Что такое битность и чем эпохи 8 бит, 16 бит, 32 бит запомнились в индустрии

Когда речь заходит об играх или приставках 1980–1990-х или о современных проектах в похожей стилистике, мы часто сталкиваемся с понятиями «8 бит», «16 бит», «32 бит»… Но новому поколению игроков часто сложно понять, что конкретно подразумевается под этими цифрами, как эти значения отражались на технической и визуальной составляющих игр для приставок ранних поколений и почему на них так часто ссылается история видеоигр.

Чтобы ответить на все эти вопросы, придётся разобрать значение термина, заглянуть в прошлое игровой индустрии и сравнить с настоящим.

Что такое бит?

Бит (в переводе с англ. binary digit — «двоичная цифра») — это минимальная единица информации, выраженная двоичным числом 0 или 1. В сфере информационных технологий и связи с помощью этих цифр можно задать одно из двух взаимоисключающих парных значений. Иными словами, числами 0 или 1 можно выразить такие состояния, как «ложь — истина», «чёрный — белый», «закрыть — открыть».

Двоичная система счисления считается простым и надёжным способом обработки информации, поэтому она до сих пор широко используется в различных устройствах, в том числе в центральных процессорах консолей и ПК. И независимо от того, какая игра запущена на системе — пасьянс «Косынка» или недавно вышедшая Starfield, — центральный процессор считывает инструкции и полученные данные из оперативной памяти и обрабатывает результат в виде множества комбинаций двоичных чисел.

Так как один бит имеет два состояния (1; 0), расчёт количества возможных значений для нескольких бит производится по формуле 2ⁿ, где n — битность. Получается, что в двух битах (2²) — четыре состояния (00; 01; 10; 11), а в четырёх (2⁴) — уже 16 (от 0000 до 1111). Чем больше бит, тем больше будет значений, которые в итоге достигают астрономических чисел:

В центральных процессорах за обработку информации отвечает сразу несколько элементов, и количество этой информации зависит от их разрядности (битности).

• Шина данных. Передаёт данные между компонентами компьютера, например между центральным процессором и оперативной памятью. За один такт передаётся определённое количество бит. Соответственно, битность шины данных отражает скорость передачи данных. Например, 8-битная шина данных передаст 16-битные данные за два такта, в то время как для 16-битной потребуется всего один. Из этого следует, что разрядность шины данных непосредственно влияет на производительность системы.

• Шина адреса. Проводник или группа проводников, предназначенная для передачи запрашиваемых центральным процессором адресных данных. Шина адреса не хранит информацию, а лишь находит определённое место в памяти, где данные могут быть сохранены или восстановлены. Битность адресной шины определяет адресуемый объём памяти. Например, 16-битная может адресовать до 64 КБ, а 32-битная — до 4 ГБ. Это не значит, что объём приложения не может быть выше заданного порога, просто центральный процессор имеет доступ к блоку памяти определённого размера, и время адресации увеличивается, если объём выше.

• Регистры. Ячейки внутри центрального процессора, которые обеспечивают сверхбыстрый доступ к хранящейся в них информации — данным, необходимым для работы процессора, операндам арифметических и логических выражений, промежуточным результатам вычислений.

Причина, по которой в индустрии стали акцентировать внимание на битности, заключалась в том, что видеочипы приставок и компьютеров прошлых поколений были сильно ограничены в оперативной памяти или вовсе отсутствовали, и производительность сильно зависела от процессора.

В истории есть примеры 1-битных и 2-битных микропроцессоров, но так как они предназначены только для базовых логических и арифметических операций, сделать видеоигру на их основе не получится. А вот уже на базе 4-битного микроконтроллера Sharp SM5 была создана Game & Watch (более известная нам по советской копии «Электроника ИМ-15»). Что касается самых ранних игровых устройств первого поколения — Pong, первой итерации Magnavox Odyssey и Phillips Odyssey, — то их архитектура построена не на процессоре, а на дискретных транзисторах, и понятие битности к ним применить нельзя.

8-битная эпоха

Во втором, а затем и в третьем поколении систем приставки и домашние ПК (например, Apple II и Commodore 64) уже работали на 8-битных процессорах. Восьми бит было достаточно для создания более сложных игр, а благодаря поддержке звуковых чипов игровой процесс сопровождался чиптюном. Но малый объём оперативной памяти накладывал жёсткие ограничения, особенно в отношении графики. Поэтому цветовая палитра в 8-битных системах сильно отличалась от привычной в нашем представлении 8-битной глубины цвета RGB в 256 цветов.

