CRT vs LCD

Công nghệ hiển thị hình ảnh trên màn hình đã trải qua lịch sử độ phân giải lần lượt từ 240p, 480p, 720p đến 1080p, rồi sau đó là các khái niệm 2K. 4K rồi vô số thuật ngữ khác như HDR, Ray-tracing,... Tại thời điểm 2022 này, phần lớn giới giải trí đều đang căng mắt theo dõi sự phát triển của các loại Tivi 4K, rồi những tựa game áp dụng công nghệ Ray-tracing nhưng cũng còn không ít nhân số trong ngành giải trí retro vẫn đang lùng sục để mua những chiếc Tivi cổ CRT. Tuy có tuổi thọ vài chục năm rồi, cũng như khá nhiều nhược điểm so với các loại Tivi hiện đại nhưng Tivi cổ (CRT) vẫn còn chỗ đứng khá vững mạnh trong giới gamer retro. Giá của những chiếc Tivi cổ loại xịn ngày nay cũng không rẻ hơn những chiếc Tivi 4K tối tân chút nào. Việc này có thể khiến nhiều người thắc mắc. Bài viết này sẽ giải đáp những thắc mắc đó.

Trước khi đi vào giải thích vì sao Tivi cổ lại có giá trị đối với những hệ máy game cổ thì ta hãy tìm hiểu một chiếc Tivi cổ màn hình lồi có những đặc điểm gì.

Khái quát về Tivi CRT 

Kiến thức về TV (ti-vi/tee-vee, vô tuyến) CRT liên quan mật thiết tới việc lập trình, sản xuất game retro (NES/FC, SNES/SFC, PlayStation,...) nói chung. Trước hết, cần phải hiểu là console là các loại máy chơi game gia đình. Vì là máy chơi game gia đình nên chúng được thiết kế để xuất hình ảnh ra phương tiện gia dụng phổ biến nhất là cái TV dân dụng. Do vậy, công nghệ xử lý hình ảnh của một thế hệ console phải theo sát công nghệ xuất hình ảnh của TV cùng thời đại. Máy chơi game retro trước năm 2000, bao gồm cả FC và SFC, được thiết kế để xuất hình ảnh phù hợp nhất với TV CRT. Trong khi đó thì những thế hệ console sau này như Xbox, PS3 trở về sau lại được thiết kế để xuất hình ảnh phù hợp nhất với TV màn hình phẳng. TV màn hình phẳng (các loại LCD, Plasma, Oled,...) có rất nhiều ưu điểm so với TV CRT kiểu cũ, nhưng cũng có một vài điểm yếu so với TV CRT. Chẳng hạn như độ trung thực màu sắc, độ sâu của màu đen (trừ dòng TV Plasma), input lag là những yếu tố mà CRT vẫn hơn (cho tới thời điểm viết bài này). Nhưng bỏ qua những yếu tố này mà chỉ tập trung vào trải nghiệm chơi game retro thì chơi trên TV màn hình phẳng hiện đại với độ phân giải cao (HD, FHD, 4K,...) luôn là một trải nghiệm tồi tệ so với trải nghiệm khi chơi trên TV CRT. Chi tiết của việc này sẽ được đề cập ở kỳ sau. Còn bài hôm nay sẽ giới thiệu về khái niệm CRT cũng như một số khái niệm cần phải nắm liên quan tới loại TV này, để phục vụ mục đích lập trình.

CRT là viết tắt của "cathode-ray tube", dịch nôm na là "ống tia âm cực". Sở dĩ loại TV này có tên như vậy là vì cách thức hoạt động của nó. Ở Nhật, người ta gọi loại TV này là "TV ống Braun", gọi theo tên của nhà vật lý phát minh ra nó là Karl Ferdinand Braun. Thành phần quan trọng nhất của TV này là súng điện tử bên trong một ống chân không gọi là "Funnel" (tên tục là "đèn-hình"). Súng điện tử bắn tia điện tử (âm cực) lên màn hình phủ lớp lân tinh (phosphor) khiến chúng phát sáng, hiện lên điểm ảnh. Tại một thời điểm, trên màn hình chỉ có duy nhất một điểm ảnh phát sáng. Sở dĩ chúng ta thấy hình ảnh liên tục trên màn hình là do tia điện tử được quét ngang màn hình (từ trái sang phải, từ trên xuống dưới) với tốc độ rất nhanh, và do tính chất lưu ảnh của mắt người nên thấy hình ảnh liên tục. Tóm gọn cách thức hoạt động của CRT như dưới đây.

