NES 复合视频画面抖动之谜从干扰、色同步信号到 NES 独特设计2026 年 7 月 5 日任天堂娱乐系统Nintendo Entertainment SystemNES是 8 位视频游戏系统的理想典范其影响力大且取得巨大成功但从可扩展性和设计方面看它 有点特立独行。此外它通过复合视频输出的画面存在抖动问题下面来深入探究复合视频的细节。这篇博客文章仅讨论 NTSC 编码和时序PAL 编码是另一回事50Hz 信号的时序差异很大。我拥有支持 PAL 输出的游戏机不多对其不太熟悉。现在没那么稳了吧若这里不支持视频标签就看不到《炸弹人杰克》Mighty Bomb Jack标题画面的视频了挺可惜。《炸弹人杰克》是 NES 上有代表性的炸弹收集平台游戏场景设定在金字塔中。和很多游戏标题画面一样这里标题画面静止。但我用的是经复合视频改造的系统它直接放大图像处理器PPU输出的视频信号画面却在抖动。你或许会说“等等这可是复合视频。你还 专门写过一篇文章 讲它复合视频不如其他信号因为它本质上是一种视频信号压缩形式。”没错但复合视频的每一帧之间本不应有差异对吧看看我那台运行《上海麻将》Shanghai的苹果 ][ 电脑参考 最近一篇文章。若这里不支持视频标签就看不到《上海麻将》标题画面的视频了挺可惜。那画面很稳定猜测 1干扰干扰没你想的那么严重。你可能会想到干扰问题但干扰通常表现为随机图案而非 NES 截图中那种周期性的噪点。实际上苹果电脑的视频是用一根很长的线录制的线放在我堆满电子设备的桌子上图像白色部分能看到一些噪点但这些噪点与输入信号无关。这是从《炸弹人杰克》原始录制画面中截取的字母“B”。注意字母“B”左侧白色与蓝色天空交界处的锯齿状图案它是重复出现的。若只是外界信号干扰不应与图像如此紧密相关。猜测 2色同步信号用约 3.57 MHz 的色同步信号频率除以 NTSC 的行频 15.734kHz会得到接近 227.5 的数值。这并非巧合美国无线电公司RCA有意让色载波频率是行频的半整数倍。因为若相邻扫描线的信号相似其频率就会接近行频而电视信号中出现半整数倍频率的成分很罕见这样更容易滤出色信号。我在 2021 年的文章 中也稍有提及。你可能会注意到色同步信号应是连续 3.57 MHz 信号的一部分但这个信号与行频不匹配所以每条扫描线上的色同步信号应不同。这会是画面抖动的原因吗另一方面苹果电脑的沃兹Woz意识到若每条扫描线的像素排列都不同使用他的 高分辨率模式 会很困难因为仅在一条扫描线上每隔一个字节就有差异已够麻烦。所以在这种罕见情况下他增加额外硬件来延长时钟周期。在苹果电脑上行频被调整为每条扫描线有 228 个色周期即打破了 RCA 的优化使得亮度更容易干扰色度这正是伪彩色的来源。所以苹果电脑是个不太合适的例子。我的日本世嘉 Master System 也是每条扫描线有 228 个色周期尽管在其他方面它的信号被认为更符合标准。实际上要找到一款标题画面静止且背景不是黑色的 Master System 游戏挺难我选了《王牌空战》Ace of Aces。雅达利Atari说过黑色背景只能用来表示太空。若这里不支持视频标签就看不到《王牌空战》标题画面的视频了挺可惜。在滚动画面中会看到扫描线伪像的变化。看看上面《亚历克斯小子 梦幻世界》Alex Kidd in Miracle World截图中的地面尤其是地面上的伪像它们在每一帧中的位置都不同。更准确地说伪像位置不变而地面在移动从而产生闪烁效果。那么每条扫描线实际有 227.5 个色周期的系统是什么样的呢那就是 PC Engine在这个例子中是 SuperGrafx但这应该不影响。若这里不支持视频标签就看不到《魔法桃子》Wonder Momo标题画面的视频了挺可惜。“嘿这看起来比那些不符合标准的版本还糟糕怎么回事”复合视频并非为计算机生成的图像设计而是为现实世界的图像设计。此外它更适合动态物体而非静止物体。若放大一点这一点可能更明显。这是《太空阿瓦 201》Space Ava 201标题画面的截图参考 2020 年文章它恰好处于 SuperGrafx 模式不知为何噪点更多但今天先忽略这一点因为画面已极度放大。尤其注意蓝色背景与黄色字母的交界处。由于视频捕捉的宏块效应可能有点难看清但每隔一个像素都有点偏移。这是因为颜色分辨率低于像素分辨率。但与上面的字母“B”对比NES 呈现的是三行图案而非两行图案挺有意思。猜测 3NES 与众不同世嘉 Master System 本质上支持 RGB。它的视频显示处理器VDP没有复合视频输出只输出 RGB 图像然后由外部芯片将其编码为复合视频。我的 法国版 Master System 2 甚至没有这个编码器所以只能输出 RGB 信号。可以说至少从 20 世纪 80 年代后半期开始这是视频游戏机的常见情况。上面 Master System 截图中的彩虹条纹来自索尼 CXA1145 视频编码器若使用不同的编码器效果可能不同。