新しいグラフィックモード：1024色のCGA

コンテストRevision 2015のOldskool Demoで優勝したデモ「 8088 MPH 」について話します。 Trixter 、 reenigne 、 Scaliとともに、私たちはそれを行いました。 そして、私はプログラミングウィザードのグループと協力するだけでなく、古き良きIBM PC、現代のx86プラットフォームのママとパパのデモを作成する際に世界記録を破る機会を得ました。



何らかの理由で手元にCGAアダプターを備えたIBM PC XT x86がない場合は、YouTubeでデモを見ることができます。







技術的な詳細はポスト再入稿に含まれており、私はこのストーリーをより視覚的な形で伝えることにしました。



DOSBoxの複合CGIエミュレーションを実行する再コードを調べたときに、大きなパレットをサポートするためのトリックが少し前に発明されました。 このハッキングの概念をまともな外観にしたので、私はそれを再確認して、それが私のソリューションを見て、実際のハードウェアでテストするようにしました。 その結果、レシピがあります：



-文書化されていませんが、ハッキングする2人の友人を連れて行きます。 希望の効果を得るために混ぜ合わせます。

-別のハックを追加する

-チェック、修正、繰り返し



チュートリアルの最初は、CGAにあまり詳しくない人のために特別に書かれています。

古いトリック＃1：16色RGBIグラフィックス

CGA Essentials：PC用の最初のグラフィック標準。 16 kbメモリバッファ、MC6845 CRTCで動作します。 ビデオ出力：RCAプラグを介したNTSC、またはRGBI信号（赤、緑、青、強度）を出力するDE9コネクタ。 最後のオプションは、CGAについて聞いたときに人々が提示するものです。デジタルTTL信号で、各コンポーネントは合計16色でオンまたはオフにできます。



BIOSでサポートされている標準モードは、2色の高解像度（640x200）と4色の中程度（320x200）です。 向きを変えないでください。高解像度では、塗りつぶしの色のみを変更でき、背景色は常に黒です。 平均して、背景色を変更することができ、他の3つは固定パレットによって事前定義されています 。



IBMはさりげなく 「ROMでサポートされていない」16色と低解像度の別のモードについて言及しましたが、その操作方法に関する情報は提供しませんでした。 しかし、この箱はクローバーで開きました。

低解像度モード

これはグラフィックモードではなく、80列のわずかに変更されたテキストモードです。 CRTCレジスタを修正し、25行ではなく100行を取得します。文字は8x2ピクセルの長方形（通常の8x8の1/4）を占めることがわかります。 画面を魔法のASCII文字0xDEで塗りつぶすと、各文字が、背景と塗りつぶしに対応する左右の「ピクセル」に分割されます。 これらの2色は、CGAテキストモードのように、CGAモードの16の値のいずれかに個別に割り当てることができます。最も重要なのは、ちらつきをオフにすることを忘れないでください。







図には、0xDEシンボル用の8x8セルがあります（黄色-塗りつぶし、黒-背景）。 低解像度モードでは、最上部の2行のピクセル（ラスターライン）のみが表示され、4x2ピクセルの2つの長方形が並んで取得されます。



そこにあります：160x100 @ 16c。 少なくとも1983年から使用されていますが、人気はありません。 きれいに見えるようにするには、貴重なCPUリソースを使う必要があります。そうしないと、画面上の「雪」を避けられません。

Macrocomメソッド

あなたは尋ねることができます-これはテキストモードなので、なぜASCII文字のセット全体を使用しないのですか？ 本当に。 80年代半ば、この技術はMacrocomの向こう見ずな人によってテストされ、100行のトリックとASCIIアートを組み合わせて、「hellish ANSI」と呼ばれるものを受け取りました。







画像：テキスト画面の一部80x100文字、ランダムなASCII文字を使用して高解像度グラフィックスをエミュレートします。 各文字行のラスタ行の上の2行のみが表示されます。



真ん中-キャラクター全体を見た場合の画面の様子。



右側はROMからのフォントで、各文字の2つの上部ラスターラインが強調表示されています。



文字セットをcな方法で使用すると、視聴者に640x200モードを見ていると思わせることができますが、各8x2シンボルには2色しか含めることができません。 そして、このモードでゼロから描くことは、特別なグルメのためのアクティビティです...



このトリックは、デモに間接的にのみ適用されます。複合ディスプレイに依存しています。 コンポジットCGA出力が80カラムモードでそれほどバグがなかったとしても、そのような詳細でNTSCに出力することはできませんでした。

古いトリック番号2：コンポジット出力による16色

デジタルRGBモニターはCGA時代にはまれでしたが、CGAはNTSC互換の画像を備えたコンポジット出力も提供していました。 ここでは許可を犠牲にしますが、花で戻ってきます。

ダイレクトカラー

コンポジット出力では、16色のパレットが一連のカラー信号で表され、色相は基準信号（NTSCカラーバースト）に対する位相によって決定されます。 カラーのNTSCの周波数（3.579545 MHz）は、CGAラスターのアクティブラインごとに160カラーサイクルに相当します。