1/ Tia điện tử ở góc trên cùng, bên trái cùng của mình hình (tạm gọi là tọa độ X = 0, Y = 0)

2/ Tia điện tử di chuyển sang bên phải (tạm gọi tọa độ X = 1, Y = 0)

3/ Lặp lại bước 2/ cho đến khi tia điện tử đạt đến điểm cực bên phải của màn hình (tạm gọi X = 255, Y = 0)

4/ Tia điện tử quay về góc trái của màn hình, nhưng ở dưới đó 1 hàng (tạm gọi tọa độ X = 0, Y = 1)

5/ Lặp lại bước 2/ rồi 3/ rồi 4/ cho đến khi tia điện tử đạt đến điểm cực bên phải, ở hàng dưới cùng của màn hình (tạm gọi là tọa độ X = 255, Y = 240)

6/ Tia điện tử trở về bước 1/ rồi lặp lại toàn bộ quá trình

Hầu hết các TV CRT ở hệ màu NTSC đều có độ phân giải 255 điểm ảnh ngang, 240 điểm ảnh dọc nên đôi khi độ phân giải này còn được gọi là độ phân giải 240p (tương tự cách gọi 360p, 480p, 720p, 1080p,...). Chữ "p" là viết tắt của "progressive", nghĩa là tuần tự, lũy tiến như cách quét của tia điện tử. Các TV ở hệ màu PAL có độ phân giải khác.

Ở đây cần chú ý các khái niệm:

a/ Các đường quét ngang màn hình của tia điện tử được gọi là "tẩu-tra-tuyến", tiếng Anh là "scanline"

b/ Khi tia điện tử quét hết 1 scanline thì nó sẽ quay trở về vị trí hoành độ ban đầu (như mô tả ở bước 3/ bên trên). Trong quá trình này thì màn hình sẽ "tắt", tức lớp lân tinh (phosphor) không được đốt sáng nên không có gì hiển thị trên màn hình. Nhưng do tính chất lưu ảnh của mắt nên ta vẫn thấy hình ảnh vẫn còn trên màn hình chứ không mất đi. Quá trình mà scanline trở về hoành độ ban đầu được gọi là "Horizontal blanking", gọi tắt là "H-blank"

c/ Khi tia điện tử đến hoành độ cực đại (255) ở tung độ cực đại (240, tức tẩu-tra-tuyến cuối cùng của màn hình) thì màn hình sẽ "tắt", tia điện tử quay trở lại tọa độ gốc ban đầu (0,0). Quá trình này gọi là "Vertical blanking" hay gọi tắt là "V-blank". Mặc dù quá trình V-blank diễn ra liên tục trong suốt thời gian màn hình hiển thị hình ảnh, tức là màn hình liên tục chớp tắt, nhưng do nó diễn ra trong thời gian quá nhanh nên mắt người hầu như không thấy được.

d/ Toàn bộ quá trình khi tia điện tử xuất phát từ gốc tọa độ (0,0) rồi trở lại gốc tọa độ này được gọi là frame. Thuật ngữ frame (khung hình) hẳn là khá quen thuộc với các dòng máy game hiện đại. Tùy vào loại CRT, nhưng đại khái CRT hệ màu NTSC có tốc độ bắn 60 frame mỗi giây. Nếu ai đó nói: tôi code game này chạy ở 1 frame, thì có nghĩa là hình ảnh game sẽ được cập nhật liên tục mỗi frame. Tuy nhiên, hầu hết game retro đều được thiết kế để chạy với tốc độ 2 frame hoặc nhiều hơn, chỉ có một số ít phân đoạn đặc biệt trong game mới cần đến tốc độ 1 frame.