Основная задача, которая стояла перед программистами во времена 8-битных игр, — уместить в текущий объём программную часть и компьютерную графику с учётом сохранения данных на дисплее. И без ухищрений это было весьма непросто.

Приведём пример: если отталкиваться от стандартного для того времени разрешения 320×200 пикселей и отобразить на экране всего лишь 1-битный цвет, операция потребует 64 000 битов, или 8 КБ (320 × 200 = 64 000). 8-битные системы могли обработать такой объём графики при наличии оперативной памяти. Но для вычисления операций, то есть геймплея, ресурсов уже не останется.

О 4-битной цветовой палитре (16 цветов) или даже 8-битной (256 цветов) в таком случае не могло быть и речи: компьютеру потребовалось бы 32 КБ или 64 КБ оперативной памяти соответственно. Сейчас эти цифры кажутся незначительными, но для той эпохи это были колоссальные значения. В то время даже у самого мощного ПК Aamber Pegasus было всего 64 КБ оперативной памяти и только в более поздних итерациях.

Но инженеры нашли решение, как добавить больше цветов без затрат ресурсов оперативной памяти. Каждый производитель использовал собственный набор цветовых схем, который варьировался в зависимости от мощности железа. На графику также влияло и разрешение: чем больше в игре использовалось цветов, тем оно было меньше. Существует несколько техник, которые применяли разработчики при создании 8-битной графики.

• Метод цветовых ячеек (серии Commodore, TI-99, Sinclair ZX Spectrum, Nintendo Entertainment System).

Техника была широко распространена в играх ранних 1980-х. Для операции был задействован один дополнительный килобайт оперативной памяти (всего 9 КБ), а сам экран разделялся на ячейки размером 8×8 пикселей, которые также называли тайлами. Внутри каждой ячейки разработчик мог задать два цвета: для переднего плана и общего фона. Такой подход значительно экономил оперативную память, но вносил свои ограничения, так как в одной ячейке было доступно только два цвета. Таким образом можно было использовать до 16 разных цветов в восьми тайлах.

Подобное «раскрашивание» было очень кропотливым и требовало изобретательности, так как размещать цветные сегменты в определённых местах и создавать цельный рисунок было совсем не просто.

На помощь приходил мультицветный режим и аппаратные спрайты. Мультицветный режим был особенно распространён на Commodore 64. При нём разрешение сокращалось наполовину из-за двойного увеличения ширины пикселей, что позволяло использовать уже четыре цвета вместо двух, сохраняя прежний объём памяти. Мультицветный режим поддерживали многие 8-битные игры (тогда цветная картинка была важнее разрешения экрана).

Что касается аппаратных спрайтов — это пиксельные объекты, сгенерированные двоичной системой, которые перемещались независимо от фона. Их также использовали в качестве слоёв, чтобы создавать более сложные игровые сцены. Спрайты существовали практически во всех играх той эпохи, и их отображение во многом зависело от архитектуры системы. Например, Commodore 64 поддерживала только восемь спрайтов на одном экране, а NES — 64, но малого размера. Даже персонажи в Super Mario Bros., включая самого Марио, состоят из нескольких спрайтов, но благодаря мастерству художников все они выглядят цельными объектами.

• Артефактные цвета NTSC (Apple II, TRS-80 Color (Tandy Color Computer), некоторые модели IBM PC).

Один из самых сложных методов отображения цветов, который выдавал «зубчатую» картинку. Такую графику можно встретить в играх Apple II: при подключении цветного монитора информация о пикселях дублировалась, и в результате на экране появлялись определённые цвета. Система поддерживала режим с разрешением 280×192.

Пиксели со значением 1 отображались только белыми и не содержали информацию о цвете, а со значением 0 — чёрными. Для определения цвета каждых семи пикселей использовали семь бит. Восьмой определял цвет и не работал, если дисплей был монохромным.

При подключении цветного монитора цветопередача менялась. Когда на чётных битах (2; 4; 6) задавали единицу, пиксель становился фиолетовым, а на нечётных — зелёным.

• Процессорная графика (Apple II, Atari 2600, Sinclair ZX81).

Этот способ задействовал центральный процессор, и процедура вывода картинки на экран во многом зависела от того, какой был использован дисплей — монохромный или цветной. К процессорной графике можно отнести отображение цветов в приложениях Apple II, так как процессор распознавал тип монитора, после чего отображалось либо чёрно-белое, либо цветное изображение‎.

