Bild zurückgeführt werden muss.

Epilog

Nachdem sich der »gaussian bump« des CRT zum »little square« des LCD gewandelt hatte, brach mit den OLED-Displays die Ära des Subpixels an. Synchron mit dem technologischen Wandel verwandeln Pixel fortwährend ihre Gestalt – und hinterlassen dabei kulturelle Spuren. Während sich zunächst die Block-Optik des LCD in der »Pixel Art« eingeprägt hat, bemüht sich die Retro-Szene schon seit einiger Zeit um die Reproduktion des »gaussian bump« der CRTs.[2] Grafische Produktion und Displaytechnik hängen also engst miteinander zusammen. Welche spezifische Spur in der Geschichte des digitalen Bildes werden die OLEDs hinterlassen?


Referenzen

[1] CRTs erzeugen Röntgenstrahlung, wenn die in der Kathodenstrahlröhre beschleunigten Elektronen auf die Bildschirmfläche treffen, die allgemeiner auch »Bremsstrahlung« genannt wird: Diese entsteht allgemein, wenn sich der Geschwindigkeitsvektor eines geladenen Teilchens ändert. Näheres zu gesundheitlichen Faktoren von CRTs siehe Geraldine Nagel: »Strahlenbelastung durch TV-Geräte und PC-Monitore«, Onmeda, 13.03.2018 (URL | Wayback Machine 12.08.2020).

[2] Siehe dazu u.a. Phil South: »How to Use Retropie Shaders to Emulate CRT Displays«, in: maketecheasier, 20. April 2016 (URL | Wayback Machine 04.08.2020) und Andrew Webster: »The NES Classic has a CRT filter to make games look properly old school«, in: The Verge, 30. September 2016 (URL | Wayback Machine 08.11.2020). Teilweise wurde die CRT-Physik dazu genutzt, um einen Alphakanal zu emulieren, vgl. dazu ›user1086516‹: »Did retro pixel artists design with CRT’s in mind?«, außerdem den Kommentar dazu von ›DMGregory‹, in: Stack Exchange: Game Development, 7. Februar 2019 (URL | Wayback Machine 16.01.2021).

Zitation

Torsten Roeder, »Die Legende vom kleinen Quadrat #2«, in: Gerastertes Wissen, hrsg. von Torsten Roeder, 10. Februar 2021, URL: https://pixel.hypotheses.org/813. Abrufdatum: 8. Mai 2021.


Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.