De d-pad is jarig

Gunpei Yokoi en het probleem van de y-as

We kennen het als het kruisvormige object op een controller, als de - en gebruik dit woord verder helemaal nooit - ‘vierpuntsdruktoets’. Dit jaar is het precies 40 jaar geleden dat de d-pad, zoals we die vandaag de dag nog steeds kennen, zijn debuut maakte. Op 3 juni 1982 verscheen de Game & Watch-versie van Donkey Kong, met aan boord een kruisvormige knop waarmee spelers Mario moesten besturen. Het bleek een van de invloedrijkste uitvindingen uit de gamehistorie te zijn, die 40 jaar later nog steeds standhoudt. In dit artikel duiken we in de oorsprong van d-pad, het patent dat Nintendo liet registreren en de manier waarop andere fabrikanten de succesvolle uitvindingen probeerden na te bootsen zonder daarbij het patent te schenden.

Om de meerwaarde van de d-pad goed te begrijpen, is het belangrijk te weten waar gaming in 1982 ongeveer stond. Het spelen van videospellen was immers op dat moment al niet nieuw meer. Arcadehallen bestonden al en thuis games spelen kon ook al. De Atari VCS, die later Atari 2600 zou gaan heten, was in 1982 immers al vijf jaar op de markt en dat was niet eens de eerste spelcomputer. Op de arcadekasten en thuisconsoles konden al allerlei games gespeeld worden. Die games lieten zich over het algemeen besturen met joysticks, draaiknoppen of aparte knoppen om naar rechts en links te bewegen. De eerste Game & Watch van Nintendo, Game & Watch Ball, had aan die manier van besturen voldoende. Het systeem werkte simpel genoeg; links op de Game & Watch zat een knop waarmee de speler naar links beweegt, rechts een knop voor naar rechts. Aangezien je in het spel ballen moest opvangen, was er ook niet meer nodig. Later voegde Nintendo aan beide kanten een extra knop toe, maar het bleef nog lang voldoende.

Dat veranderde toen Nintendo Donkey Kong naar de Game & Watch wilde brengen. In het spel bestuurt de speler immers een op Mario lijkend figuurtje dat omhoog moet zien te klimmen. Dat betekent dat de speler niet alleen over de x-as, maar ook over de y-as moest kunnen bewegen, oftewel: niet alleen naar links en rechts, maar ook naar boven en beneden. Bovendien moest deze voorloper van Mario kunnen springen, wat een vijfde knop noodzakelijk maakte. Een totaal van vier knoppen volstond niet meer en dat is dan nog los van de vraag of je kon spreken van intuïtieve besturing als de inmiddels bekende richtingen van de d-pad verdeeld waren over beide kanten van de Game & Watch.

De taak om met een oplossing te komen, lag bij Gunpei Yokoi en zijn team. Logisch, want Yokoi was de bedenker van de originele Game & Watch. Het idee voor het handheld apparaatje had hij gekregen toen hij iemand in de trein op zijn rekenmachine zag spelen. Tot op dat moment had Yokoi vooral zijn sporen verdiend met speelgoed. Hij werkte voor Nintendo’s speelkaartendivisie en had de Ultra Hand ontwikkeld, een succesvol stuk speelgoed waarmee je met behulp van een uitstrekbare arm objecten kon vastpakken. Yokoi had het als hobby ontwikkeld, maar Nintendo’s toenmalige president, Hiroshi Yamauchi, gaf Yokoi de opdracht de arm te ontwikkelen als product voor de kerstperiode van 1966. Na het succes van de Ultra Hand werkte Yokoi nog aan diverse andere Nintendo-speelgoedproducten, totdat hij in 1974 overstapte naar de gamedivisie, waar hij dus ook de Game & Watch bedacht, die in 1980 voor het eerst op de markt kwam.

