Большинство компьютерных и видеоигр, созданных в 20 веке, имели пиксельную графику. Вы можете задаться вопросом, почему. Мы расскажем об истоках пиксельной графики и то, как со временем сложность графики увеличилась.
Разрешение было ограничено стоимостью и доступными технологиями
Пиксельная графика в старых видеоиграх — где разрешение дисплея достаточно низкое, была в значительной степени результатом телевизоров с низким разрешением и высокой стоимости микросхем памяти и цифровой логики в то время, когда эти игры создавались, относительно сегодняшнего дня.
Хотя к концу 1970-х годов было возможно создать цифровое неподвижное изображение с разрешением HD, технологии для его анимации в реальном времени появились намного позже. Такая технология была слишком дорогой, чтобы внедрить ее в массовый развлекательный продукт, который потребители могли себе позволить до середины 2000-х годов.
Дизайнеры игр сделали все возможное, используя ограниченные технологии, доступные в то время, используя пиксельную графику для иллюстрации своих игр для консолей, таких как Atari 2600, NES, Sega Genesis и многих других.
«Мы делали наброски на миллиметровой бумаге, а затем оцифровывали эти рисунки», — говорит Джо Декуир, соавтор игровой приставки Atari 2600 и программировавший одну из самых ранних игр для нее. «Я хорошо помню, какими неуклюжими танки выглядели в Combat».
Даже художникам, занимающимся компьютерными играми, приходилось иметь дело с изображениями с относительно низким разрешением и низкой цветностью по сравнению с сегодняшним днем. «Необходимость работать с этими гигантскими однотонными кирпичами и ограничиваться только 16 ужасными цветами, которые были выбраны для нас заранее, была огромным препятствием», — говорит Марк Феррари, который рисовал графику EGA для игр Lucasfilm на IBM PC, таких как Zak McKracken, Loom и The Secret of Monkey Island.
Но художники приняли ограничения и все равно создали классику. Давайте подробнее рассмотрим, какие технические возможности привели к этим ограничениям и почему пиксельная графика игры со временем стала менее востребованной.
Как работает графика видеоигр
Цифровая игровая графика — это все о пикселях: как Вы их храните, как Вы их обрабатываете и как Вы их отображаете. Больше пикселей на дюйм означает больше деталей, но чем больше пикселей у Вас есть, тем больше аппаратных мощностей Вам потребуется для их управления.
Слово «pixel» возникло как сокращение от термина «picture element», придуманное компьютерными исследователями в 1960-х годах. Пиксели — это наименьшая возможная часть любого цифрового изображения, независимо от разрешения. В современных компьютерах они обычно представлены в виде квадратных блоков, но не всегда, в зависимости от характера и соотношения сторон устройства отображения.
Говоря абстрактно, большая часть графики видеоигр работает, сохраняя сетку пикселей (известную как растровое изображение) в части видеопамяти, называемой буфером кадра. Затем специальная схема считывает эту память и преобразует ее в изображение на экране. Количество деталей (разрешение) и количество цветов, которые Вы можете сохранить в этом изображении, напрямую зависят от того, сколько видеопамяти доступно на Вашем компьютере или игровой консоли.
В некоторых консольных и аркадных играх не использовались буферы кадров. Фактически, консоль Atari 2600, выпущенная в 1977 году, позволила снизить свои затраты за счет использования специальной логики для генерации сигнала на лету, когда линия телевизионного сканирования перемещалась вниз по экрану. «Мы пытались быть дешевыми, но это предоставило вертикаль в руки программистов, которые были намного умнее, чем предполагали разработчики оборудования», — говорит Декюр о 2600.
В случае игр с предкадровым буфером графическая детализация ограничивалась стоимостью вспомогательной схемы (как в ранних аркадных играх Atari с дискретной логикой) или размером программного кода (как в Atari 2600).
Экспоненциальные изменения памяти и разрешения
Масштабы улучшения технических возможностей компьютеров и игровых консолей были экспоненциальными за последние 50 лет, а это означает, что стоимость цифровой памяти и вычислительной мощности снизилась со скоростью, не поддающейся здравому смыслу.
Это связано с тем, что усовершенствованные технологии изготовления микросхем позволили производителям втиснуть экспоненциально больше транзисторов в заданную область кремния, что позволило значительно увеличить объем памяти, скорость процессора и сложность графического чипа.
