Tricksen bakom ett lyckat scenintro

Demoscenen har i många år producerat fantastiska multimedieupplevelser, och många av de duktigaste demoprogrammerarna arbetar på företag som Oculus Rift, Pixar och Dice. Elitidrottare använder höghöjdsträning och bromsande fallskärmar för att träna upp sin maximala förmåga, medan demoprogrammerare sätter upp regler för maximal kodstorlek för att utmana och trimma sina färdigheter till det yttersta.

Av Mikael Falkvidd

I den vanligaste introklassen måste hela introt rymmas i en fil på 4 096 byte. Det inkluderar kod, grafik och ljud. Målet med ett demo är att det ska vara bättre än vad folk trodde var möjligt.

Ett lyckat demo visar vad hårdvaran klarar, skaparnas artistiska förmåga (grafik, musik) och deras tekniska förmåga (duktiga programmerare). Målet är inte att tjäna pengar, även om det hänt när företag som Intel och Creative anlitat demoprogrammerare för att marknadsföra sina produkter.

Oldskool eller newskool

Scendemon delas ofta in i två grupper: oldskool och newskool. Oldskool-demon måste kunna köras på en av de klassiska spel/datorplattformarna. Amiga 500, Amiga 1200, C64 och Atari är vanligast, men det finns demoklasser för mindre enheter som Gameboy och till och med grafräknare från Texas Instruments. För oldskool-demon blir begränsningarna ganska naturliga: Demot måste få plats på det lagringsmedium som enheten använder, och det måste kunna köras i realtid med de beräknings- och minnesresurser som finns tillgängliga.

För newskool är det PC-plattformen som dominerar, även om det finns andra plattformar. Här är hårdvaran inte en lika krävande begränsning. En Amiga 500 med en processor på 7,14 megahertz och 512 kilobyte minne ger helt andra utmaningar än en Core i7-5820K på 3,3 gigahertz, som dessutom har ett modernt grafikkort med sex gigabyte minne.

Utmaningarna

Det finns dock en hel del likheter i vilka utmaningar en demoprogrammerare ställs inför. För att få plats inom 4 kB-gränsen går det inte att använda färdig grafik. Som en jämförelse kan nämnas att du på 4 kilobyte inte ens fått ner loggan för en av Sveriges större nyhetswebbplatser (4 864 byte när vi kollade). All grafik måste genereras av någon form av algoritm. Detsamma gäller musiken. En vanlig mp3-fil använder omkring 16 kilobyte per sekund, vilket innebär att inspelat ljud är uteslutet.

Inte nog med att grafik och ljud ska genereras, ett intro ska ha kod för att generera rörlig bild och lägga på specialeffekter, och det behövs kod för att spela upp ljudet. För att få plats med allt detta krävs en hel del tricks.

Komprimering

Vi börjar med ett mycket enkelt demo:

int main(int argc, char** argv){

        return 0;

}

Allt denna kod gör är att avsluta sig. Efter kompilering får vi en exe-fil som väger in på 57 754 byte. Inte bra, långt över vår gräns på 4 096 byte, och vi har inte ens lagt in någon riktig kod än. Den stora storleken beror delvis på att Windows exe-filformat kräver en viss struktur, och denna struktur tar mycket plats.

I en vanlig Windowsinstallation skickas det med verktyg för komprimering (make cab.exe) och avkomprimering (extrac32.exe). Vi kan därför använda dessa verktyg utan att skicka med dem inuti vårt intro.

Genom att komprimera exe-filen i cab-format och skapa en bat-fil, som ser ut så här, kan vi spara en del utrymme:

c:\windows\system32\extrac32.exe

demo.cab

demo.exe

del demo.exe

Bat-filens storlek räknas givetvis in i demot, men några byte kan sparas genom att byta namn på filerna:

c:\windows\system32\extrac32.exe .c

.x

del.x

Genom att utnyttja att filer inte behöver heta något före punkten och att del-kommandot inte behöver något mellanslag om filen saknar förled sparar vi 19 byte.

Det är även möjligt att placera cab-filen inuti bat-filen. Om kommandotolken hittar en byte med värdet 0x00 kommer den att pausa tolkningen av tecken tills den hittar en ny rad (0x0D följt av 0x0A). Därför kan vi lägga in ett 0x00-tecken i början av bat-filen, följt av innehållet i cab-filen. Därefter lägger vi in 0x0D+0x0A följt av extrac32-kommandot.

Lösningen kan ses som innovativ, och var ett av de vanligaste sätten att komprimera intro fram till 2005. En stor nackdel är att en fil måste skrivas till disk. Det är inte så snyggt, och demoprogrammerare strävar efter perfektion.

Crinkler

Sommaren 2005 släpptes Crinkler (www.crinkler.net), som utvecklas av Rune Stubbe (Mentor/TBC) och Aske Simon Christensen (Blueberry/Loonies). Målet med projektet är ”att vara den renaste, effektivaste och mest kompatibla komprimeraren för 4k-intron på Windows”. Programmet ersatte snabbt cab-komprimeringsmetoden. Crinkler har mer avancerade komprimeringsalgoritmer än vad extrac32 har stöd för och lyckas därför komprimera exe-filen bättre. Resultatet är en exe-fil som kan köras direkt, utan att spara en temporär fil på disk.

