LoRes: málo pixelů, hodně možností

Proč se nízkého rozlišení nebát

Klasické ZX Spectrum má obrazovou paměť, jejíž adresování dokáže začátečníkovi zpestřit večer, pokazit náladu a v krajním případě ho přimět programovat raději tiskárny. Pixely nejsou uloženy po řádcích jednoduše za sebou a barvy navíc řídí samostatné atributy pro bloky 8 krát 8 bodů. Ale na tom není nic špatného, je potřeba oddělit zrno od plev :). LoRes jde ale opačnou cestou. Nabízí lineární framebuffer, ve kterém jsou řádky uloženy jeden za druhým, každý pixel má vlastní čtyřbitový barevný index a žádné atributové bloky neexistují.

Rozlišení 128 krát 96 se při zobrazení hardwarově roztáhne na aktivní plochu 256 krát 192, takže jeden logický bod vytvoří čtverec 2 krát 2 fyzické pixely. Výsledek má výrazný chunky vzhled, který se k demům, arkádám a stylizované grafice docela hodí. Není to režim pro sazbu daňového přiznání drobným písmem, ale na rotující neonový tunel je překvapivě vhodný.

Samotný název LoRes se někdy používá společně s označením Radastan. Zapnutí se skládá ze dvou kroků. Bit 7 registru $15 povolí LoRes vrstvu v obrazovém systému a bit 5 registru $6A zvolí Radastan podobu obrazu 128 krát 96 bodů se čtyřmi bity na pixel. Registr $15 současně určuje pořadí vrstev, takže v hotovém programu není dobré bezmyšlenkovitě opsat jednu konstantu a doufat, že se sprity, Layer 2 a tilemap nějak domluví mezi sebou. Hardware je poslušný, ale telepatii zatím další verze core nepřidala.

; Minimalni jadro inicializace
nextreg $15,$80    ; povolit LoRes vrstvu
nextreg $6A,$20    ; Radastan 128x96, prvni obrazovka
nextreg $26,0      ; horizontalni posun
nextreg $27,0      ; vertikalni posun

Dva pixely v jednom bajtu

Jeden pixel používá čtyři bity, takže jeden bajt obsahuje dva sousední body. Horní nibble patří sudému bodu x, dolní nibble následujícímu lichému bodu. Jeden řádek proto zabere 64 bajtů a celý obraz přesně 64 * 96 = 6144 bajtů. Pokud zapisujeme sudý pixel, musíme zachovat dolní čtyři bity původního bajtu a novou barvu posunout do horních čtyř bitů. U lichého pixelu je postup obrácený.

Obecná rutina pro jeden bod je užitečná pro čáry, částice, hvězdy nebo text, ale při kreslení celé obrazovky bývá lepší pracovat rovnou s dvojicemi pixelů. Renderovací smyčka pak vyrobí oba barevné indexy, spojí je do jednoho bajtu a jedním zápisem uloží dva body. Při kopírování připravených řádků lze použít LDIR, při větších přesunech DMA a u specializovaných efektů rozbalené smyčky. Jakmile se přestane volat univerzální plot pro každý jednotlivý bod, začne těch 6144 bajtů působit opravdu příjemně malým dojmem.

Lineární uspořádání je velká výhoda také pro převod grafiky na PC. Obrázek 128 krát 96 stačí převést na šestnáct barevných indexů, vždy dva indexy zabalit do jednoho bajtu a výsledný soubor nahrát přímo do videopaměti. Není potřeba přeskakovat mezi třetinami obrazovky ani sestavovat atributy. Stejně jednoduše lze generovat textury, výškové mapy, masky a předpočítané snímky. Je to starý dobrý obchod: trochu matematiky, trochu podvádění a divákovi samozřejmě řekneme jen o té matematice. :)

Šestnáct barev není jen šestnáct pevných barev

Čtyřbitový pixel vybírá index 0 až 15, skutečný odstín ale pochází z programovatelné ULA palety. Barvy lze zapisovat v osmibitovém formátu RGB332, tedy tři bity červené, tři bity zelené a dva bity modré, případně využít rozšířený devítibitový zápis palety. Šestnáct současně použitých indexů proto nemusí připomínat původní spektráckou paletu. Mohou tvořit plynulou modrou rampu pro vodu, fialovo-azurový neon, odstíny ohně, kovový lesk nebo několik zcela odlišných materiálů. Registry $40, $41 a $43 slouží k výběru indexu, zápisu hodnoty a volbě cílové palety. Po zápisu barvy se index automaticky posouvá, takže celou šestnáctici nahraje krátká smyčka.

Spodní čtyři bity registru $6A navíc určují posun LoRes palety. Čtyřbitové hodnoty framebufferu tak mohou vybírat různé šestnáctibarevné bloky z širší paletové tabulky, aniž by bylo nutné přepisovat pixely. To se hodí pro změnu nálady scény, barevné varianty objektů, přechody mezi částmi efektu nebo klasické palette cycling. Samotnou paletu lze měnit také během obrazu, ideálně pomocí Copperu, a jednotlivé části obrazovky pak mohou používat odlišné odstíny nad stejnými daty framebufferu. Když člověk mění paletu na každém druhém řádku, je to působivý grafický trik.