Ngoài khái niệm H-blank và V-blank ở trên thì còn có thêm khái niệm "Force blank". Khái niệm này chỉ khi màn hình hoàn toàn "tắt" (không phải tắt bằng cách nhất nút nguồn vật lý) do thiết lập của lập trình viên. Máy FC, SFC và các loại máy retro khác chỉ có thể cập nhật hình ảnh, chuyển ảnh lên màn hình vào một trong ba khoảng thời gian blanking này mà thôi. Thực chất, hình ảnh hiện lên màn hình là những hình ảnh tĩnh được chuyển liên tục (giống cách làm phim hoạt hình). Nếu ta chuyển hình ảnh lên màn hình trong khoảng thời gian mà tia điện tử đang đốt màn hình lân tinh (tức ngoài khoảng thời gian blanking) thì trên màn hình sẽ xuất hiện những hình ảnh hỗn độn (thuật ngữ gọi là "flickering").

Về bản chất thì 3 kiểu blanking kể trên đều như nhau, chúng chỉ khác nhau về thời gian.

H-blank là thời gian tắt màn hình ngắn nhất, tia điện tử từ hoành độ cực đại trở về hoành độ cực tiểu.

V-blank là thời gian tắt màn hình dài hơn H-blank, tia điện tử từ hoành độ tung độ cực đại trở về hoành độ tung độ cực tiểu.

Force blank là thời gian tắt màn hình tùy ý, bật tắt khi nào tùy thuộc vào lập trình viên.

Phần cứng các hệ máy game cổ luôn có một register điều khiển độ sáng của màn hình, cũng như việc bật tắt (force blank) màn hình. Nếu để ý kỹ, thời gian mở đầu game, hay những lúc chuyển cảnh, chuyển map thì màn hình luôn ở trạng thái "đen", tức không có thành phần đồ họa nào xuất hiện. Đó là khoảng thời gian force blank. Khi cần chuyển một lượng lớn dữ liệu đồ họa vào VRam thì lập trình viên cần phải tắt màn hình thông qua reigister trên. Do đó mà chúng ta thấy màn hình đen ở khoảnh khắc đầu game, hay sau khi qua màn để chuyển tiếp vào màn sau. Còn những hình ảnh cập trong trên màn hình trong quá trình chơi thì vốn có khối lượng dữ liệu đồ họa không nhiều, nên chúng chỉ cần được cập nhật qua V-blank là đủ. Và do được cập nhật trong V-blank nên mắt người không thấy được khoảng thời gian "tắt" nào.

Vì sao chơi game retro trên Tivi CRT luôn đẹp hơn? 

Bên trên có đề cập đến khái niệm TV CRT và những khái niệm xoay quanh CRT mà có liên quan tới việc lập trình game retro như H-blank, V-blank và force blank. Và bạn đã biết rằng để chơi game retro như FC, SFC, Sega Megadrive, Sony PS1,... thì lựa chọn một cái TV CRT vẫn luôn tốt hơn chọn TV HD, FHD hay 4K đương đại. Phần này sẽ đi sâu hơn về vấn đề này. 

Hầu hết mọi người đều biết TV màn hình phẳng đương đại có nhiều điểm nổi trội so với TV CRT kiểu cũ. Chẳng hạn như độ phân giải cao hơn, màn hình to hơn nên có thể xem được ở khoảng cách xa hơn, khối lượng nhẹ hơn, ít chiếm không gian hơn. Đó là những lý do vì sao mà TV CRT biến mất, nhường chỗ cho TV màn hình phẳng kể từ năm 2000 trở đi.

Tuy nhiên, TV màn hình phẳng có cách xuất hình ảnh khác CRT khiến cho việc chơi game retro trên màn hình phẳng không mang lại trải nghiệm tốt. Ta đã biết, TV CRT có chùm tia điện tử liên tục quét ngang màn hình từ bên tả sang bên hữu, từ thượng vị xuống hạ vị, và cách xử lý hình ảnh của các loại retro console cũng như vậy. Mỗi một chu trình từ khi tia điện tử xuất phát từ gốc tọa độ, quét hết cả màn hình rồi trở lại vị trí cũ được gọi là một frame. Trong khi đó thì ở TV màn hình phẳng, khái niệm frame không giống như vậy. Ở TV màn hình phẳng thì các điểm ảnh không chớp nháy liên tục như ở CRT, backlight phía sau màn hình trở thành nguồn sáng chiếu sáng liên tục. Trong một chu trình, tất cả các pixel đều tắt/sáng đồng thời với nhau chứ không tuần tự như ở CRT, khoảng thời gian đó gọi là một frame. Chính vì có backlight liên tục chiếu sáng nên hiện tượng flickering ít nổi bật hơn so với ở CRT, nhưng cũng vì vậy mà TV màn hình phẳng gần như không thể thể hiện được màu đen tuyệt đối như CRT.

