FC遊戲的偽多捲軸

01-28

各位讀者，大家好！

這次將要介紹的是FC（也就是大家熟悉的紅白機）上，關於遊戲畫面的一些小知識。

一如既往地啰嗦，請見諒。

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本文始於KONAMI 的《魂斗羅》（Contra）中角色為什麼要「蘿莉式屈腿俯卧」？ - 遊戲這個問題，一番熱烈討論之後，@勝勛發來一個擴展問題：

『三目童子』是如何做到場景雙捲軸的？

（三目童子的場景雙捲軸演示）

限於知乎私信系統限制，當時僅以簡短文字作答。對方身為開發者，自然立刻理解了答案。

不過呢，我認為這是一個非常有趣而高質量的提問，值得專門進行一番解說，供更多玩家閱讀。搜索了一下，並沒有人在知乎創建這個問題，我又不習慣自問自答，正好這個專欄已經快長草了，於是寫在這裡。

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首先，可能有些朋友無法理解這個問題本身在問什麼，這裡有必要說明一下：

FC的硬體設計是只支持單層捲軸背景的。

所謂「捲軸背景」是相對「固定背景」而言。早期的很多遊戲畫面場景是固定的（甚至乾脆全黑），玩家控制的角色只能在屏幕框內活動。

要表達超過一個屏幕的場景內容時，就用房間切換的概念，把地圖分割成一個個單屏幕區域，當角色走到屏幕邊緣時，場景會切換成下一個房間。這種做法本質上依然是靜態背景。

（其實我這兩個例子舉得不好，圖中的遊戲相對都比較晚了，只是大家相對熟悉這兩作，便於理解。70年代末80年代初的主流遊戲基本都是固定背景。）

捲軸遊戲則不同，它實現了背景的捲動效果，視覺上好像是鏡頭跟著角色移動一般。這種技術可以讓玩家感到自己的角色在更遼闊的場景中活動，而不是局限於一個個小房間。

上圖的『超級馬里奧兄弟』想必大家都玩過吧？回想一下這個遊戲是什麼樣子的？背景就像一幅長條形的畫，隨著玩家的操作，背景能夠平滑地向左捲動（會被玩家理解為鏡頭向右移動）。

那麼「單層背景」是什麼意思呢？

畫面一動起來，稍微留神就可以發覺，遊戲中的水管、樹叢、白雲等元素都是固定在背景上的——它們都屬於同一層「背景」；而玩家角色、敵方角色則是另一層上的「活動塊」。

這就是FC的機能限制（其中之一）所在。

我們可以用SFC上的『超級馬里奧世界』對比一下。SFC續作中，場景被分成了「近景」和「遠景」，即「近處」的地面、水管、磚塊等，和「遠處」的山脈、雲朵等。當鏡頭進行移動時，這兩層的捲動是分開的，遠景移動的速度比近景要慢。比起FC的前作，層次感明顯更加豐富。

「多層背景捲軸」的處理能夠讓遊戲畫面顯得更自然更真實。它模擬了人們的生活體驗：乘坐汽車、火車時，可以看到路邊的電線杆飛快掠過，但遠處的房子和山等景物「後退的速度」就顯得沒那麼快（因為遠方物體視角變化較小）。

這樣的效果是托SFC強大的機能所賜，除了發色數、活動塊數量等方面的進化以外，SFC提供了3層標準可捲動背景（Mode0最多4層，但圖像質量會顯著降低），而老前輩FC則只提供了1層。

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然而，TOMY的『三目童子』卻在FC上實現了這樣的效果。請格外注意青色磚塊和褐色石塊的相對位置：

（本文開始處有視頻鏈接）

磚塊居然錯開運行了！這意味著這個洞窟中的畫面是「兩層捲軸」。

記得么？前面說過，FC從硬體上就只支持一層捲軸。

……

這簡直是魔法般的效果。

怎麼實現的？

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錯誤答案1：活動塊

可能有人會想到，捲軸不夠那就用活動塊來偽造背景唄。

……但是很遺憾，FC的機能是不足以做到這一點的。

對於FC來講，即使只處理單層背景也要消耗2/3以上（256/341）的PPU計算資源，乃至於同一水平掃描行上只能夠渲染8個活動塊（參見NESDEV，或我的答案）。