«В самом деле, сколько транзисторов Вы могли бы использовать?» — говорит Стив Голсон, соавтор графического процессора Atari 7800 и один из создателей Ms. Pac-Man, а также других игр. «С несколькими десятками тысяч транзисторов у Вас есть Atari 2600. С десятками миллиардов транзисторов Вы получаете современные консоли. Это в миллион раз больше. А тактовые частоты увеличились с нескольких мегагерц до нескольких гигагерц. Это в тысячу раз больше».
Стоимость транзисторов влияла на каждый электронный компонент, в котором они использовались, включая микросхемы оперативной памяти. На заре компьютеризированной игровой консоли в 1976 году цифровая память была очень дорогой. Fairchild Channel F использовал всего 2 килобайта оперативной памяти для хранения растрового изображения экрана — всего 128 × 64 пикселей (102 × 58 видимых), с одним из четырех цветов на пиксель. Чипы оперативной памяти аналогичной емкости с четырьмя микросхемами оперативной памяти, использовавшимися в Channel F, продавались в розницу примерно по 80 долларов в то время, что составляет 373 доллара сейчас с учетом инфляции.
Перенесемся в 2021 год, когда Nintendo Switch будет включать в себя 4 гигабайта оперативной памяти, которую можно использовать совместно с рабочей памятью и видеопамятью. Предположим, игра использует 2 ГБ (2 000 000 килобайт) видеопамяти. По ценам 1976 года эти 2 000 000 килобайт оперативной памяти стоили бы 80 миллионов долларов в 1976 году, а сегодня это более 373 миллионов долларов. Безумие, правда? Это противоречащая логике природа экспоненциального изменения.
Поскольку с 1976 года цена на память упала, производители консолей смогли включить в свои консоли больше видеопамяти, что позволило получать изображения с гораздо более высоким разрешением. С увеличением разрешения отдельные пиксели стали меньше, и их труднее было увидеть.
Nintendo Entertainment System, выпущенная в 1985 году, могла воспроизводить изображение с разрешением 256 × 240 (61 440 пикселей). Сегодня консоль Sony PlayStation 5 может создавать изображение 3840 × 2160 (4K) и, возможно, изображение размером 7680 × 4320 (33 177 600 пикселей). Это на 53 900% больше разрешения приставки для видеоигр за последние 36 лет.
Даже если бы в 1980-х годах можно было отображать графику высокой четкости, не было возможности перемещать эти изображения из памяти и рисовать их на экране со скоростью 30 или 60 раз в секунду. «Взгляните на замечательный короткометражный анимационный фильм Pixar« Приключения Андре и Уолли Б.», — говорит Голсон. «В 1984 году для создания этого фильма потребовался суперкомпьютер Cray за 15 миллионов долларов».
Для «Приключений Андре и Уолли Б.» Pixar визуализировал подробные кадры с разрешением 512 × 488 со скоростью примерно один кадр за 2-3 часа. Работы с более высоким разрешением, предпринятые позже, потребовали гораздо больше времени на рендеринг и многомиллионного оборудования мирового класса. По словам Голсона, когда дело дошло до фотореалистичной графики в реальном времени, «это просто невозможно было сделать с использованием оборудования, доступного в 1984 году. Не говоря уже о такой цене, которая позволяла бы продавать его потребителям».
Низкое разрешение телевизора, ограничивающая детализация
Конечно, чтобы консоль отображала изображение с разрешением 4K, как современные консоли высокого класса, Вам нужен дисплей, способный делать это, чего не было в 1970-х и 80-х годах.
До эры HDTV в большинстве игровых консолей использовалась относительно старинная технология отображения, разработанная в 1950-х годах — задолго до того, как кто-либо ожидал играть в домашние видеоигры с высоким разрешением. Эти телевизоры были разработаны для приема радиопередач через антенну, подключенную к задней панели.
«Единственный способ подключиться к телевизору — через антенный вход», — говорит Стив Голсон, вспоминая свою работу над Atari 7800 в 1984 году. «Таким образом, консоль должна была генерировать совместимый сигнал, который выглядел так, как будто он исходит от Вашей антенны. Значит, Вы были ограничены возможным разрешением аналогового вещательного сигнала NTSC».
В идеале аналоговый телевизионный сигнал NTSC может обрабатывать около 486 строк с чересстрочной разверткой шириной около 640 пикселей (хотя это зависит от реализации из-за аналоговой природы стандарта). Но на раннем этапе разработчики игровых консолей обнаружили, что они могут сэкономить память, используя только половину двух чересстрочных полей NTSC в секунду для создания очень стабильного изображения высотой 240 пикселей, которое теперь называется «240p». Чтобы сохранить соотношение сторон 4:3, они ограничили горизонтальное разрешение примерно до 320 пикселей, хотя это точное число значительно варьировалось между консолями.
