Yesterday Once More - 玩转DOSBox - 图形篇 之二 4:3！

书接上文

大部分DOS游戏的图像分辨率为320x200，因为很多DOS游戏的图形部分使用了VGA标准下的Mode 13h模式制作。320x200（16：10）的图像，是如何最终在当时主流的4：3的显示器展现出来的呢？

DOSBox下原始比例画面（左）和纠正宽高比后的画面（右）

大部分人看到16：10和4：3这两种比例，会直觉得会认为这两者有冲突，是因为先入为主得默认了每个像素的长宽比为1：1。在LCD（液晶）显示器上确实如此，而在DOS游戏时代普遍使用的CRT（显像管）显示器上却并不是这样。

屏幕后面有个大屁股，是CRT显示器的明显特征，而LCD显示器则轻薄许多

LCD 显示器

简单来说，LCD显示器的屏幕由一个个小格子组成，每个小格子包含红绿蓝三色光源，通过改变每个小格子的电压控制光源发出不同的光，从而组合出各种颜色。

一个典型的Full HD显示器的分辨率为1920x1080（即显示器原生分辨率），可以简单得理解为屏幕上有1920x1080=2'073'600个小格子，每个格子长宽比1：1，整个屏幕的长宽比16：9。

假设电脑里的一张分辨率1920x1080的图片，这张图片有2'073'600个像素点（Pixel），每个像素点的色彩信息经由电脑/显卡传给显示器，显示器接受到每一个像素点的信息，调整屏幕每个小格子的电压，将对应的色彩显示在屏幕上。

如果电脑里图片的分辨率大于或小于1920x1080，这张图片又要全屏显示在分辨率为1920x1080的屏幕上，那么电脑就要在把图片信息传输给显示器前，对图片进行一定的缩小或放大。在这个意义上，将游戏的分辨率设定为显示器的原生分辨率，将会取得最佳的显示效果。

通常60帧的刷新率下，屏幕上每秒显示60幅画面（共约一亿两千四百四十一万个像素点信息），120帧就是每秒120幅。不难想象，在LCD显示器上所显示的每一个画面，背后都是庞大的数据信息，所以在不断发展的传输协议中，数据传输能力的提高是一个重要的指标（HDMI1.0 3.96Gbit/s -> HDMI2.1 42.0Gbit/s）。

CRT 显示器

回合来到CRT显示器这边，CRT显示器的运行方式与LCD完完全全不同。

电脑最初出现在军事、工业领域，能接触和使用电脑的都是专家中的专家。真男人编程在白纸上手写0&1这种都市传说毕竟不可考，但打孔卡确实某种意义上算是那时的“显示设备”。

当个人家庭用途的电脑出现时，确实需要一个普通人就能理解的显示设备作为人机交流的中介。

唔...在一块可以发光的屏幕上显示活动的文字甚至画面，听起来有点耳熟...这不就是电视嘛。

最早的个人电脑，比如1976年上市的Apple I，就可以外接电视作为显示设备。电视早在1920年左右就已经诞生，远早于电脑显示器，从诞生之初便一直延用4：3的标准显示比例，直到被高清标准取代。而电视之所以采用4：3的显示比例，又很大程度上源自当时电影的画面比例，至于电影和电视这两块屏幕之间的相爱相杀，则又是另外的故事了。

苹果 Apple I 电脑

1981年随着IBM单色MDA显卡上市的IBM 5151单色显示器，可以看作最早的个人电脑专用显示器。在经过70年代使用电视作为电脑显示设备的铺垫后，采用4：3的显示比例作为最初电脑显示器的显示比例，似乎也顺理成章。至于之后经过十几年间MDA-CGA-EGA-VGA-SVGA-XVGA一系列迭代，这4：3的比例一直没有改变，直到CRT被LCD取代。

（早期MDA、CGA显示器与后期VGA显示器工作原理略有不同，以下只以VGA显示器为例)
CRT显示器尾端（大屁股里）有红绿蓝三支电子枪，打出三色电子束，经由磁场偏转射向屏幕上的不同位置，激活屏幕上对应颜色的荧光粉。通过改变电压，影响电子束的强度，对应激活荧光粉不同的颜色，最终展现在屏幕上。为了确保电子束准确命中屏幕上既定的位置，在屏幕内侧有一块布满小孔的金属板（后期SONY特丽珑技术使用栅格取代金属板），电子束穿过小孔落在屏幕上。

