基于Freetype的終端設(shè)備字體繪制方案的研究

葸鑫 胡彪 任繼翔

摘要：Freetype引擎是一個十分重要的字體繪制工具，被廣泛運(yùn)用于眾多有文字繪制需求的應(yīng)用場景中。在當(dāng)前的大量字體繪制解決方案中，首先將Freetype中的字體輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位圖，然后再進(jìn)行繪制。但這樣的方式使得在放大顯示等場景下字體存在邊緣模糊或出現(xiàn)鋸齒等問題?；诖?，本文提出了一種將VG技術(shù)與Freetype引擎相結(jié)合的字體渲染方案，以實(shí)現(xiàn)繪制的字體在放大、旋轉(zhuǎn)等操作時不失真且具有良好的矢量特性，從而達(dá)到更好的字體繪制效果。

關(guān)鍵字：Freetype； VG圖形；字體繪制；數(shù)據(jù)解析

一、引言

在技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各類顯示設(shè)備已經(jīng)深深融入了人們生活的方方面面，如電子手表、智能手環(huán)、洗衣機(jī)、冰箱、平板電腦觸摸屏和電子廣告牌等。它們在各自的應(yīng)用場景下為人們的日常生活提供了極大的便利，可視化的交互方式方便人們操作這些設(shè)備。這些設(shè)備上顯示的內(nèi)容主要有圖形和文字兩類，顯示屏上的文字指導(dǎo)人們?nèi)粘２僮鳎?/p>

終端設(shè)備上顯示的字體主要涉及兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其一是獲取待顯示字符的輪廓數(shù)據(jù)，其二是將輪廓數(shù)據(jù)渲染并繪制到顯示屏上。其中，字符輪廓數(shù)據(jù)的獲取可由Freetype字體渲染引擎完成；而輪廓數(shù)據(jù)的繪制和顯示可由OpenGL、OpenCV或OpenVG等開源圖形庫完成。

二、Freetype字體渲染引擎和VG技術(shù)

Freetype是一種開源的字體渲染引擎，最早于1996年由David Turner開發(fā)[1]，并以開源的形式面向全球。在計算機(jī)圖形學(xué)中，字體的渲染和繪制是一個非常重要但也十分復(fù)雜的領(lǐng)域。在實(shí)際社會生活中，需要準(zhǔn)確、高效地顯示字體的需求非常多，F(xiàn)reetype的出現(xiàn)為解決這個技術(shù)難題提供了強(qiáng)大而簡便的方法。它具有強(qiáng)大的字體解析能力和出色的字體渲染功能，在移動設(shè)備、應(yīng)用程序、各種操作系統(tǒng)和圖形項(xiàng)目中被廣泛和頻繁地使用[2]。Freetype的一個顯著優(yōu)勢是在主流操作系統(tǒng)（如Linux、Windows和Mac OS）中提供支持，并具有先進(jìn)的算法和技術(shù)。通過實(shí)現(xiàn)子像素和抗鋸齒等技術(shù)，字體圖像可以在不同的圖像尺寸和分辨率下保持清晰和平滑。Freetype的核心功能包括解析字體文件、繪制渲染字體輪廓等，并且支持多種字體，包括TrueType和OpenType。它可以解析和繪制不同的字體，并獲得相同的渲染效果，為應(yīng)用程序的開發(fā)和兼容性提供了極大的便利。

VG矢量圖是一種基于矢量描述的精確曲線和形狀的圖像表示方法，它使用數(shù)學(xué)公式來定義和繪制圖像[3]。由于VG圖形保存的是圖形的幾何形狀和曲線的信息，因此可以對圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放等操作，并具有文件大小、尺寸獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。VG技術(shù)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)可視化、計算機(jī)輔助設(shè)計和地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

