基于FreeType嵌入式矢量字體引擎的研究

王鳳

摘 要：快速發展的社會經濟與日益發達的科技水平，使得社會中的多個層面開始普遍運用嵌入式系統，且人們也將關注的重點放在了嵌入式系統中的高質量漢字字庫上。文章首先對FreeType字體引擎TrueType矢量字體的概念分別進行了闡述；其次，介紹了裁剪與優化的方法，以供參考。

關鍵詞：FreeType；矢量字體；嵌入式

與TrueType矢量字庫相比，由于嵌入式系統以陣點為主的字庫不能對字體隨意進行縮大和縮小，不能滿足分辨率較高的屏幕的要求，由于分辨率較高的屏幕顯示的數據量較大，所以顯示的速度非常慢。但是，如果在嵌入式系統中使用矢量字體就能夠將效果很好地呈現出來。在嵌入式系統中，為了達到渲染TrueType矢量字庫的目的，通常都會用到FreeType字體引擎，對于FreeType字體引擎只有很少的一部分嵌入式系統能夠直接支持，由于受應算能力和儲存空間的限制，有很大一部門嵌入式系統都不能直接使用FreeType字體引擎，甚至有些還需要在移植過程中進行剪裁和優化。

1 FreeType字體引擎TrueType矢量字體

1.1 FreeType字體引擎

作為一個字體引擎，FreeType的優勢眾多，其不僅質量較高，且不收取任何費用，也可進行移植，其能夠對包括TrueType、OpenType，WindowsFON/FNT，Type1，CFF，X11PCF和CID等在內的多種字體格式文件進行訪問，且用到的接口也是統一的。在單色位圖、反走樣位圖等渲染上FreeType給予了大力支持。作為一個高度模塊化的程序庫，FreeType庫的開發雖然受益于ANSIC，但在思想上卻是面向對象的，所以，用戶可以對它進行靈活的裁減。

1.2 TrueType矢量字體

作為一種新型的數字化矢量字體格式，TrueType字體格式由兩家公司聯合提出，即Microsoft公司與美國Apple公司[1]。幾何學中的B樣條曲線與直線通常用于描述字體的外形輪廓。正切連續性和一階連續性是二次B樣條曲線的特點，而精確表示出拋物線則是二次B樣條曲線的優勢所在。

大多數情況下，諸如TrueType字體描述信息、各種標記表格和指令集等均可在MAC與PC平臺中得到有效應用，而這些都是描述TrueType字體的文件。“Sfnt”資源是這些文件存放于MAC平臺的一種主要存放形式，而在Windows平臺中，其存放形式便發生了變化，即為TTF形式。一般，高位在前，低位在后的Motorola式數據結構用得最多，而這樣做的目的也是為了避免TrueType的跨平臺兼容性受到影響。GDI圖形設備接口中已經包含了Windows的TrueType解釋器，因此TrueType字體輸出能在所有的Windows支持的輸出設備上使用。

2 裁剪與優化

因為FreeType庫中的API均為封裝好的組件，所以若要看到其中的具體細節，就必須進入到源碼中。利用分析源碼，對刪減了一些沒有用的步驟和定義，對一些算法進行了適當的裁減和改進。

首先，在初始化FreeType庫的時候，要將一些復雜的對象刪除掉，如FT_Library和FT_Face等，因為FreeType了面對對象的思想編程，里面包含了多個字體驅動的抽象接口，并使用抽象類來對所有的字體驅動初始化過程進行統一。而在這里不需要對字體驅動進行判斷，只需要用到格式TrueType矢量字體。

在對TrueType字體進行初始化的過程中，首先要在各個表項中將TrueType字體載入進來，針對Library對象、face對象的創建與初始化以及判斷字體平臺驅動進行相應的簡化，使之以TrueType中各個重要表項載入的形式呈現出來，以同初始化字體的相關參數予以對應。相對簡單一點的是字體大小的設置部分，這一部分主要是按照制定的大小，將包括額定的高度、寬度、EM正方形的像素寬度、高度等在內的縮放的規模以及縮放后字體的規格參數確定下來，且這一部分也不會用到其他結構體，如face對象等。

FreeType中涉及的字體與字符輪廓種類較多，這里主要對TrueType字符輪廓的載入方法進行介紹。首先取得字符索引方法是運用了函數FT_Get_Char_Index，二分查找和有線性查找是查找的主要方法。有序數據中使用的是二分法查找字符索引，獲取glyf表中的圖元信息一般都是利用local表中偏移量和字符索引。在載入圖元信息時，圖元頭應該第一個載入，簡單圖元排在第二，最后再對圖元信息進行處理。如果點陣信息為最后輪換的圖元數據，則可將smooth渲染器作用利用起來。這一渲染器優勢較多，其既可生成256色位圖信息，也可呈現出漸變的字體邊緣。在渲染過程中，平移操作應先于其他步驟進行，使之與目標窗口的位置相差無幾，之后再對ControlBox的值進行計算，同時分解輪廓，填充光柵化。