小孔之间的距离即孔距(dot pitch)越小，在同样尺寸屏幕上能呈现的像素点越多，画面约细腻，显示器分辨率上限越大。

在LCD显示器上，虽然控制电压改变每个小格子的颜色也是按照一定的顺序进行的，但电子本身的移动速度接近光速，可以近似理解为所有的小格子的状态在同一时刻改变，一幅画面上所有的像素点同时展现在屏幕上。

而在CRT显示器上，图像则是由电子束一个点一个点打在屏幕上，按照从左到右，从上到下的顺序“画”出来的。

假设电脑中运行着一个使用VGA标准下Mode 13h模式制作的DOS游戏，游戏原生分辨率320x200的画面需要在屏幕上呈现出来，电子枪要做的，就是均匀地在屏幕上打出每行320个 x 200行，一共64000个像素点，最终呈现在屏幕上的画面的长宽比由屏幕本身的长宽比决定，与游戏画面的原生像素比例无关，呈现在屏幕上的画面被“拉高”了。

一个并不一定准确，但常常用来检验显示分辨率是否正确的方法，看游戏中的圆是否正确显示为圆
左图原生320x200（16：10），右图拉伸至320x240（4：3）

如果想在LCD屏幕上把一个320x200（16：10）的图像拉伸成320x240（4：3），需要通过软件算法人为添加320x40=12800个像素点，因为每个像素点的长宽比必须是1：1。
而在CRT屏幕上，把320x200（16：10）的图像拉伸成4：3的显示比例，只需要拉长每一行之间的间隔距离即可。于是，野生的扫描线（scanline）出现了。

在LCD屏幕上，如果相邻的两个小格子显示的像素点是完全一致，那么这两个小格子的色彩和亮度也会完全一致，两个小格子之间不会有明显的界限。
在CRT屏幕上，显示的每个像素点色彩和亮度来自电子枪激活的荧光粉，其物理特性决定了，像素点中心最亮，往四周亮度逐渐降低，直至消失。

左：边缘也清晰的LCD像素点
右：边缘模糊的CRT像素点

如果像素点之间的间隔过大，像素点之间低亮度区域会组成一条条的黑线，出现在屏幕上。因为人眼对垂直方向上像素密度更敏感，所以在相同像素密度的情况下，垂直方向上的低像素密度造成的横向扫描线更容易被注意到。这个画面呈现效果显然强差人意。（同时期的主机游戏上也有扫描线的问题，但与电脑游戏不同，如今在不少怀旧玩家眼中，扫描线就是原汁原味主机游戏画面的一部分，没有扫描线的画面没有灵魂）

主机游戏上的经典灵魂拷问，选哪个？

开发人员A：这扫描线看着有点辣眼睛，用户意见很大啊
开发人员B：像素密度低会出现扫描线影响显示效果，那么提高像素密度不就行了
开发人员A：那帮做游戏的就做了320x200=64000个像素点，哪里去找更多像素？
做游戏的：我倒是想做更大的图，你们做电脑的就给了64k内存啊
开发人员B：还蹬鼻子上眼了，给你4G内存你用得上吗
DOS Exender / VESA：在做了，在做了......
VBE / DOS/4GW：还有5秒到达战场
开发人员B：没有额外的像素点，把现有的再重复一遍不就行了
开发人员A：人才.......

倍线插值（DoubleScan）被广泛的使用在Mode 13h下320x200的DOS游戏上。每一行的像素点从320个翻倍重复成640个，200行被翻倍重复成400行。640x400=128000个像素点被电子枪均匀的画在屏幕上。


左：DOSBox模拟扫描线，关闭倍线插值
右：DOSBox打开倍线插值

CRT显示器的另一个重要性能指标，就是每秒能在屏幕上画出多少行，被称为水平刷新率（Horizontal scan rate），单位千赫兹kHz。

早期的VGA显示器只能工作在恒定的水平刷新率下，通常为31.5kHz。这意味着每秒只能画31500行。如果在屏幕上展示的画面有400行，那每秒就可以画78.75次完整的400行。

实际中因为画完一行后，电子枪要从当前行末重新指向下一行首，最后一行画完后，电子枪要从屏幕右下角最后行末重新指向屏幕左上角第一行首，电子枪调整指向会使用掉额外的时间。

一台工作在31.5kHz下的早期标准VGA显示器，显示VGA Mode13h模式下游戏，每秒能在屏幕上画出70幅完整的画面，即垂直刷新率（ Vertical scan rate）=70赫兹(Hz)。

320x200x256色画面，倍线插值到640x400x256色，以固定每秒70幅的速度，在4：3的CRT屏幕上，构造出一个个迷人的世界。

to be continued