色は鉄によって色信号として直接作成されるため、「直接色」と呼びます。 IBMには2つのバージョンのCGAがあり、さまざまな方法でコンポジットビデオを作成しました。新しいカードには、RGBIに最も対応したパレットを作成できる追加のアウトラインが含まれていました。 デモでは、すべてのカードをテストしたため、古いカードを使用しました。



しかし、16色では不十分ですよね？ 彼らはまたいです。 しかし、より良い方法があります。

偽色

帯域幅の制限により、NTSCは色と輝度を完全に分離していません。 高解像度の部分（周波数がNTSC周波数よりも大きい部分）は、デコード中に塗りつぶされます。 端の記号が偽色で表示されます。



CGAラスターのアクティブなラインごとに160色サイクルを得たことを覚えていますか？ CGA規格は、1行あたり320または640のアクティブピクセルを提供します。 ピクセルのオンとオフは、カラーレンダリングの頻度の2〜4倍速くできます。 これらの高周波の詳細は色情報と完全には共有されていないため、ピクセルの色相またはピクセル間の遷移は、カラーサイクル期間内の位置に依存することがわかります。







NTSCカラーサイクルは円で表されることもあります。1周期は360°回転に相当し、ラスタラインごとに160回転します。



1つのデジタルサイクルで4ピクセルが配置される640x200モードがあるとします。1ピクセルを左右に移動し、カラーホイールを90度移動し、それに応じて色相を90度変更します。 320x200モードでは、ホイールを180°動かします。 つまり、高解像度で部品を操作するということは、不完全なNTSC伝送の偽の現象である色を作成することを意味します。







画像：カラーストロークの形で色を完全にデコードできない結果。 80列モード（左）のテキストは、40列（右）のテキストとは異なり、ほとんど判読できません。



受信側でのスプリアス効果を減らすために、多くの場合、異なるフィルターが使用されます。 しかし、以来 それは魔法ではなく技術であり、細部と色を完全に分離することはできず、副作用として他のアーティファクト（エコーなど）が得られます。

単色の偽色

しかし、これらの迷色はすべて、理想的ではないコーディングスキームの副作用にすぎません。 しかし、他の不利な点と同様に、それは利点に変えることができます。 これらの効果を見ると、明らかになります。色周波数と同じ周波数（1行あたり160）の周期的な複合信号は、単色としてデコードされます。



16の直接色は、このタイプの周期的な複合信号に属します。 しかし、待ってください-高解像度のピクセルで遊ぶと、独自の周期的な波形を取得できます！ 目的の周波数で繰り返される限り、ドットのパターンはすべて実行されます。 そのため、線のパレットにない無地の色が得られます。







古典的な方法は、BIOSモードNo. 6、640x200に2色、黒地に白、そして色バーストビットを設定することです。 この解像度では、4ピクセルが色更新期間に収まり、1ピクセルあたり1ビットで16パターン、つまり16色が得られます。



実際、スティーブウォズニアックは Appleでカラーレンダリングを行いました] [。 一般に、古いCGAカードでは、16色はAppleの16の低解像度色と正確に一致します。 つまり、ピクセル自体は白であり、色は相互の配置によってのみ転送されます。



しかし、それだけではありません！ CGAは、すべてにかかわらず、Appleよりも優れています。 テンプレートのピクセルは白である必要はありません。 620x200モードでは、塗りつぶしを16色のいずれかに設定できます（背景は常に黒です）。 同じピクセルパターンに白とは異なる色を割り当てると、新しい色のセットのパレットが得られます。 もちろん、一度に使用できる16色のセットは1つだけですが、少なくともどちらかを選択できます。



また、4色のパレットを備えた320x200モードもあります。 そのうちの1つ（No. 0（背景））のみを自由に変更できます。 残りは強度を変更できますが、緑/赤/黄色またはシアン/マゼンタ/白しか取得できません。 文書化されていないパレットを青/赤/白にするには、デジタル同期ビットをオフにする必要があります。そのため、合成画像は白黒になります。



このモードではピクセルは2倍の厚さなので、一度に2つだけカラーサイクルに絞ることができますが、ピクセルあたり2ビットの場合、偽色の総数は16のままです。パレットと選択可能な背景色の可能な組み合わせは16のセットを提供しますカラーパレット。







ここで何かを明確にする必要があります。 なぜなら 1行あたり160のカラーサイクルがあり、コンポジット信号で使用できるCGAグラフィックモードは160x200モードであると多くの人が信じていますが、これは完全に真実ではありません。 有効な色解像度は確かに160x200であり、偽色を使用してより細かい解像度を取得することは不可能です。 しかし、NTSCで見たように、ピクセルグリッドとカラーグリッドは同じものではありません。 したがって、水平解像度は未解決の問題であり、信号のサンプリングとフィルタリングに依存し、使用する色信号の形式によって異なります。



IBMはこれらのアーティファクトトリックを文書化しませんでしたが、この概念は最も古いゲーム、たとえば1982年のMicrosoft DecathlonやFlight Simulatorでも使用されました。 そして、16色の制限は常に残っていました。