Один из методов процессорной графики заключался в том, что центральный процессор отправлял видеосигнал полинейно. Например, в Sinclair ZX81 отображалось всего 24 линии, а в Atari 2600 — 262, но из-за ограничений дисплея обычно использовали 192 линии, остальная область была чёрной.

Скорость полинейного вывода также зависела от специфики видеочипа, который отправлял на монитор сигналы в определённом порядке и в нужное время. В приставке Atari 2600 был специальный видеочип TIA (сокращение от Television Interface Adaptor), связанный с центральным процессором приставки. Специфика TIA заключалась в недостатке оперативной памяти, поэтому в играх Atari 2600 можно заметить чёрные линии на левой стороне экрана. Они возникали из-за того, что процессор не успевал одновременно обрабатывать код и графику.

С определённой сноровкой из пикселей, выстроенных в линию, можно было создать эффектную детальную картинку, но подобный подход к арту мог сильно грузить процессор, поэтому дизайн игр обычно был довольно минималистичным.

Выходит, что, несмотря на ряд ограничений, разработчики находили способы воплощать амбициозные идеи даже в 8-битную эпоху. Примечательно, что битность никого не волновала в то время. Люди просто играли и наслаждались геймплеем, не задумываясь о разрядности шин процессора. Но всё изменилось с появлением 16-битных систем.

16 бит и новые возможности

С 1987 года на рынке появились игровые приставки PC Engine (TurboGrafx-16), Super Nintendo Entertainment System / Famicom (SNES) и её основной конкурент Sega Genesis / Mega Drive. А чуть позже — первые устройства с поддержкой оптических дисков: Philips CD-i, Commodore CDTV, Genesis CDX и Neo Geo (последняя позиционировалась на рынке как 24-битная, но фактически работала на 16-/32-битном центральном процессоре Motorola 68 000 с 8-битным микропроцессором Z80). Рынок ПК также пополнился новыми итерациями IBM PC, Amiga от Commodore и Apple IIGS.

Чтобы подчеркнуть мощность новых устройств и донести эту ценность до потенциального покупателя, производители начали активно продвигать термин «16 бит», ссылаясь на то, что архитектура систем предыдущего поколения была 8-битной.

Новые процессоры действительно могли обработать больше данных, и разработчики игр уже позволяли себе больше импровизации в геймдизайне. Ниже приведён краткий список основных улучшений, которые появились в 16-битных системах.

• Многофункциональные контроллеры с поддержкой до восьми кнопок. Новая раскладка расширяла количество действий персонажей.

• Более сложные музыкальные композиции. На смену чиптюну пришёл трекер, и композиции писались с помощью секвенсоров.

• Расширенная цветовая палитра. Например, TurboGrafx-16 поддерживала 9-битную RGB палитру в 512 цветов с возможностью отображать одновременно 482 цвета на экране. SNES технически могла обрабатывать 32 768 различных цветов, но не одновременно, поэтому на практике цветовая палитра состояла из 256 элементов RGB в формате «5, 5, 5». Это значит, что каждая RGB-составляющая (красная, синяя, зелёная) представлена пятью битами; последний, шестнадцатый бит не используется. В Sega Genesis была 9-RGB палитра (512 цветов), а также поддержка субпалитр, в которых было 15 цветов и прозрачный. С помощью субпалитр дизайнер мог сделать различные среды, например водный уровень, более выразительными.

• Увеличилось количество слоёв для оформления дальнего плана в сценах. Например, SNES поддерживала до четырёх слоёв, но на практике в играх использовалось три или два. Для сравнения Sega Genesis поддерживала два слоя.

• Техника параллакса. Задний план мог совмещать несколько слоёв, которые состояли из отдельных сегментов, как и в 8-битной графике. Но теперь они могли перемещаться с разной скоростью, что добавляло интерактивности окружению.

• Спрайты по-прежнему состояли из отдельных частей, но стали больше. Размер спрайтов варьировался от привычных 8×8 до 64×64 пикселей, при этом они могли иметь не только квадратную, но и прямоугольную форму.

Отдельные системы оснащались дополнительными техническими функциями:

• Поддержка оптических дисков. Наличие CD-ROM позволяло расширить объём игр.
• Возможность интеграции полигональных моделей с плоским затенением.
• Имитация трёхмерного пространства, известная как режим 7.
• Вращение и масштабирование спрайтов.
• Наличие аудиопроцессоров, способных панорамировать звук и смешивать звуковые сигналы.

16-битные игры востребованы и сейчас, а многие игроки старше 30 лет до сих пор с ностальгией вспоминают время, проведённое за ними.