Dvě obrazovky a žádné rozkreslené snímky

LoRes umí pracovat se dvěma obrazovými soubory, běžně dostupnými na $4000 a $6000. Bit 4 registru $6A určuje, který z nich se zobrazuje. To přímo vybízí k double bufferu: zatímco první stránka svítí na monitoru, celý nový snímek vzniká ve druhé. Po dokončení renderu program počká na obrazové přerušení a přepne jediný bit. Hotový obraz se objeví naráz, bez viditelného mazání, trhání nebo horní poloviny nového tunelu přilepené ke spodní polovině starého tunelu. V dalším snímku si obě stránky role vymění.

Oba buffery dohromady zaberou 12 kilobajtů, což je na poměry klasického Spectra citelná část paměti, ale na Nextu jde o rozumnou cenu za čistou animaci. Není přitom povinné double buffering používat. Statická obrazovka, pomalu doplňovaná mapa nebo efekt, který záměrně kreslí před paprskem, si vystačí s jedním framebufferem. U celoplošných deformací a animací je dvojice stránek téměř vždy pohodlnější. Při přepínání je vhodné zachovat všechny ostatní bity registru $6A, především zapnutí režimu a paletový offset.

Scroll, vrstvy, průhlednost a další hračky

LoRes sdílí s ULA vrstvou registry $26 a $27 pro horizontální a vertikální posun. Celou obrazovku lze tedy hardwarově posouvat bez přesouvání jediného bajtu framebufferu. Jemný scroll se hodí pro kameru, chvění obrazu, refrakci, vlnění nebo levný parallax. Když se posun mění po řádcích Copperem, lze vytvořit vodní deformaci, zakřivení tunelu nebo horizontální vlny, zatímco Z80 dál připravuje další snímek. Okraje odhalené posunem je samozřejmě potřeba promyslet. Hardware umí hodně věcí, ale zatím neumí domalovat grafiku, kterou jsme zapomněli připravit - neptejte se mne jak to vím... :)

Protože je LoRes součástí obrazového systému Nextu, lze jej skládat se sprity, Layer 2, tilemapem a podle nastavení také s klasickou ULA vrstvou. LoRes může tvořit rychlé procedurální pozadí, zatímco ostré sprity nesou postavy a částice, tilemap zobrazuje herní prostředí nebo stavový panel a Layer 2 přidává detailní logo či text. Globální transparentní barva z registru $14 se vztahuje také na LoRes, takže vybraný výsledný odstín může odkrýt vrstvu pod ním.

Co se v LoRes dá dělat

Nízké rozlišení s vlastní barvou každého pixelu výborně sedí efektům založeným na tabulkách a jednoduché matematice. Plasma může sčítat několik sinusových průběhů, tunel používá předpočítané polární souřadnice, metabally skládají několik vzdálenostních polí a bump mapping odhaduje normálu z rozdílů sousedních vzorků. Výšková mapa dovolí voxelovou krajinu, zpětná vazba zase oheň, kapalinu nebo rozmazané světelné stopy. Čtyřbitové textury jsou malé, takže se jich do paměti vejde hodně a dobře se kopírují mezi bankami. Pro chunky 3D lze kreslit vyplněné polygony, rotující objekty nebo jednoduchý raycaster. Hrubší pixely přitom část numerických nepřesností schovají, což je vlastnost, kterou budeme samozřejmě vydávat za umělecký styl.

Od dema k malému tutorialu

V demu pro Forever 2027 používám LoRes u několika výrazně složitějších částí. Jsou tam předpočítané mapy, bankování, palety měněné podle fáze efektu, dvojité buffery a renderovací smyčky optimalizované pro konkrétní obraz. Pro vysvětlení samotného režimu je takový kód příliš složitý. Proto jsem z něj oddělil malý samostatný projekt Neon Ribbons - který se ale v demu (myslím tím, tento konkrétní efekt) jako takovém nepoužívá. Obsahuje rutinu pro inicializaci LoRes, nahrání palety, vyčištění obou stránek, výběr zadního bufferu, page flip a zápis jednoho pixelu. Nad touto základní vrstvou běží jednoduchý efekt, který kopíruje barevnou texturu po řádcích, posouvá ji sinusovou tabulkou a přes obecnou pixelovou rutinu doplňuje několik jisker.

Celý příklad se vejde přibližně do 1,25 kilobajtu kódu a tabulek a nepotřebuje žádná externí grafická data. Není to pokus o nejsložitější efekt, ale čitelný základ pro vlastní experimenty. Stačí vyměnit paletu, upravit tabulku vlny, nahradit texturu vlastním obrázkem nebo místo kopírování řádků začít počítat pixely. Jakmile funguje přepínání obrazovek a člověk ví, ve kterém nibblu bydlí který bod, je zbytek už příjemná grafická práce.