三、基于VG技術(shù)的字體繪制方案

在現(xiàn)有的字體繪制方案中，通常使用Freetype將矢量的字體圖形轉(zhuǎn)換為位圖，再將位圖渲染至實(shí)現(xiàn)設(shè)備上。然而，位圖由像素陣列組成，每個像素點(diǎn)都帶有顏色信息來表示圖像。高分辨率的位圖能夠很好地展示圖像的細(xì)節(jié)，但它存在分辨率固定的缺點(diǎn)，同時圖像放大會引起邊緣失真和鋸齒效應(yīng)。

從技術(shù)角度而言，將矢量字體圖形轉(zhuǎn)換為位圖的過程會丟失其矢量特性。如果在屏幕上放大字體，圖像的清晰度就會降低。雖然在大多數(shù)應(yīng)用場景中，以較小的圖像大小來顯示字體時這種損失并不明顯。但實(shí)際上，F(xiàn)reetype獲得的字形輪廓數(shù)據(jù)本身就是矢量數(shù)據(jù)，這與VG技術(shù)擅長處理的數(shù)據(jù)類型非常匹配。通過VG技術(shù)，可以以矢量圖形的形式將字體數(shù)據(jù)繪制到屏幕上，有效地保留了矢量圖形的伸縮性，從而在顯示設(shè)備上呈現(xiàn)更好的字體顯示效果。因此，將VG技術(shù)和Freetype字體渲染引擎結(jié)合起來，以完成對字體的繪制和渲染，是一個理想的解決方案。

VG技術(shù)與Freetype相結(jié)合的終端設(shè)備字體繪制方案主要包含以下步驟：首先，在系統(tǒng)上安裝OpenVG和Freetype以獲取功能支持。由于這兩個工具都是開源技術(shù)，所以它們的下載和安裝非常簡單。在Windows系統(tǒng)下，只需下載相應(yīng)的庫文件和頭文件；而在Linux系統(tǒng)平臺上，需要下載源文件，并通過交叉編譯的方式編譯出適用于特定平臺的庫文件。

對于OpenVG工程，首先需要進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建OpenVG上下文（context），用于存儲VG的當(dāng)前狀態(tài)信息和圖像的繪制信息等。接下來，設(shè)置OpenVG相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，例如當(dāng)前畫布大小和顏色格式等初始化信息。然后在OpenVG工程中初始化Freetype引擎，這包括鏈接庫文件以及在代碼中引入Freetype的頭文件和庫文件：

#include

#include FT_FREETYPE_H

使得能夠在OpenVG工程中調(diào)用Freetype的接口函數(shù)。二是調(diào)用FreeType接口函數(shù)FT_Init_FreeType（）對Freetype引擎進(jìn)行初始化，并將字體文件的文件名和路徑作為輸入?yún)?shù)，使用FT_New_Face（）函數(shù)接口加載所需要使用的字體文件，并可使用FT_Set_Char_Size（）函數(shù)接口設(shè)置字體的大小。不同的字體文件都能夠提供不同的字體字形，F(xiàn)reetype涵蓋了大多數(shù)常用的字體格式，根據(jù)需要提前準(zhǔn)備好字體文件，其中最為常見的字體是TrueType文件（文件以.ttf為后綴），最初由微軟和蘋果公司共同開發(fā)，用于高質(zhì)量地渲染和顯示的文字，并能夠確?？缙脚_應(yīng)用的一致性。由于其具有可縮放性、良好的嵌入性和高效的性能，被廣泛地應(yīng)用于操作系統(tǒng)、桌面出版、網(wǎng)頁設(shè)計等領(lǐng)域[4]，并且有越來越多的開發(fā)者開發(fā)出了TrueType格式的精美字體，進(jìn)一步豐富和完善了TrueType庫。

最后是字體的繪制。使用OpenVG的接口函數(shù)創(chuàng)建圖像畫布，用于存儲待繪制字體的相關(guān)信息。針對每個待繪制的字體數(shù)據(jù)，使用接口函數(shù)FT_Load_Char（）從字體文件中加載對應(yīng)字形的數(shù)據(jù)，并在Freetype引擎中轉(zhuǎn)化為字體的輪廓數(shù)據(jù)后傳出。然后使用OpenVG的繪圖函數(shù)將圖像繪制于初始化后的圖像畫布上，最后使用顯示函數(shù)將圖像畫布上的字體圖形渲染至待顯示設(shè)備的待顯示區(qū)域中，從而完成了字體的整個流程。