Переход к 3D-графике

С 1993 года началась эпоха игровых систем пятого поколения с 32-битными, а затем и 64-битными процессорами. Главными представителями масштабной консольной гонки середины 1990-х стали 3DO Interactive Multiplayer, Sega Saturn, Nintendo 64 (64-битная система) и, конечно же, PlayStation.

Теперь разработчики могли создавать ещё более амбициозные проекты для новых устройств, используя при этом 3D-графику. Ниже приведены основные технические характеристики 32-/64-битных систем, которые повлияли на ключевые особенности игр той эпохи.

• Появление аналоговых контроллеров с многофункциональными кнопками. Некоторые дизайнерские решения улавливаются и в современных геймпадах: аналоговые стики (Sega Saturn, PlayStation 2, N64) и триггеры (PlayStation).

• Переход от спрайтов к полноценному 3D. В первых играх, например Virtua Racing или Virtua Fighter от Sega AM2, ещё использовались 3D-модели с плоским затенением, но ближе к середине 1990-х в играх появились более детальные полигональные объекты с текстурами. Например, модель Лары Крофт в первой Tomb Raider состояла из 540 полигонов. Что касается текстур, их размер зависел от особенностей игрового движка, но в целом они варьировались в пределах от 64×64 до 256×256 пикселей.

В 1990-х игровая графика развивалась очень быстро, но в визуальном компоненте консольных игр присутствовал ряд технических ограничений из-за невозможности замены составляющих, если пользователь хотел улучшить систему. Например, в PS1 отсутствовало преобразование текстурных координат в соответствии с перспективой. В итоге текстуры часто искажались, что сильно заметно в гоночных играх. Ещё одна проблема, связанная с характерным дрожанием 3D-моделей, вызвана отсутствием субпиксельной точности при вычислении экранных координат треугольников.

• Первые шаги в сторону реалистичной графики. В 3D-сценах появились источники освещения, а также первые попытки улучшить качество картинки: затенение по Гуро, сглаживание и фильтрация текстур.

• Отказ от картриджей в пользу оптических дисков. Практически все системы поддерживали CD-ROM. За счёт этого в игру умещалось больше контента.

• Благодаря относительно большому объёму дискового пространства в игры чаще интегрировали FMV (Full Motion Video). Под этим термином подразумеваются заранее записанные видео со стартовой заставкой и анимациями, которые запускались в определённый момент повествования. Как правило, такой контент представлен в виде CG-анимации (Tomb Raider, Resident Evil, Final Fantasy 7, Silent Hill и так далее) или сцен с живыми съёмками (Phantasmagoria).

• Звук и музыка в играх достигли уровня СD-качества — 44.1 кГц / 16-бит. Но в некоторых случаях из-за консольных ограничений разработчики понижали качество звука в целях экономии памяти.

• Поддержка 24-битной палитры TrueColor с более чем 16 млн цветов. Хотя Nintendo 64 могла отображать одновременно только 32 768 цветов.

Из-за популяризации 3D-графики период 32/64 бит также называли эпохой 3D. Новый визуальный стиль не только создавал вау-эффект, но и сильно повлиял на геймдизайн в целом. Многие студии прикладывали максимум усилий, чтобы наделить новые миры особой глубиной и детализацией, насколько это было возможно в рамках тогдашних систем.

Поначалу разрабатывать игры с 3D-графикой было непросто, особенно если речь шла о переносе 2D-серий в 3D, поэтому индустрии потребовалось некоторое время, чтобы приспособиться к новой среде. Постоянное совершенствование технологий и инструментов привело к тому, что проекты с 3D-графикой стали быстро устаревать, особенно в глазах новых игроков. Тем не менее именно в эпоху 3D появились знаковые серии, названия которых до сих пор на слуху.

128 бит…?

В конце 1990-х — начале 2000-х на рынке появились консоли шестого поколения. Сначала состоялся релиз Dreamcast от Sega, а чуть позже — почти одновременный выход PlayStation 2 от Sony (2000), GameCube от Nintendo (2001) и Xbox от Microsoft (2001). Принимая во внимание рост битности процессоров с каждым новым поколением, закономерно предположить, что новые системы стали 128-битными, тем более подобные тезисы звучали в промокампаниях PlayStation 2 и Dreamcast. Но это далеко не так.