當同一掃描行上活動塊數量多於8個時，多餘的會被直接放棄掉，只能顯示其中8個。例如上圖中，爆炸花光效果、小兵的腿都各自出現了一定殘缺。

如果遊戲設計時預計會出現這種需要大量橫向內容的場景，那麼程序員應當指定「輪換優先順序」的邏輯，讓它們在不同的幀輪流顯示。

人類的眼睛和大腦有視覺暫留效應，對於玩家來講，一定程度的閃爍是可以接受的，它會被玩家腦補成連續運動。如果不進行優先順序輪換處理，那麼內容過多時，很可能某些特定活動塊就會一直被放棄顯示，變為徹底隱形的——如果『魂斗羅』中敵人的子彈是隱形的，跑著跑著你就莫名其妙死了，你還會喜歡玩嗎？

同一水平線上活動塊數量越多，輪到每個塊顯示的間隔就越久，閃爍感就越強烈。所以魂斗羅趴下也不能太寬，要把腿勾起來才好。

所以，8個活動塊是什麼概念呢？

每個活動塊的寬度是8像素，把它們拼在一起也就只有64像素寬。

而三目童子的畫面上無論「近景」還是「遠景」，都是整塊的、大片的圖像，完全沒有閃爍，絕不是8個活動塊能覆蓋得了的。

在FC上，這一手並非完全無用，但僅限於細節處的修修補補，不可能全指望它。

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錯誤答案2：水平切割

另外一項技術被稱為Raster Scroll。它利用的是線掃描的時間差。

前面提供的關於FC PPU渲染原理的介紹中提到過：FC的圖像是按照水平掃描線逐行計算輸出的，如果在上一行的背景部分處理完畢後、下一行開始前，重寫背景的X坐標偏移量，就可以讓下一行的背景圖像水平錯開。

這個技術能夠在橫向運鏡時製造一定程度的層次感。

例如『忍者龍劍傳』的開場動畫中，這片草地就被分成了若干個層次，畫面越靠下（越接近鏡頭）的草，橫向移動就越快。

再例如『忍者龍劍傳2』的開場動畫，請注意城牆、山脈、烏雲之間的錯層水平移動（烏雲內部本身也被分了幾層）。

不光是開場動畫，實際遊戲中也有著大量利用水平切割製造層次感的場景，例如2-1的火車、『忍者龍劍傳3』中7-1的戰艦等。

當然，這個也不是忍龍系列的什麼專利，拿它舉例只是因為它畫面出了名的好。FC上利用水平切割來增強畫面層次感的動作遊戲非常多。

例如『熱血新紀錄』中的400米比賽，遠景的看台和近景的跑道的移動速度就有所不同。

類似的例子我還能舉出一大堆，這裡就不贅述了。

聰明的你可能會想到水平切割的技術局限。

這一招的本質是Y軸切割，不是Z軸疊放。換言之，水平切割技術只能做到把畫面切成若干個橫條，讓上下各橫條之間的水平運動速度分離。它能實現背景錯層運動，但無法實現前後遮蓋。

再回頭看看這個畫面，褐色石塊和青色磚塊有明顯的左右交接，鏡頭移動時，就會產生遮蓋效果——FC根本就不支持多層背景相互遮蓋。

所以我才說這是個有趣的問題。

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那麼，正確答案是什麼呢？

When you have eliminated the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.

——Sherlock Holmes

糊爾摩斯講過，用排除法推理嘛！把不可能的方向排掉，剩下的自然就是正確答案了~

現在複習一下前面的線索：

FC在渲染每一行的輸出畫面時，只能夠處理256像素寬的（平鋪）背景，外加8個8像素寬的活動塊。活動塊可以遮蓋背景，但超過8個的活動塊會被隱藏，只能閃爍輪流顯示。

三目童子的雙層背景很寬，而且沒有閃爍。因此不可能是用活動塊偽造出來的。
FC可以採用水平切割的花招，改變不同掃描行間的X偏移，將畫面切割成橫條，實現錯層運動。但是橫條之間必須是上下平鋪擺放的，不能疊放，也不能互相遮蓋。
三目童子的雙層背景有左右進出的遮蓋效果。因此不可能是用水平切割偽造出來的。
再重複一遍，FC的背景只能單層、平鋪。