OpenVG和Freetype都提供了十分豐富的繪圖函數(shù)，可根據(jù)實(shí)際的字體繪制需求進(jìn)行特異性的優(yōu)化和配置，充分合理地使用OpenVG的函數(shù)接口可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精美的字體渲染效果，如藝術(shù)字體，傾斜字體，字體鏡像反射效果等。將Freetype和VG技術(shù)相結(jié)合來繪制字體的方案的一大優(yōu)勢在于，該方案擁有良好的可擴(kuò)展性，例如，在復(fù)雜的繪制場景下，如果需要額外使用其他的圖形庫來輔助字體的繪制和渲染，可將OpenGL ES引入系統(tǒng)用于創(chuàng)建和管理OpenVG的上下文信息，以便于字體圖形的繪制和管理；如有 對圖像顯示有更高幀率的要求，可在方案中引入額外的顯示模塊，用于加速字體圖形到繪制屏幕的數(shù)據(jù)傳輸。

四、矢量圖繪制的關(guān)鍵技術(shù)

Freetype提供了字體的輪廓數(shù)據(jù)。在當(dāng)前的常規(guī)字體繪制解決方案中，通常使用Freetype引擎中的FT_Render_Glyph（）接口函數(shù)，將字體的輪廓轉(zhuǎn)換為位圖的形式后再進(jìn)行繪制渲染。這會使得在字體進(jìn)行放大操作后再繪制的場景下產(chǎn)生輪廓邊緣失真、清晰度降低等問題。在Freetype引擎中提供的原始輪廓數(shù)據(jù)是字形的若干個輪廓關(guān)鍵點(diǎn)，以及相鄰關(guān)鍵點(diǎn)間的連接方式等信息，這高度契合了VG技術(shù)輸入數(shù)據(jù)的形式。而VG技術(shù)能夠使得字形以矢量圖的形式進(jìn)行渲染和繪制，具有旋轉(zhuǎn)、縮放不變性，意味著圖像無論在屏幕多大的顯示場景中繪制，均能夠任意縮放和旋轉(zhuǎn)而不損失細(xì)節(jié)信息或產(chǎn)生鋸齒狀的邊緣，這在社會生產(chǎn)生活中有極其重要的價值。但在Freetype引擎中由接口函數(shù)FT_Load_Char（）獲取到的字形輪廓數(shù)據(jù)并不能作為VG技術(shù)的輸入數(shù)據(jù)直接傳輸，其原因在于OpenVG中存在一種專有的被稱為路徑（Path）的矢量格式。但Freetype輸出的輪廓數(shù)據(jù)是以字符串的形式給出，因而需要將Freetype的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

本文提出了一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。在OpenVG中，路徑（Path）數(shù)據(jù)是用于定義和描述矢量圖形的形狀，包括一系列命令和坐標(biāo)參數(shù)。OpenVG中常用的路徑數(shù)據(jù)格式有：

MoveTo：用于將當(dāng)前的繪制坐標(biāo)點(diǎn)移動至參數(shù)指向的特定坐標(biāo)點(diǎn)，如命令“M10 10”表示將當(dāng)前繪圖坐標(biāo)點(diǎn)移動到（10，10）處。

LineTo：用于將繪制一條直線連接當(dāng)前位置和目標(biāo)位置，如命令“L10 10”表示從當(dāng)前點(diǎn)繪制一條直線至（10，10）處。

CurveTo：用于繪制出一條貝塞爾曲線連接當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，如命令“C10 10”表示從當(dāng)前點(diǎn)繪制一條貝塞爾曲線至（10，10）處。