В первой главе мы упоминали, что один только 32-битный процессор способен обработать более 4 млрд состояний. Этого более чем достаточно для видеоигр, учитывая, что на тот момент у приставок уже были свои графические процессоры. Что касается ПК, то с середины 1990-х появились первые 3D-ускорители от 3dfx, которые значительно улучшили графику в играх. Таким образом нагрузка на центральный процессор снизилась. Для технологий больше не было преград, и теперь программная и визуальная составляющие зависели только от мастерства разработчиков.

Например, если вспомнить Nintendo 64, то 64-битные инструкции использовались на ней крайне редко, в основном для выполнения базовой математики с 64-разрядными числами; а непосредственно для геймплея было достаточно 32 бит. Создавать систему со 128-битной архитектурой, которая обрабатывала бы ещё большие числа, было бессмысленно. Всё это привело к тому, что понятие «битность» стало постепенно выходить из инфополя.

Но почему рекламные кампании некоторых консолей продолжали манипулировать цифрами? Это связано с тем, что производители годами внушали покупателям стереотип о том, что чем выше битность, тем мощнее система. И теперь, когда возможности фактически достигли потолка, они стали иначе мотивировать пользователей купить свой продукт: делать ставку на эксклюзивные игры или предоставлять уникальные онлайн-сервисы.

И всё же некоторые компании поначалу всё равно старались зацепить людей высокими цифрами. Отсюда и упоминания о 128-битности железа PlayStation 2, под которой на самом деле подразумевалась разрядность не процессора, а внутренней шины.

В современных компьютерах 64-битные процессоры используются лишь по той причине, что сейчас системы требуют более 4 ГБ оперативной памяти, при которой необходимо наличие 64-битной адресной шины. При этом в процессорах может быть множество 128-битных регистров, но их не используют для моментальной обработки значений, как это было в 8-/16-битных системах.

Битность в наши дни

Сейчас разработчики многих проектов, нацеленных на игроков старой школы или просто ценителей пиксель-арта, используют различные числовые значения битности в своих промоматериалах. Чаще всего цифры фигурируют в описаниях к инди-играм.

Например, если зайти на портал itch.io, можно найти целые подборки с тегами 8-bit, 16-bit и даже 1-bit, хотя мы уже знаем, что технически 1-битные игры не могли существовать. И в целом — все эти проекты сделаны с помощью актуальных технологий и работают только на современных системах. Зачем снова вспоминать о битности?

Чаще всего отсылка к ней в современных играх подразумевает одну или несколько составляющих, представленных ниже.

• Маркетинговый приём. Привлечение игроков, соскучившихся по играм детства, или тех, кто до сих пор предпочитает проводить время за приставками прошлых поколений, но порой ищет что-то новое с аналогичным стилем и геймдизайном уже на современных системах.

• Игра создана по стандартам игр определённого поколения. Например, если разработчик делает 8-битный платформер в духе NES, он старается имитировать дизайн, который поддерживала система конца 1980-х — начала 1990-х: фиксированное количество цветов, слоёв и спрайтов. А если речь идёт о приключенческой игре в духе первой Silent Hill, то, помимо low-poly-моделей и текстур в низком разрешении, обязательно добавляют фильтры постобработки, имитирующие дрожащую графику времён первой PlayStation.

• Упоминание о малой битности может служить не только отсылкой к ретро, но и указанием на её цветовую палитру. Например, игры с тегом 1-bit представлены в чёрно-белой стилистике, а 2-bit имеют два основных цвета и два оттенка.

• Подражание ретроиграм. В этом случае используется пиксельная графика, но без попыток имитировать технологии прошлых эпох. Художественный стиль подобных игр называют hi-bit.

Из этого следует, что битность в играх обрела совершенно новое значение, основная цель которого — подчеркнуть ретростиль продукта.

Итог

Битность — достаточно сложный для понимания термин, в том числе из-за того, что он имеет несколько значений.

В первую очередь, он обозначает технические характеристики составляющих процессора, на которых акцентировали внимание производители в рекламных кампаниях с целью привлечения продаж. Но в настоящие дни в рамках игровой индустрии определение битности в таком контексте исчезло из информационного поля. Фактически, мы до сих пор находимся в 64-битной эре, но мало кто об этом задумывается. Сейчас битность касается в первую очередь тех, кто интересуется компьютерным железом или оверклокингом.

Второе значение, связанное с графикой, на сегодняшний день более актуально. Теги «8 бит» и «16 бит» до сих пор служат своеобразным ориентиром для игроков старой школы, а в цифровом искусстве битность используется для определения цветовых палитр.

Существуют и другие значения, используемые вне игровой индустрии, но все они так или иначе связаны с передачей цифровой информации.