Eén knop die werkt als vier knoppen

De missie om Donkey Kong naar de Game & Watch te brengen, bracht dus een duidelijke uitdaging met zich mee. Donkey Kong was in de arcadehallen een hit, maar daar werd het spel simpelweg bestuurd met een joystick. Voor Yokoi was al snel duidelijk dat alle richtingsbesturing onder één knop moest gaan zitten, zoals de game ook werkte in de arcadehal. Maar, doordat Mario ladders beklimt, zijn de levels in Donkey Kong hoger dan in de spelletjes die eerder op de Game & Watch stonden. Er was dus een tweede scherm nodig om de levels volledig in beeld te brengen. Met de Oil Panic Game & Watch bracht Nintendo in mei 1982 de eerste Game & Watch uit de Multi Screen-serie op de markt. Het apparaatje bevatte twee schermen en kon dichtgeklapt worden, vergelijkbaar met hoe de recentere handheld Nintendo DualScreen kan dichtklappen. Oil Panic had echter nog de traditionele knoppen aan weerszijden van het scherm. Dat probleem was dus nog niet opgelost.

Yokoi en zijn team experimenteerden met diverse mogelijke oplossingen voor hun probleem. Een van de eerste was een kruisvormige lay-out van vier losse knoppen. Dat werkte echter niet goed genoeg. Om de knoppen op de Game & Watch te krijgen, moesten het kleine knopjes worden, waardoor spelers regelmatig per ongeluk meer dan één knop tegelijk indrukten. Daarnaast ontbrak feedback; spelers konden niet voelen welke knop ze indrukten zonder er specifiek naar te kijken: niet handig. De effectiviteit van deze aanpak kun je trouwens zelf proberen als je een Game & Watch Donkey Kong Jr. kunt vinden. Dit model verscheen later dan de originele versie met Donkey Kong, maar hier koos Nintendo, waarschijnlijk om geld te besparen, wel voor vier kleine knopjes in plaats van de hagelnieuwe d-pad.

De Donkey Kong Jr. Game & Watch, waarop Nintendo wel vier losse knoppen gebruikte in plaats van een d-pad

Een andere mogelijke oplossing was het maken van een kleine joystick. Dat zou immers een spelervaring kunnen bieden die vergelijkbaar is met die van de arcadeversie van Donkey Kong. Hoe klein Yokoi en zijn team de sticks echter ook maakten, het zou tot gevolg hebben dat de Game & Watch niet meer volledig kon dichtklappen.

De uiteindelijke oplossing werd door Yokoi zelf bedacht. Hij bedacht dat de vier richtingen ook met één knop bediend konden worden als die knop zelf verschillende richtingen op kon gaan. Hij plaatste een kruisvormige knop boven op een naar beneden uitstekend, rond ‘heupstuk’. Dat laatste zou ervoor zorgen dat de knop verschillende kanten op gedrukt kon worden, door als een wipwap over dat heupstuk heen te bewegen. Onder de vier delen van het kruis zaten de vier kleine knopjes die Nintendo eerder als los design had geprobeerd. De directional pad was dus simpelweg een knop boven op vier andere knoppen. Het leverde Nintendo het gewenste resultaat op; de knop zorgde ervoor dat spelers goed konden voelen naar welke kant ze hem indrukten, terwijl het ontwerp dun genoeg was om de Game & Watch volledig te sluiten. Op 3 juni 1982 bracht Nintendo de Donkey Kong Game & Watch uit en zette een van de invloedrijkste uitvindingen in de gaminggeschiedenis zijn eerste stapjes.

Nintendo's patent op de d-pad

De Donkey Kong Game & Watch bleek een doorslaand succes. Uiteindelijk verkocht Nintendo 8 miljoen exemplaren van de kleine handheld. Dat was uiteraard grotendeels te danken aan de populariteit van Donkey Kong, maar het onderstreepte ook het succes van Yokoi’s d-pad. Hartstikke mooi, dus snel patenteren, toch? Nou, nee. Yokoi bleek in de maanden na de release van Donkey Kong Game & Watch een stuk minder bekwaam als zakenman dan als uitvinder. Het duurde uiteindelijk tot augustus 1983, dus ruim een jaar, voordat iemand het patent op de d-pad liet vastleggen. Dat was Ichiro Shirai; hij liet het patent voor een 'multi-directional switch' optekenen. Om die reden wordt Shirai en niet Yokoi bij het patent vermeld als de uitvinder van de d-pad.