QuadTo：用于繪制一條二次貝塞爾曲線連接當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，如命令“Q10 10”表示從當(dāng)前點(diǎn)繪制一條二次貝塞爾曲線至（10，10）處。

在VG程序中，需要將繪圖指令和具體的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)絇ath結(jié)構(gòu)體中。然而，從Freetype引擎中獲取得到的字形輪廓為一段連續(xù)的字符串，例如字符“A”的輪廓數(shù)據(jù)為：“M 18 -45 L 27 -3 Q 27 1 31 1 L 31 3 L 19 1 Q 22 1 22 -1 Q 22 -2 22 -3 L 19 -15 L 7 -2 L 7 -1 Q 7 1 10 1 L 10 3 L 1 3 L 1 1 Q 4 1 5 -2 L 15 -44 L 18 -45 M10 -17 L 19 -17 L 15 -37 L 10 17”。因此，需要將這段字符串分別解析為控制指令和坐標(biāo)數(shù)據(jù)。以下闡述一種解析算法，在獲取字符輪廓數(shù)據(jù)的字符串后開始對字符串進(jìn)行解析，定義指針n指向字符的某一位置，定義指針p從字符串的首地址開始遍歷，并遵循以下遍歷規(guī)則：

（1）如果指針p當(dāng)前所指向的內(nèi)容為空，則指針p后移一位；

（2）如果指針p當(dāng)前所指向的內(nèi)容為“M”“C”“L”或“Q”等繪制指令，則記錄當(dāng)前指令，且指針p后移一位；

（3）如果指針p當(dāng)前所指向的內(nèi)容為字符“0”至字符“9”，便將指針n移動至當(dāng)前位置，指針p后移至所指向的內(nèi)容為空處，則指針p與指針n中間所指向的內(nèi)容即為一個坐標(biāo)數(shù)據(jù)。緊接著將字符串類型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)類型后進(jìn)行保存。

（4）指針p遍歷至輪廓數(shù)據(jù)字符串的末尾，算法結(jié)束。

其中字符串?dāng)?shù)據(jù)類型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的具體方法是將該數(shù)據(jù)保存為一個新的字符串，定義指針s從該字符串起始地址開始遍歷；將指針s所指向的第一個字符類型的數(shù)字與字符“0”做差，即將當(dāng)前字符的ASCII值與字符“0”的ASCII值的差，其結(jié)果為當(dāng)前字符所對應(yīng)的整數(shù)類型的數(shù)字；然后將指針s后移1位，按上述方法解析得到當(dāng)前位的整數(shù)類型的數(shù)字，并將上一個解析得到的數(shù)字乘10后加上當(dāng)前位數(shù)字，得到的結(jié)果記為A1；如果指針s指向的下一位置仍存在字符s1，則將A1乘10后加上s1所對應(yīng)的整數(shù)數(shù)字，得到的結(jié)果記為A2；按照上述方法繼續(xù)計算，直至指針s將字符串完全遍歷，最后得到結(jié)果An。由此便能夠?qū)⒆址愋偷臄?shù)字轉(zhuǎn)為對其對應(yīng)的十進(jìn)制的整數(shù)類型的數(shù)。

以字符“A”的輪廓數(shù)據(jù)解析為例，詳細(xì)闡述算法流程，將“A”的輪廓數(shù)據(jù)記為ch，指針n初始指向ch的首地址，指針p從ch的首地址開始遍歷。指針p指向的第一個字符為“M”，由于“M”是路徑Path的控制指令之一，則將其進(jìn)行存儲；緊接著指針p后移一位，所指向的內(nèi)容為空，則繼續(xù)后移一位；然后指針p所對應(yīng)的內(nèi)容為字符“1”，則開始坐標(biāo)點(diǎn)的解析，將指針n移動至當(dāng)前位置，指針p繼續(xù)后移至第一次所指向的內(nèi)容為空后停止，此時由指針p和指針n的地址做差可獲得第一個解析的數(shù)據(jù)為字符“18”；然后用字符“1”和字符“0”做差得到整數(shù)類型的數(shù)字1，用字符“8”和字符“0”做差得到整數(shù)類型的8，將數(shù)字1乘10后加上數(shù)字8便得到了整數(shù)類型的18，由此將字符“18”轉(zhuǎn)換為了整數(shù)18，并將其保存為第一個坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。指針s繼續(xù)遍歷獲得字符“-45”，按上述方法轉(zhuǎn)化為整數(shù)45并取負(fù)值后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，由此便完成了第一段指令“M 18 -45”的指令解析。依此規(guī)則，讓指針p遍歷完字符串后便能夠解析得到所有字符“A”的輪廓數(shù)據(jù)和繪制指令，有了矢量形式的輪廓數(shù)據(jù)便能夠用VG技術(shù)繪制出矢量字形。

