基于Qt的FreeType字体轮廓解析

一、本文目的

以前的文档中、详细的介绍了FreeType开源字体引擎库的基础知识、基本用法、但并未详细的阐明在TurboCG中、是如何解析出一个文字的轮廓的，本文集中阐述、怎么样使用FreeType开源字体引擎库、读取一个文字的轮廓、获取轮廓关键点（控制点）之后，解析这些关键点；并使用Qt作为辅助GUI接口、绘制出字体的轮廓。

本文虽然集中讲解文字轮廓处理、但为了完整性，也会介绍怎么初始化字体库等等，通过本文的学习、读者能够快速的了解到使用FreeType的步骤流程，并能够使用FreeType进行文字处理，本文包含了使用FreeType的所有基本API调用的全部内容，是一篇短小实用的指南。

二、FreeType库简介

（一）、FreeType架构结构简介

FT可以看作是一组组件，每个组件负责一部分任务，它们包括：
1、客户应用程序一般会调用FT高层API，它的功能都在一个组件中，叫做基础层。

2、根据上下文和环境，基础层会调用一个或多个模块进行工作，大多数情况下，客户应用程序不知道使用那个模块。
3、基础层还包含一组例程来进行一些共通处理，例如内存分配，列表处理、io流解析、固定点计算等等，这些函数可以被模块随意调用，它们形成了一个底层基础API。

（二）、FT中的面向对象

虽然FT是使用ANSI C编写，但是采用面向对象的思想，所以这个库非常容易扩展，因此，下面有一些代码规约。

1、每个对象类型/类都有一个对应的结构类型和一个对应的结构指针类型，后者称为类型或类的句柄类型
设想我们需要管理FT中一个foo类的对象，可以定义如下：

typedef struct FT_FooRec_* FT_Foo;
typedef struct FT_FooRec_
{
// fields for the foo class
…

}

FT_FooRec; 依照规约，句柄类型使用简单而有含义的标识符，并以FT_开始，如FT_Foo，而结构体使用相同的名称但是加上Rec后缀。Rec是记录的缩写。每个类类型都有对应的句柄类型

2、FT_Library类
这个类型对应一个库的单一实例句柄，没有定义相应的FT_LibraryRec，使客户应用无法访问它的内部属性。库对象是所有FT其他对象的父亲，你需要在做任何事情前创建一个新的库实例，销毁它时会自动销毁他所有的孩子，如face和module等。通常客户程序应该调用FT_Init_FreeType()来创建新的库对象，准备作其他操作时使用。另一个方式是通过调用函数FT_New_Library()来创建一个新的库对象，它在<freetype/ftmodule.h>中定义，这个函数返回一个空的库，没有任何模块注册，你可以通过调用FT_Add_Module()来安装模块。调用FT_Init_FreeType()更方便一些，因为他会缺省地注册一些模块。这个方式中，模块列表在构建时动态计算，并依赖ftinit部件的内容。（见ftinit.c[l73]行，include FT_CONFIG_MODULES_H，其实就是包含ftmodule.h，在ftmodule.h中定义缺省的模块，所以模块数组ft_default_modules的大小是在编译时动态确定的。）

3、FT_Face类
一个外观对象对应单个字体外观，即一个特定风格的特定外观类型，例如Arial和Arial Italic是两个不同的外观。一个外观对象通常使用FT_New_Face()来创建，这个函数接受如下参数：一个FT_Library句柄，一个表示字体文件的C文件路径名，一个决定从文件中装载外观的索引（一个文件中可能有不同的外观），和FT_Face句柄的地址，它返回一个错误码。
FT_Error FT_New_Face( FT_Library library,
const char* filepathname,
FT_Long face_index,
FT_Face* face);
函数调用成功，返回0，face参数将被设置成一个非NULL值。外观对象包含一些用来描述全局字体数据的属性，可以被客户程序直接访问。例如外观中字形的数量、外观家族的名称、风格名称、EM大小等，详见FT_FaceRec定义。

4、FT_Size类
每个FT_Face对象都有一个或多个FT_Size对象，一个尺寸对象用来存放指定字符宽度和高度的特定数据，每个新创建的外观对象有一个尺寸，可以通过face->size直接访问。尺寸对象的内容可以通过调用FT_Set_Pixel_Sizes()或FT_Set_Char_Size()来改变。一个新的尺寸对象可以通过FT_New_Size()创建，通过FT_Done_Size()销毁，一般客户程序无需做这一步，它们通常可以使用每个FT_Face缺省提供的尺寸对象。 FT_Size 公共属性定义在FT_SizeRec中，但是需要注意的是有些字体驱动定义它们自己的FT_Size的子类，以存储重要的内部数据，在每次字符大小改变时计算。大多数情况下，它们是尺寸特定的字体hint。例如，TrueType驱动存储CVT表，通过cvt程序执行将结果放入TT_Size结构体中，而 Type1驱动将scaled global metrics放在T1_Size对象中。