ただし、まだテキストを読んでいる場合は、この制限を克服できることに気づき、どのように推測することもできます。

256色

16の迷色の選択は、パレットとカラーレジスタの設定によって異なります。 これは、ラスタの特定の行のレジスタを変更し、画面上で16色以上を取得する必要があることを意味します。 そう？







CGAでは、これはすでに行われており、この手法は最大256色まで使用できますが、デモではこのアプローチを使用しませんでした。 好奇心に駆られた純粋な偶然によって、私は私たちの技術につまずいた。



希望する長さの花とドットのパターン（640x200の4ピクセルまたは320x200の2ピクセル）が複合ディスプレイ上でどのように単色になるかを思い出してください。 DOSBoxで複合エミュレーションをテストしたとき、それを思い出しました。 同時に、グラフィックハック「hellish ANSI」を試していました。



80カラムモードのROMフォントの部分の1つに戻りましょう。このモードでは、ラスターの上部の2行が強調表示されます。







たとえば、次の記号を見てください。







80x100モードでは、ラスタの上部2行のみが表示されます。 これらの25％シンボル画像をご覧ください。 塗りつぶし色の2つのドットと2つの背景ドットが水平方向に複製されます。 高解像度モードで80列が表示されているため、各文字には2つのカラーサイクルがあります。これは、これら2つの類似した半分に対応しています。 また、ラスターの上部の2行は同一です。



このような繰り返しパターンは、NTSCでスプリアスカラーを固体にします。 これは、320x200モードで使用可能なものと同じ波形です。 テキストモードでのみ使用できるようになりました。このモードでは、塗りつぶしの色と背景色の両方を自由に16色に割り当てることができます。



つまり、すでに256のオプションがあります-つまり 点滅、ぼかし、その他の効果なしにCGAで16色以上を表示する機能。



可能な組み合わせ：

512色

しかし、それだけではありません！ この方向に進んで、他の有用なパターンを探してROMからフォントを調べ始めました。 いくつかのシンボルは、Uと同じ波形を示します-これらはH、V、Y、および¥です。 しかし、別の適切なビットシーケンスを持つのは、正確に必要な場所-0x13、またはです。



Uラスタの上の2行は、塗りつぶしと背景の11001100ビットマスクを提供します。 '' 01100110-右へのシフト、または90°の位相シフトを与えます。 これはUを補完し、波形「... 1100 ...」が提供できるすべての色を取得するため、完全なパレットを作成します。 塗りつぶしと背景の色をそれぞれ「U」と「」に入れ替えると、180°と270°が得られます-「0011」と「1001」の場合と同じです。







そして今、私たちはさらに多くの512色を得ました！ もちろん、実際にはそれらの数はより少なく、複製と非常にわずかに異なる色合いがあります。 しかし、それが限界のようです-フォントには他の適切な文字がありません。 CGAには代替の「薄い」 8x8 フォントがありますが、まず第一に、このためにカード内を移動する必要があり、第二に、そこに有用なビットパターンがありません。



reenigneで色の数を32倍に増やすという私のテクニックを誇らしげに共有していたので、利用可能な色の数を2倍にするという真に悪魔的な計画があるとは思いませんでした...

1024色

そして、黒魔術が登場します。その栄冠はすべて、再び生まれ変わることに帰すべきです







ラスタの興味深い最初の行があるこれらの2つのシンボルに注意してください。 残念ながら、2行目は1行目とは異なります。これにより、単色の効果が損なわれます。 これらは、ASCIIコード0xB0および0xB1です。 2番目の不適切なラスターラインを切断できることは素晴らしいことです...そして、このような機会があります。



詳細は再投稿記事にありますが、要するに、アイデアは次のとおりです。すべての新しいCRTCフレームを新しいラスターラインの先頭から開始し、開始アドレスで再生し、各シンボルの最初のラスターラインが2回繰り返されるように文字を配置することができます。



そして、これらの2つの文字を使用して、256色のパレットをさらに2つ使用できます。







もちろん、このような大騒ぎは4.77MHz 8088の不幸な割合に大きなストレスをかけるので、静止画像以外にできることはほとんどありません。 512色でASCII 0x55および0x13を使用するオプションははるかに高速です-設定して忘れてください。



複合ディスプレイには別の問題があります-ハードウェアのバグで、垂直同期が正しく行われず、色同期が失われます。 補正方法はありますが、どのモニターにも100％の信頼性はありません。 テストとキャリブレーションには多くの時間がかかりました。



最後に、1981年のIBM CGAで80x100の「パフィーピクセル」の有効解像度で1K色を取得しました。 彼らは記憶と視覚の両方でぽっちゃりしています。 もちろん、80x100は描画するには小さすぎます。 ただし、制限は、デモに常に存在する興味深いタスクの一部です。 モニターを4K解像度に保ちます-0.008メガピクセルで十分です！







写真：上記-較正済みNTSCディスプレイの結果。 以下は、RGBIへの出力を持つバリアントです。 Photoshopで手書きし、80x100形式に変換します。