Als we dat patent nader onder de loep nemen, valt meteen op dat de schets van de tweede Game & Watch er een beetje vreemd uitziet. De eerste laat het oude design zien, maar op het tweede ontbreekt de kenmerkende d-pad aan de linkerkant, want die zit rechts. Op de Donkey Kong Game & Watch zit de d-pad echter links, zoals we inmiddels gewend zijn van vrijwel al onze controllers. De reden hiervoor is dat in de arcadehallen de joystick die spelers gebruiken om personages in een spel te bewegen, altijd links zat en de actieknoppen aan de rechterkant. De gedachte daarachter is dat acties in een spel meer snelheid en timing vereisen dan het besturen van een personage en dat de meeste mensen dat het best doen met hun rechterhand. Yokoi besluit deze koers met de Game & Watch ook te volgen en bouwde de d-pad dus links, met de actieknop om te springen aan de rechterkant.

De tekening met de naam ‘FIG 4’ laat het belangrijkste onderdeel van de uitvinding zien. Belangrijk detail hier is dat de d-pad, dus de knop die spelers tussen vier kanten laat switchen, bestaat uit één stuk. Het balletje dat het wisselen van kant mogelijk maakt, is dus onderdeel van het bovenstuk van de d-pad. Het patent vermeldt dat ook duidelijk in de omschrijving van de onderdelen en de werking van deze multi-directional switch. Opvallend is verder dat er in het patent geen duidelijke tekening is van het bovenaanzicht van de d-pad. De pijltjes die op de kruisvormige knop werden afgebeeld en die kenmerkend werden voor Nintendo’s d-pad, worden dus niet vermeld.

Yokoi's d-pad nader bekeken

Om de werking van Yokoi’s d-pad goed in beeld te kunnen brengen, konden we het natuurlijk niet laten om de Game & Watch even open te maken. Best een priegelwerkje, want het scherm wordt op zijn plaats gehouden door de schroefjes die verwijderd moeten worden om het apparaatje open te maken. Daar komt bij dat de onderdelen van de Donkey Kong Game & Watch behoorlijk klein zijn. Om die reden hebben we ook de NES-controller nader bekeken. Die controller, zo valt verderop in dit artikel uitgebreider te lezen, heeft vrijwel hetzelfde mechanisme aan boord als de Donkey Kong Game & Watch, maar dan iets groter. Dat maakt het makkelijker de knop, met aan de onderkant dus het heupgewricht waarover de knop beweegt, in beeld te krijgen.

Op de Game & Watch is de inmiddels iconische directional pad duidelijk te zien, links op het apparaat. Op dit beeld is trouwens ook een ander deel van de werking van de Game & Watch mooi te zien; alle mogelijke beelden die je tijdens het spelen kunt zien, zijn zichtbaar op de lcd. Een leuk detail daarbij is dat Donkey Kong Jr, die te zien is op het onderste scherm, alleen tevoorschijn komt als je de wekkerfunctie van de Game & Watch gebruikt. In dit Donkey Kong-spel zelf speelt hij geen rol.

Voor de volgende foto’s leggen we de Game & Watch feitelijk op zijn buik, om het binnenwerk van de d-pad beter te kunnen bekijken. Vanaf de achterkant gezien komt de d-pad logischerwijs rechts op de foto terecht. Het grijze membraan bevindt zich tussen de zwarte plastic knop en de elektroden, die de druk op de knop daadwerkelijk registreren en versturen. Verwijder het rubber en de onderkant van de d-pad komt tevoorschijn. Met zijn ronde vorm en uitstekende bolletje lijkt hij wel wat op een ouderwetse tol, met in dit geval aan de bovenzijde natuurlijk de herkenbare vier pijltjes die we al op de eerste foto zagen.

Voor meer detail van dat plastic deel kijken we even naar de welbekende NES-controller. Het apparaatje heeft vrijwel dezelfde onderdelen aan boord, maar dan wat groter. De bolling waar de d-pad overheen beweegt, is goed te zien op de laatste foto. Enkele details in de onderkant van de knop zijn anders, alsmede de vorm van het membraan, maar de werking is hetzelfde.