漢字的繪制方法。對于待繪制字符的輪廓數(shù)據(jù)，可以用Freetype中的FT_Get_Char_Index（）獲取當(dāng)前字符的索引，再利用該索引通過函數(shù)接口FT_Load_Glyph（）獲取輪廓數(shù)據(jù)。對于常用的字符，如26個英文字符的大小寫、加號、減號等，它們的ASCII值和Unicode編碼是一致的，因此直接將這些字符作為傳入?yún)?shù)傳入接口函數(shù)FT_Get_Char_Index（）中就能獲取到它們索引值，進(jìn)而得到輪廓數(shù)據(jù)。但接口函數(shù)FT_Get_Char_Index（）的字形編碼輸入?yún)?shù)類型是Unicode編碼，而中文字符并不能直接獲取到其對應(yīng)的Unicode編碼，需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換。以下闡述一種漢字的Unicode編碼轉(zhuǎn)換方法：

（1）定義指針p指向漢字字符串的首地址，依次遍歷漢字字符串中的每個字符，直到遇到字符串的結(jié)束符。

（2）從第一個字符開始遍歷，首先獲取其字符編碼，并使用無符號字符ch表示。

（3）利用位運(yùn)算的方法確定當(dāng)前字符的Unicode編碼的類型，具體為根據(jù)其編碼的高四位確定其所占的字節(jié)數(shù)：若高四位中的最高位為1，則該字符為單字節(jié)字符；若高四位中的高兩位均為1，則該字符為雙字節(jié)字符；若高四位中的高三位均為1，則該字符為三字節(jié)字符。

（4）若當(dāng)前字符為單字節(jié)字符，則其編碼范圍在ASCII字符范圍內(nèi)，其ASCII值即為Unicode值；若該字符為雙字節(jié)字符，則需要將當(dāng)前字符的后五位先左移六位后，將結(jié)果以位運(yùn)算的方式與下一個字符進(jìn)行計算便能夠得到其Unicode值；若該字符為三字節(jié)字符，則需要將當(dāng)前字符編碼的后四位左移12位，并將下一字符的后六位左移六位，最后再與正序第二個字符的后六位的方式計算得到其Unicode值。

計算得到漢字字符的Unicode編碼后，傳入FT_Get_Char_Index（）接口函數(shù)中獲取到漢字的輪廓索引，再利用該索引通過函數(shù)FT_Load_Glyph（）便能夠得到其輪廓數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

針對日益增長的移動端設(shè)備的字體繪制需求，本文提出了一種將VG技術(shù)和Freetype引擎相結(jié)合的字體繪制方案。該方案旨在更加高效、高質(zhì)量地繪制字體圖像。同時，本文介紹了一種將Freetype引擎中輸入的字符串類型的字體輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VG技術(shù)所需的控制指令和坐標(biāo)點(diǎn)形式的輪廓數(shù)據(jù)的解析方法，以及一種漢字Unicode編碼的轉(zhuǎn)換方法。基于這些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了字體的矢量繪制和渲染。

作者單位：葸鑫 胡彪 任繼翔 成都大公博創(chuàng)信息技術(shù)有限公司

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