I en exe-fil finns obligatoriska fält som Windows aldrig läser. Detta utnyttjar Crinkler bland annat för att lagra sin avkomprimeringsalgoritm, vilket gör att algoritmen inte behöver ta upp extra plats.

För att uppnå sin höga effektivitet arbetar Crinkler som ett länkverktyg, vilket innebär att den läser in demots objektfiler istället för den färdiga exe-filen. Det går att använda Crinkler fristående, men programmet är konstruerat för att kunna ersätta länkprogrammet i Visual Studio för att det ska vara så enkelt som möjligt att använda programmet.

Onödiga bibliotek och felhantering

Med hjälp av Crinkler kommer du långt, men du kommer snart att upptäcka att det inte räcker. Standardbiblioteket i C innehåller funktioner som printf, malloc, sin och cos. Använder du dessa funktioner länkas de in i ditt program och tar upp plats. Genom att undvika att använda standardfunktionerna sparar du utrymme.

Vid vanlig applikationsutveckling är felhantering bra. Men för ett demo som inte behöver hantera användarinput eller främmande data och som är optimerat för att köras på en modern version av Windows är felhantering inte lika viktigt.

Det går dessutom att stänga av kontroll av stacken och undantagshantering. I ett exempel från Dave ”Polaris” Valentine och William ”s_tec” Swanson sparades 879 byte genom att undvika standardfunktioner och felhantering.

Gör koden komprimerbar med nollor

Det är vanligt att animationer, objekt och genererade ljud använder flyttalskonstanter. Kanske ska ditt objekt roteras 1,4 grader per bildruta. Talet 1,4 lagrat som flyttal blir 00111111 10110011 00110011 00110011 binärt och tar då upp 4 byte i din exe-fil. Det kanske inte gör något om animationen går något långsammare. Genom att rotera 1,375 grader istället lagras talet som 00111111 10110000 00000000 00000000. Med denna teknik kan komprimeringen ofta få ner storleken på flyttalen till mellan 1,8 och 2 byte per tal, en besparing på minst 50 procent. Det låter kanske onödigt, men varje byte räknas.

Assemblerfunktioner

Vissa funktioner tar mycket plats. Genom att implementera funktionerna för hand i assembler kan du spara plats. Eftersom du vet på förhand vilka data funktionen kommer att anropas med kan du ta genvägar och spara både utrymme och beräkningstid. Det finns även möjlighet att använda färdiga bibliotek med funktioner som redan är optimerade.

Generera musik och grafik

Eftersom det inte finns plats att lagra färdig grafik eller ljud, måste dessa genereras. Genereringen av grafik sker med matematiska funktioner. Fraktaler är vanliga, till exempel Mandelbrotsmängden.

För att generera musik används oftast en mjukvarusynt. Den mest populära synten för 4k-demon i Windows är 4klang, utvecklat av Dominik Ries (Gopher/Al catraz) och Paul Kraus (pOWL/Alcatraz). Programmet har ett grafiskt gränssnitt för att komponera musiken. Uppspelaren kan köras på Windows, Linux och OS X.

Inspireras av etablerade demoprogrammerare

Genom att studera andras demon kan du lära dig mycket. Du hittar massor av demon på http://www.pouet.net/prodlist.php där du kan ladda ner och köra dem på din egen dator. De flesta går dessutom att se direkt online via webbplatser som Youtube och demozoo.org.

Flera demogrupper har släppt källkoden till sina demon. Några har dessutom släppt hjälpbibliotek och verktyg för att göra effektiv och utrymmessparande kod.

Läs mer på http://www.displayhack.

Lär dig skriva ett eget demo

För dig som blivit sugen på att skriva ett eget demo finns det gott om resurser på nätet. Du är naturligtvis inte begränsad till Windows, utan kan välja din egen favoritplattform. Många av teknikerna är desamma oavsett plattform, men genom att utnyttja plattformens styrkor kan du nå ännu längre. Se faktarutan här intill för guider som kan hjälpa dig komma igång.

 

Webbresurser

DEMO 4k-intro för Linux med gott om dokumentation, https://github.com/lynxed/intrusion

Komponera ljudeffekter med 4klang, http://bit.ly/2jykz9a

Skriv demo i Javascript, http://bit.ly/2idN4Hc

Left 4k Dead – Ett Javabaserat spel på under 4 096 byte av  Markus Persson (Notch/Mojang) med all källkod. Sidan är tyvärr borttagen men kan nås via The Internet Archive, http://bit.ly/2j33LGr

Nybörjarguide för demoprogrammering i Windows, http://bit.ly/2jd37n0

Detaljerad guide för att skriva ett demo med rullande text, http://bit.ly/2idSDFH

 

Demopartyn under 2017

På demopartyn finns inte bara möjlighet att tävla med egna demon och se andras alster, du får även chans att prata med likasinnade. Se http://www.demoparty.net/2017/.