Op allerlei manieren nagemaakt

Dankzij het succes van Donkey Kong Game & Watch begreep Nintendo dat het met de d-pad goud in handen had. Dat kwam bovendien geen moment te vroeg. Terwijl Yokoi zich op de Game & Watch richtte, was Nintendo ook druk bezig om zijn eerste echte homeconsole op de markt te brengen. Het bedrijf werkte al sinds 1979 aan het idee dat in 1983 zou leiden tot de release van de Nintendo Family Computer, ofwel Famicom. Het team achter de Famicom wilde aanvankelijk een kleine joystick maken op de controllers van de console, maar zag daarvan af. Er waren twijfels over hoelang de joysticks mee zouden gaan zonder gebreken te vertonen. Ook waren de makers bang dat kinderen per ongeluk op de controllers zouden gaan staan, waarbij een uitstekende joystick extra gevaar zou opleveren. Bovendien kan een joystick in dat geval afbreken. Als test monteerde Katsuyah Nakawaka toen de d-pad van de Game & Watch op de controller van de Famicom. Het bleek een schot in de roos en gezichtsbepalend voor de controllers van de Famicom, het Nintendo Entertainment System en allerlei consoles die in de decennia daarna nog op de markt kwamen.

Andere fabrikanten adopteren de d-pad

Het succes van Nintendo’s gepatenteerde multi-directional switch bleef uiteraard niet onopgemerkt. Waar andere consolefabrikanten in de jaren daarvoor nog ploeterden met mini-joysticks, bedachten diverse fabrikanten in de jaren na de release van Donkey Kong Game & Watch en de Famicom hun eigen varianten op de d-pad. Atari verwerkte een d-pad op zijn controller voor het Europese model Atari 7200, dat eerder nog bestuurd werd met een kleine joystick. Bij SEGA was dezelfde ontwikkeling te zien. Het bedrijf had in 1982 met de SG-1000 zijn eerste spelcomputer op de markt gebracht, die bestuurd werd met een controller waarop een kleine joystick zat. In 1985 bracht SEGA echter zijn Master System op de markt en de controllers van die spelcomputer hadden een d-pad aan boord. Later verschenen uiteraard Sony en Microsoft nog ten tonele met de PlayStation en de Xbox, en ook zij bleken leentjebuur te spelen bij Nintendo.

Nintendo's patent op zijn multi-directional switch is niet zo waterdicht dat er geen manier is om een vergelijkbaar concept te ontwikkelen zonder inbreuk te plegen op het patent. Als we dat bijvoorbeeld vergelijken met het patent dat SEGA heeft ingediend voor de d-pad zoals die gebruikt wordt op de controller van de SEGA MegaDrive, dan zien we duidelijke verschillen. Sterker nog, SEGA refereert in zijn patent zelf al aan het patent van Nintendo en legt daarna uit op welke punten zijn methode afwijkt. Te zien is dat de kruisvormige knop hier zelf geen rond object aan boord heeft, maar dat deze knop op een bestaand object geplaatst wordt. Eigenlijk is hier zelfs niet eens sprake van een kruisvormige knop; de knop zelf is rond en aan de bovenkant van die ronde knop is het herkenbare kruis van een d-pad gemaakt. Helaas hebben we geen foto’s van deze controller. De MegaDrive-controller die wij bekeken, bleek een latere versie met een ander intern ontwerp, dat veel meer leek op dat van Nintendo.

Andere fabrikanten vonden, net als SEGA, hun eigen manier om invulling te geven aan het idee zonder het patent te schenden. In de tekeningen van de eerste PlayStation-controller is te zien dat Sony ogenschijnlijk niet heeft gekozen voor een kruisvormige knop uit een stuk, maar voor vier losse pijltjes. Onderhuids gaat het daarbij wel degelijk om één knop, maar het ziet er aan de bovenkant heel anders uit dan wat Nintendo had ontworpen. Aan de binnenkant bevat de PlayStation-controller daarnaast een extra verbindingsstuk dat moet helpen om nauwkeuriger de juiste richting te bepalen. Het leverde Sony in elk geval een ontwerp op dat zowel van binnen als van buiten duidelijk anders is dan de d-pad van Nintendo.