Điều gì sẽ xảy ra khi chúng ta chơi game retro bằng chính máy console cũ trên TV màn hình phẳng hiện đại?

Thông thường, người chơi sẽ nhận thấy 3 vấn đề dưới đây.

1/ Méo hình ảnh do tỷ lệ

2/ Input lag

3/ Chất lượng hình ảnh xấu

Ý thứ nhất thì rất dễ giải thích. TV CRT ngày xưa có tỷ lệ chiều ngang so với chiều dọc là 4:3 hoặc con số gần với tỷ lệ này, nghĩa là gần với tỷ lệ của hình-chính-phương (hình-vuông). Trong khi đó thì hầu hết TV màn hình phẳng hiện đại có tỷ lệ 16:9 hoặc con số gần với tỷ lệ này, nghĩa là tỷ lệ của hình-trường-phương (hình-chữ-日 ("nhật") aka hình dài) . Thông thường, TV hiện đại hay đi kèm với chức năng upscale, tức nâng độ phân giải của nguồn phát lên mức cao hơn cho khớp với độ phân giải của TV đó. Hiểu nôm na như một chức năng phóng to. Do TV và hình ảnh game có 2 tỷ lệ khác nhau nên khi upscale, hình ảnh game (vốn có tỷ lệ 4:3) sẽ trở nên dẹt hơn, chiều cao bị rút lại, chiều dài bị bè ra cho khớp với tỷ lệ 16:9 của TV.

Cũng vì quá trình upscale này mà TV không thể xuất hình ảnh ra màn hình ngay lập tức khi nó nhận được tín hiệu từ console. Do trải qua quá trình xử lý upscale nên phải mất một khoảng thời gian sau thì hình ảnh mới được hiển thị. Điều này dẫn đến hiện tượng Input lag, tức là khi người chơi nhấn nút thì phải mất một lúc sau, hình ảnh mới được thay đổi tương đương. Khi chơi với TV CRT, khi người chơi nhấn nút thì sẽ thấy Mario nhảy lên gần như ngay lập tức, nhưng nếu chơi trên TV màn hình phẳng thì khoảng thời gian từ lúc nhấn nút tới lúc nhảy sẽ dài hơn. Dài hơn bao lâu thì tùy vào TV, những thường dao động trong khoảng vài chục đến vài trăm mili giây.

Giải thích cho ý 3/, game retro được thiết kế với độ phân giải phù hợp với TV CRT (240p với những máy thời PS1 trở về trước), trong khi đó độ phân giải của TV màn hình phẳng hiện đại thường từ 720p trở lên, nên TV sẽ phóng to (upscale) hình ảnh lên cho khớp với độ phân giải của nó. Do việc phóng to này khiến hình ảnh bị vỡ, xem không còn mịn như nguyên bản (được thể hiện trên TV CRT). Nhưng đó chỉ là một góc cạnh của việc hình ảnh retro trở nên xấu trên TV đời mới.

Khi hình ảnh được phóng to trên TV màn hình phẳng, bạn sẽ thấy từng điểm ảnh rất thô, hình ảnh nhiều răng cưa. Nhưng cũng chính game đó, máy console đó khi được kết nối với TV CRT thì sẽ không thấy răng cưa, hình ảnh mịn hơn và ấm áp hơn. Hãy nhìn hình bên dưới đây. Bên-tả là hình ảnh trên màn hình phẳng, còn chính giữa là hình ảnh đó khi được thể hiện trên TV CRT, bên hữu cũng là hình ảnh trên TV CRT nhưng được phóng đại.