Сигнал NTSC также ограничивал количество цветов, которые Вы могли генерировать без их слияния или размытия. «И нужно было сделать так, чтобы это выглядело хорошо для многих людей, у которых все еще были черно-белые телевизоры! Это еще больше ограничило Ваш выбор цвета», — говорит Голсон.
Чтобы обойти это ограничение, в начале 1980-х в персональных компьютерах начали использовать нетелевизионные дисплеи с высоким разрешением. «IBM PC и его клоны вывели на большой рынок отдельные цветные мониторы, которые могли работать как минимум с VGA (640 x 480)», — добавляет Джо Декуир. «Однако игроки не получали их до 1990-х годов для игр, подключенных к ПК».
В некоторых старых аркадных играх, таких как Popeye от Nintendo (1982 г.), использовались преимущества гораздо более высоких разрешений (512 × 448), которые стали возможными благодаря аркадным мониторам, использующим нестандартный режим чересстрочного видео, но в эти игры нельзя было играть на домашних игровых консолях.
Кроме того, сегодня дисплеи отличаются по резкости и точности, что усиливает эффект пикселизации в некоторых старых играх. То, что выглядит квадратным и блочным на современном ЖК-мониторе, часто сглаживается при отображении на старом ЭЛТ-мониторе или телевизоре.
Пространство для хранения также устанавливает ограничения на графическую сложность
И в консольных, и в компьютерных играх сложность графики ограничивалась не только возможностями отображения и логической скоростью, но и тем, как они хранились на съемных носителях, которые можно было распространять среди клиентов.
«В наши дни люди действительно не понимают, в какой ограниченной среде мы работали с точки зрения пространства для хранения и времени обработки», — говорит Марк Феррари. «В то время дисковое пространство было действительно драгоценным».
В то время, когда Феррари рисовал свою графику для Lucasfilm, игра должна была уместиться на нескольких дискетах, каждая из которых могла хранить только 1,4 мегабайта. Несмотря на то, что Lucasfilm сжал свои игровые иллюстрации, ограничение на количество деталей было связано не только с разрешением графической карты IBM PC, но и с емкостью самих дискет.
Но, как и цены на память, стоимость хранения графических данных на съемных носителях также упала в геометрической прогрессии. Что касается консолей, в 1976 году картридж Fairchild Channel F содержал около 2 килобайт данных, тогда как игровые карты Nintendo Switch могут хранить до 32 000 000 килобайт данных (32 ГБ). Это в 16 миллионов раз больше места для хранения, что дает намного больше места для подробных графических данных.
Конец видимого пикселя… и новое начало
В 2010 году Apple представила на iPhone 4 «дисплей Retina» — экран с достаточно высоким разрешением, чтобы невооруженный глаз (на стандартном расстоянии просмотра) больше нельзя было различить отдельные пиксели. С тех пор эти дисплеи сверхвысокого разрешения переместились на планшеты, настольные компьютеры и портативные компьютеры.
Некоторое время казалось, что дни пиксель-арта наконец-то закончились. Но пиксельная графика с низким разрешением никуда не делась. Фактически, он находится на подъеме.
Начиная с конца 2000-х годов, разработчики инди-игр начали всерьез относиться к эстетике ретро-пиксельной графики. Отчасти они сделали это по ностальгическим причинам, а также потому, что в некоторых случаях небольшой команде разработчиков проще создать более простую блочную графику, чем подробные иллюстрации с высоким разрешением, которые выглядят профессионально. (Как и во всем, есть исключения — например, создание убедительной и плавной анимации с помощью 2D-спрайтов — очень трудоемкий процесс.)
Марк Феррари смотрит на этих современных пиксельных художников с трепетом и благоговением. «Я занимался пиксельной графикой, потому что альтернативы не было. Это был не выбор, а необходимость», — говорит Феррари. «Люди, занимающиеся пиксельной графикой сейчас, делают это по собственному желанию. Сейчас нет технической необходимости заниматься пиксельной графикой. Но они выбирают это, потому что им это нравится».
Так что, хотя когда-то пиксельная графика была ограничением, теперь это бесценная художественная эстетика, которая, скорее всего, никогда не исчезнет, и все благодаря тому очень короткому периоду в истории, когда художники делали все, что могли, с ограниченными технологиями того времени.