2.1 讀取字庫

針對不相關的字體，將其driver初始化去除掉，改用另一種字體的driver初始化，即TrueType字體[2]。第一，將字庫文件打開，對初始化的信息進行讀取。在包含支撐字體輪廓的數據上，TrueType矢量字體一般都是采取的多個表的形式，所以字體引擎在字體渲染上，必須要將各個表的信息利用起來，之后再對表目錄進行讀取。每個表中均包含有一個tableentry結構項，而資源標記、校驗和、偏移量以及每個表的大小均被其囊括其中。因為TrueType中的每個表其保存的邏輯信息各不相同，其中就包括字符調整信息、字符到圖元的映射以及圖元中數據等，所以，一些表是不可或缺的，當然也要做出合理選擇，之后再讀取如maxp，hhea，head，cmap，hmtx，vhea，loca，vmtx等一系列得常用表信息。

2.2 設置字體大小

該部分主要是為了函數FT_Set_Pixel_Sizes的實現部分進行優化。原函數實現部分主要是在FT_Request_Size的幾個函數，通常字體縮放的各個參數均來源于事先設定好的字體高度與寬度，諸如除法函數FT_MulFix、FT_DivFix和取整函數FT_PIX_CEIL等這些數學中的知識用得比較多。

2.3 取得字符輪廓信息

第一步，獲得字符的字形索引，二分法查找cmap表中字形索引是函FT_Get_Char_Index（）中主要使用的方法，之后再結合偏移查找與字形索引找出字符所對應的圖元信息。glyf表在TrueType字體中居于核心位置，其也就是我們所謂的圖元數據。若無意外其最大表的地位不會被撼動。位置索引表是單獨存在的，并不存在依附情況，但圖元的序列卻全部在圖元數據表中；圖云頭結構是每個圖元的開始，當前圖元的輪廓線額數目保存于簡單圖元中，而一般要通過計算組成該合成圖元的所有圖元數據，方可將合成圖元的總共輪廓數得出來。針對簡單圖元，其圖元描述應在圖元頭結構之后進行。而要組成圖元描述則需要依靠所有輪廓線結束點的索引、圖元指令以及一系列的控制。每一個控制點均包括兩個坐標的標志，即x坐標與y坐標。控制所用到的信息與GDI函數、PolyDraw函數所要用的信息相比，兩者的概念并未有何不同，都代表的是坐標，而前者是一組標志，后者則是一組點。圖元中并未對輪廓線做強制要求，可以是一條，也可是多條。以圖1的漢字“宋”為例，其輪廓線有3條，而控制點則有多個。而TrueType字體中的圖元輪廓定義主要用到的便是二階Bezier曲線，其具體包括了曲線上的點、曲線外的點以及一個曲線上的點這3個點。對于多個連續的不在曲線上的點，并沒有做出不允許的要求。

2.4 輪換圖元數據為點陣信息

從字庫中對圖元信息進行提取是上一小節的主要內容，而本節的主要內容則是描述圖元信息的作圖與填充。直線與貝塞爾曲線是作圖的主要依據，而光柵填充排在第二。在填充字體后，可提取出字模，并按照2048X2048的格式進行縮小保存。FreeType帶了兩個渲染器，分別為raster和smooth，兩者支持的各不相同，前者主要針對向量輪廓到單色位圖的轉換，而后者則是由相同輪廓到高質量反走樣像素圖的轉換。通過smooth渲染器可直接生成span。若要使反走樣的位圖質量更高，那么smooth渲染器無疑是首選。首先，應分解輪廓。作為一系列封閉輪廓線的總和，輪廓主要存在于2D平面上，每一輪廓線均由兩部分組成，即一系列線段與Bezier弧。在分解輪廓點，使之以線段與弧的形式出現時，需對以下規定引起注意：兩個相鄰的“on”點代表的是一條線段，而conicBezier弧則由兩個on點之間的conicoff點來表示，off是控制點，on是起、止點；兩個on點之間的兩個相鄰cubicoff點代表的是一個cubicBezier弧，其必須由兩部分組成，即兩個on與兩個cubic控制點。最后，創建一個on點，其并非是真實的，且位置在兩個相鄰的conicoff點的正中間。為了對目標窗口的位置進行調整，就要在渲染成目標位圖之前，平移裝入或變換過的輪廓。

目前，無論是在日常生活中經常使用到的電子產品中，還是被用于工業自動化和監測的可編輯控制器中，甚至是娛樂設備的游戲機都屬于嵌入式系統。嵌入式系統運用越來越廣泛。

3 結語

本文對基于FreeType嵌入式矢量字體引擎進行了研究。通過對FreeType作為字體引擎的使用，將移植過程中的剪裁和優化步驟及方法進行了總結，以期在實際運用中取得良好的效果。