Nguyên nhân của sự khác biệt này nằm ở cách thức hoạt động của TV. Dòng CRT sử dụng lân-tinh (phosphor) được đốt sáng, các điểm ảnh không được đốt sáng đồng thời mà được đốt sáng một cách tuần tự. Việc này mang lại cho màn hình CRT một tính năng khử răng cưa, hình ảnh trông mềm hơn nhưng vẫn giữ được độ sắc nét. Đặc tính này được nhà làm game khai thác khi họ vẽ hình ảnh, họ ý thức được điều này nên sẽ vẽ những bức hình có phân bổ sáng tối, đậm nhạt theo ý đồ của họ sao cho phù hợp nhất với màn hình CRT. Trong khi đó, khi được phóng to trên màn hình phẳng LCD thì mọi điểm ảnh đều có độ sáng như nhau, mang lại cảm giác "trơ", "lạnh". Một số thiết bị có chức năng làm sắc nét điểm ảnh ban đầu trên TV màn hình phẳng, khiến hình ảnh rõ nét hơn, sắc hơn rất nhiều nhưng không thể thoát khỏi cảm giác trơ lạnh này.

Một khi đã chơi game retro trên TV CRT thì sẽ dễ dàng nhận thấy những đường gân nổi rõ trên màn hình. Một số người có thể thấy khó chịu với những tẩu-tra-tuyến (scanline) này, nhưng hầu hết chúng ta khi đã quen với nó thì sẽ thấy rất khó chịu cho cặp mắt nếu không có những đường gân này. Nắm bắt được tâm lý đó, nhiều phần mềm giả lập đi kèm với chức năng tạo một lớp filter đường gân này. Tuy nhiên, đường gân mà nó tạo ra chỉ là kết quả của quá trình xử lý hình ảnh như kiểu Photoshop chứ không phải đường quét thật của tia điện tử nên vẫn không thể tái hiện được cảm giác ấm của TV CRT. Nhưng dù sao, có tính năng này vẫn tốt hơn không. Các phần mềm giả lập, vốn được chơi trên màn hình phẳng của PC hay LCD của các thiết bị cầm tay thì không thể cho chất ảnh giống TV CRT thật sự được.

Trên đây là những lý do vì sao nên chọn TV CRT thay cho TV màn hình phẳng hiện đại khi chơi game retro.

Tuy nhiên, không phải loại TV CRT nào cũng như nhau. Chất lượng hình ảnh của TV CRT phụ thuộc nhiều vào thương hiện. Những thương hiệu lớn như Sony, National, JVC luôn là dấu hiệu bảo chứng cho chất lượng hình ảnh. Trong số đó thì dòng PVM của hãng Sony được đánh giá cao hơn cả, bởi độ sắc nét cực cao, hình ảnh đẹp mắt mà nó mang lại. Dòng PVM được coi như chuẩn mực của TV CRT nên các đài truyền hình thời đó hay sử dụng nó. Không phải ngẫu nhiên mà dân ta có câu "nét như Sony". Trái lại, các thương hiệu Nam Triều Tiên, Trung Quốc hay những thương hiệu vô danh khác lại cho chất lượng ảnh khá tệ.

Một điểm chú ý nữa là từ sau năm 2000, một thế hệ CRT mới đã ra đời. Đó là HD CRT. Về bản chất, chúng vẫn hoạt động theo cách thức của CRT nhưng độ phân giải đã lên đến HD. Kinh nghiệm của giới retro gamer là tránh xa những con TV này ra. Bản thân người viết đã từng thử qua một con HD CRT của thương hiện TCL, thấy nó rất tệ. Nếu có ý định với CRT thì nên tìm một những loại CRT của thương hiệu có tiếng.

Tivi còn có một nhược điểm khác khiến nó ít hấp dẫn hơn trong mắt những người trẻ tuổi hiện nay, đó là cực kỳ khó quay phim, chụp ảnh bằng các thiết bị thông thường. Do vậy nên khi so sánh một bức ảnh chụp màn hình Tivi CRT và bức ảnh chụp màn hình Tivi HD hiện đại thì người ta dễ dàng nhận thấy rằng màn hình HD hiển thị tốt hơn rất nhiều. Nhưng khi được nhìn tận mắt màn hình CRT thì hẳn nhiều người sẽ thay đổi ý kiến.