红白机Famicom诞生于 20 世纪 80 年代初它没有单独的视频编码器实际上从未以 RGB 模式工作过。PPU 不仅输出复合视频信号而且整个处理过程都基于此或者使用根本未进行颜色编码的数字视频数据。缺乏 RGB 中间环节使得从红白机获取 RGB 信号 有点复杂。1994 年的 PC-FX 也不以 RGB 模式工作但它内部采用的是分量视频所以先不考虑它。这意味着什么呢以 NES 的调色板为例请允许我这么做这是 FirebrandX 的“Digital Prime”调色板。为何提及调色板的来源呢因为这是一张 RGB 格式的 PNG 图像而 NES 对 RGB 一无所知。可以看到这里有四种不同的亮度最后一列有点奇怪和十二种不同的色调。第一列没有色调只有纯粹的亮度。NES 内部直接将调色板索引转换为这些色调和亮度它甚至没有 S-Video 中间环节更不用说 RGB 了。雅达利 2600Atari 2600参考 2023 年文章的工作方式与此类似但它有 S-Video 中间环节而且有十六种不同的色调。那么为何 NES 只有十二种呢NES 有一个 21.47727 MHz 的晶体振荡器正好是 3.579545 MHz 色同步信号频率的六倍。PPU 在生成颜色信号时可以利用这个时钟的上升沿和下降沿因此它能获得色同步信号频率十二倍的基本速率自然而然就有了十二种可能的相位。雅达利 2600 使用 3.579545 MHz 的色同步振荡器显然它产生相位偏移的方式不同但这超出了本文的讨论范围留给读者自行研究。现在开始明白 NES 的时序是怎么来的了。NTSC 版红白机只有一个 21.47727 MHz 的振荡器其他所有时钟都由此派生。将其除以 12就能得到一个漂亮的 1.7897725MHz 时钟速度用于 2A03 处理器。在 PPU 内部主振荡器除以 4 得到 5.3693175MHz 的点时钟每条扫描线有 341 个点包括水平消隐间隔这样行频就是 15.7458kHz这个精度已经足够。现在发现了问题所在。六分频后的色同步信号频率与四分频后的像素时钟之间的关系使得每条扫描线有 227.33 个色同步信号周期。这就是为什么会出现每三行重复一次的图案现在明白字母“B”的情况了。但再看看那个标题画面似乎是在两帧之间交替而非三帧为什么呢若这里不支持视频标签就看不到《炸弹人杰克》标题画面的视频了挺可惜。理光Ricoh的工程师注意到行频和色同步信号之间的这种关系意味着在 262 条扫描线包括垂直消隐间隔中会出现三种可能的色同步信号/扫描线对齐模式。显然这种情况不可接受。在 NESdev 上用户 lidnariq 有一张很好的图表展示了这种情况如何在屏幕上产生移动的对角线图案。于是NES 采用了一种可以说是世界上最偷懒的隔行扫描方式。在隔行扫描中场与场之间的最后一条扫描线是正常扫描线长度的一半。在 NES 上这条扫描线的长度在 341 个点和 340 个点之间交替即“少一个点”。实际上这意味着只能看到三种可能对齐模式中的两种它们每隔一帧交替出现从而产生一种表面上与“标准”的 227.5 产生的两种对齐模式相似的效果。需要再次强调以上情况仅适用于 NTSC 版游戏机。PAL 版游戏机自然有完全不同的时序系统主振荡器和分频器都不同而且它根本不会采用“少一个点”的技巧。不过这里对细节的关注还是很令人印象深刻的。PPU 在当时真的是一款非常出色的芯片罕见的例外情况“少一个点”的情况只在 PPU 实际进行渲染时才会出现。如果背景和精灵渲染都关闭PPU 就不会这么做。我不太清楚原因但猜测可能是由于某些实现细节。不进行渲染的屏幕上不会有复杂的内容也就不会出现伪像。那么为什么要关闭屏幕呢PPU 虽然有很多优点但也有一个重大缺陷在屏幕进行有效渲染时根本无法写入视频随机存取存储器VRAM。相反必须在垂直消隐间隔期间批量写入。但如果关闭渲染PPU 就会一直允许完全访问 VRAM这在使用 CHR-RAM 并需要将所有图块上传到游戏卡带内存时特别方便。Rare 公司的《战斗蛙》Battletoads就是这样一款游戏它属于他们的 AxROM 游戏。它比大多数游戏做得更极端为了获得最多的 CHR-RAM 访问时间它每一帧都关闭渲染通过精确的时序控制在几行空白后再打开渲染这样就能多加载一些图块用于动画。让我们来看看这不是标题画面而是游戏内画面但大部分屏幕仍然是静止的。别在意我的青蛙被打得很惨我相信它没事。若这里不支持视频标签就看不到我在《战斗蛙》里被打的视频了挺可惜。画面确实更嘈杂了一些。为了确认这就是实际情况这里有相邻四帧的部分 HUD 画面。就像上面《亚历克斯小子 梦幻世界》中的情况一样你可以在彩虹条纹中清楚地看到这种效果在这个例子中彩虹条纹出现在部分心型图标上我们基本上看到的是该点上色同步信号的快照。注意第一帧和第四帧几乎完全相同这是一个三帧重复的图案正是“少一个点”技巧想要解决的问题。Rare 又一次做到了。