Ok, finalmente encontrei a resposta para essa pergunta em alguns posts na seção TeX do stackexchange: Minha imagem perfeita pixel fica desfocada quando compilado em LaTeX e O PNG incluso aparece borrado em PDF .
Resumo desses posts: muitos visualizadores de PDF têm uma configuração opcional para suavizar a saída de PDF ("Smooth text e line art" no OS X Preview, "Anti-alias text e line art" no Skim; alguns programas como o pdf do Firefox. A extensão js tem essa configuração sem uma maneira óbvia de desativá-la, outros como o visualizador de pdf do Google Chrome não parecem ter essa configuração, note que os nomes das configurações Preview e Skim são enganosos porque imagens rasterizadas, não apenas linhas, são suavizadas essa configuração está habilitada). Para os programas que possuem essa configuração, desabilitar a configuração faz com que a imagem incorporada pareça boa, mas outros aspectos do pdf (e outros PDFs) não ficarão tão bons (o texto será pixelizado, etc.). O formato PDF não tem uma opção interna para dizer ao programa visualizador que não aliasse um elemento (talvez um dia ...), então parece que, por enquanto, a solução que descrevi acima é na verdade o método que é tipicamente usado para incorporação de imagens pixelizadas em pdfs: sobreamostrar a imagem para a resolução necessária *.
A outra opção é converter a imagem em uma imagem vetorial de retângulos coloridos. Eu experimentei esse método com o Inkscape (use a opção trace do método clone tile para clonar um único retângulo de pixel sobre a imagem; veja esta página de documentação para alguns dos detalhes), mas como esse método requer a especificação de todas as coordenadas do objeto de retângulo de cada pixel, ele acaba sendo muito menos eficiente em termos de espaço em disco comparado à incorporação de um raster imagem.
* Uma maneira de fazer o oversample de uma imagem é usar ImageMagick com o flag de amostra definindo as dimensões para maior múltiplos das dimensões da imagem base. Note que você precisa de um \!
após as novas dimensões se você quiser alterar a proporção (por exemplo, se esticar a imagem no pdf, você pode querer fazer com que cada pixel original tenha dez pixels de largura, mas apenas três pixels de altura).