Over het algemeen wisten de fabrikanten met hun oplossingen hun doelen wel te bereiken, maar niet iedereen was even succesvol. Er zijn ook voorbeelden van minder geslaagde uitwerkingen. Zo koos Microsoft voor een oplossing met een extra plastic tussenstuk tussen de bovenste knop, waar je feitelijk op drukt, en het membraan dat uiteindelijk de plaatjes indrukt die het signaal van een druk op de knop versturen. Daar kwam nog bij dat de lay-out van de bovenste knop aanvankelijk onhandig was. Microsoft probeerde ook nog een schijfvormige d-pad, maar ook die werkte verre van ideaal. De meest gehoorde klachten: de d-pad bleek niet accuraat en niet responsief genoeg, een druk op de knop werd niet altijd goed geregistreerd en mensen drukten vaak onbedoeld op de diagonale richtingen.

Voor Microsoft is het wat dat betreft goed nieuws dat het patent van Nintendo op de originele d-pad in 2005 verliep. Dat geeft fabrikanten de vrijheid om de uitvinding van Yokoi en de zijnen te gebruiken in hun eigen producten, tot op zekere hoogte tenminste. Veel latere patenten bevatten ook onderdelen die op een bepaalde manier zijn afgeleid van Yokoi’s idee en die patenten zijn nog niet allemaal verlopen. Na de matig presterende d-pads van de controllers van de oude Xbox en de Xbox 360, koos Microsoft met de Xbox One voor een traditionelere aanpak met een kruisvormige knop als d-pad. Met de introductie van de Xbox Series X/S keerde het bedrijf echter terug naar een schaalvormige d-pad, met daarin ook wel een kruis. Daarmee is de nieuwste d-pad van de Xbox een kruising tussen de beide varianten die het bedrijf meeleverde met de Xbox Elite Controller. Gebruikers konden met die controller zelf wisselen tussen een rondere schaal als d-pad en de traditionele d-pad in kruisvorm.

Geen d-pad op de Nintendo Switch

We kennen de directional pad inmiddels dus al 40 jaar, maar of je nu de oude Game & Watch, een MegaDrive-controller of een gloednieuwe Xbox Series X-controller openmaakt, het systeem is in de basis ongewijzigd. Het is een knop die als een multidirectionele wipwap allerlei kanten op kan en daarbij drukt op een rubberen membraan, dat op zijn beurt drukt op een plaatje waarmee een signaal naar de console wordt verstuurd. Grappig feitje: waar de d-pad voor veel fabrikanten niet meer weg te denken is, was het juist Nintendo zelf dat ervoor koos de traditionele d-pad weg te laten op zijn recentste console. De Nintendo Switch heeft namelijk ronde pijltjestoetsen op de linker-Joy-Con. De reden hiervoor is waarschijnlijk dat beide Joy-Cons ook los gebruikt kunnen worden en dat elke Joy-Con dan natuurlijk wel dezelfde knoppen moet hebben. In de meeste games bewegen spelers hun personage dan ook met de thumbstick, waarbij de pijltjesknoppen van de linker-Joy-Con veranderen in actieknoppen als de Joy-Con als losse controller wordt gebruikt. Fans van de traditionele d-pad kunnen echter wel de Nintendo Pro Controller gebruiken om alsnog met een d-pad op de Nintendo Switch te kunnen spelen.

Over decennia jaar nog steeds onmisbaar?

De vraag is dan natuurlijk: hoe ziet een verhaal over de d-pad er over 10, 20 of 50 jaar uit? Het credo ‘niet repareren wat niet kapot is’ houdt de d-pad 40 jaar na zijn geboorte nog overeind, vooral omdat er geen beter alternatief is. Er zijn zeker games waarvoor de thumbsticks op controllers geschikter zijn, maar voor andere games is de d-pad nog steeds onmisbaar. Daarnaast bestaan er natuurlijk ook veel apparaten buiten de wereld van games die ook over een d-pad beschikken, zoals diverse afstandsbedieningen, televisies, monitoren en telefoons. Het zou ons dan ook niet verbazen als de afstammelingen van Nintendo’s eerste multi-directional switch nog decennia relevant blijven.

Diverse controllers met d-pads