這也不行，那也不行，剩下的只有一種可能了……

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不知道各位看沒看過這麼一個笑話：

一個茶館的常客去喝茶，看見鄰座新來了個外地人，聊了幾句就熟起來了。
過了倆禮拜，他隱約覺得那外地人拿的鼻煙壺有點不對勁，想來想去知道怎麼回事了——第一次見面的時候那鼻煙壺上刻了個月牙，今天居然變成滿月了。
這人沒提這茬，又悄悄觀察了幾天，發現這鼻煙壺上刻的月亮果然能跟著真月亮變。他興奮起來了，這特么是個寶貝啊！他跟外地人再聊起來的時候忍不住問：「你這鼻煙壺多少錢啊，賣給我吧？」
外地人說：「這是我自己用的啊。你買個新的多好乾嘛非要我這個。」
「我就喜歡你這個，五千怎麼樣？不，要不一萬吧？」

好說歹說一頓軟磨硬泡，買下來了。哥們高興地一溜小跑回家，關在屋裡研究了好幾天，結果發現那月亮卻死活沒再變了。
這人垂頭喪氣地回到茶館，找到那外地人：「這鼻煙壺怎麼在你手上的時候月亮能變，我買回來就變不了了？」
「哦，我這是一套的，家裡還有30個呢，你還買么？」

其實，就是這個意思。每樣畫一個，需要哪個拿哪個就好了。

正確答案：改貼圖

FC留給貼圖（Pattern Tables）的地址空間有8kB，兩個Pattern Table各4kB，通常一個供背景使用，另一個供活動塊使用，各包含256個8*8的2bit（4色）點陣圖。單個Pattern Table也可以直接表示為128*128的形式。

對於素材較為豐富的遊戲，在卡帶上可以通過MMC晶元來切換Pattern Table的內容。

對應前面三目童子那三張「遠景石塊不同覆蓋程度」的截圖，Pattern Table 0的狀態如下（注意F0到FF，也就是最下面一行圖塊）：

把FF這一塊放大10倍看看：

明白了吧？開發者預先繪製了n套背景，錯開一個像素就是一張新圖片。通過演算法切換調用，強行實現近景遠景「雙層捲軸」的視覺效果。

除了三目童子以外，據我所知『戰蛙』、『劍王』等遊戲也用了類似的手段。這招簡單粗暴，代價也是顯而易見的：對卡帶容量和性能的需求——換句話說就是製造成本。畢竟存儲額外圖像素材所需的ROM是要錢的，用來切換bank的MMC晶元也是要錢的。

1985年的超級馬里奧兄弟只有40kB，多數早期遊戲甚至比它還小。1987年隨著任天堂官方MMC1開始大量出現128kB的遊戲，到了1988年256kB才成為主流。上面提到的幾個用改貼圖實現偽多捲軸的遊戲，都是1990年以後的了（彼時MD、SFC都已經面世，玩家對遊戲畫面的追求也被提升了一截）。

即使有256kB容量，想利用換貼圖來實現多層捲軸也要小心些，Pattern要做得盡量重複、簡單，能少畫幾張是幾張。畢竟FC的硬實力就那樣，把有限的資源放在更多遊戲內容上才是王道。

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後記

其實水平切割也好、改貼圖也好，其早期應用都不在於偽多捲軸。

拿水平切割來說，你能想到超級馬里奧兄弟其實也在用嗎？

它是用來做屏幕頂端的計分板的——沒錯，上面那一排分數、時間什麼的都是背景的一部分，而不是活動塊（不然早就擺不下了，還記得8個活動塊的限制么）。如果你仔細觀察就會發現，計分板那一橫條是沒有其它遊戲內容的，只有純色背景。

對X偏移做了修正，計分板才能夠固定在屏幕頂端，而不會和雲彩什麼的一起滾到左邊去。

FC上很多遊戲的計分板、狀態欄什麼的都是這麼處理的。例如前面說過的忍龍，還有惡魔城什麼的，一眼就能看出來。

而改貼圖呢，主要是場景切換，以及一些附加的動態效果。

例如日版魂斗羅第一關，樹葉搖動的效果，就是通過VRC2晶元（*K社自家的MMC）實現的。（順帶一提，魂斗羅的命數顯示用的是活動塊而不是背景）

大概就是這樣。

感謝閱讀：）