5、FT_GlyphSlot类
字形槽的目的是提供一个地方，可以很容易地一个个地装入字形映象，而不管它的格式（位图、向量轮廓或其他）。理想的，一旦一个字形槽创建了，任何字形映象可以装入，无需其他的内存分配。在实际中，只对于特定格式才如此，像TrueType，它显式地提供数据来计算一个槽地最大尺寸。
另一个字形槽的原因是用他来为指定字形保存格式特定的hint，以及其他为正确装入字形的必要数据。基本的FT_GlyphSlotRec结构体只向客户程序展现了字形metics和映象，而真正的实现回包含更多的数据。例如，TrueType特定的TT_GlyphSlotRec结构包含附加的属性，存放字形特定的字节码、在hint过程中暂时的轮廓和其他一些东西。最后，每个外观对象有一个单一字形槽，可以用face->glyph直接访问。

三、字体轮廓描述

（一）、轮廓曲线分解

一个轮廓是2D平面上一系列封闭的轮廓线。每个轮廓线由一系列线段和Bezier弧组成，根据文件格式不同，曲线可以是二次和三次多项式，前者叫quadratic或conic弧，它们在TrueType格式中用到，后者叫cubic弧，多数用于Type1格式。
每条弧由一系列起点、终点和控制点描述，轮廓的每个点有一个特定的标记，表示它用来描述一个线段还是一条弧。这个标记可以有以下值：

FT_Curve_Tag_On当点在曲线上，这对应线段和弧的起点和终点。其他标记叫做“Off”点，即它不在轮廓线上，但是作为Bezier弧的控制点。

FT_Curve_Tag_Conic一个Off点，控制一个conic Bezier弧
FT_Curve_Tag_Cubic 一个Off点，控制一个cubicBezier弧
下面的规则应用于将轮廓点分解成线段和弧
A 、两个相邻的“on”点表示一条线段；
B、一个conic Off点在两个on点之间表示一个conic Bezier弧，off点是控制点，on点是起点和终点；
C、两个相邻的cubic off点在两个on点之间表示一个cubic Bezier弧，它必须有两个cubic控制点和两个on点。
D、最后，两个相邻的conic off点强制、在它们正中间创建一个虚拟的on点。这大大方便定义连续的conic弧。

（二）、轮廓描述符
FT轮廓通过一个简单的结构描述

typedef struct FT_Outline_

{

short n_contours; 轮廓中轮廓线数

short n_points; 轮廓中的点数

FT_Vector* points; 点坐标数组

char* tags;

short* contours; 轮廓线端点索引数组

int flags; 点标记数组

} FT_Outline;

这里，points是一个FT_Vector记录数组的指针，用来存储每个轮廓点的向量坐标。它表示为一个象素1/64，也叫做26.6固定浮点格式。
contours是一组点索引，用来划定轮廓的轮廓线。例如，第一个轮廓线总是从0点开始，以contours[0]点结束。第二个轮廓线从contours[0]+1点开始，以contours[1]结束，等等。注意，每条轮廓线都是封闭的，n_points应该和contours[n_controus-1]+1相同。最后，tags是一组字节，用来存放每个轮廓的点标记。

四、使用FreeType库进行文字轮廓解析实例代码

（一）、FreeType字体库初始。

A、初始化库 FT_Library

FT_Library library

FT_Error error =FT_Init_FreeType( &library );

B、初始化 FT_Face face

FT_Error error = FT_New_Face( library, "C:\\Windows\\Fonts\\msuighur.ttf", 0,&face );

创建一个宋体的FT_FACE。

C、设置所要绘制的文字的大小。

设置字体大小，有两种方式，一种是设置尺寸，是用长度、作为度量单位的，另一种方式，是设置像素个数，字体的宽高、以像素来作为度量单位。

直接用用像素作为度量单位来设置字体大小：

FT_Set_Pixel_Sizes(face,560,560);

（二）、Qt绘制字体轮廓线。

通过上面的的设置、就可以使用FreeType来或者文字的轮廓了。获取英文字母“J”的轮廓字槽方法如下：

int charX= 'J';

intiGlyphIndex = FT_Get_Char_Index(face,charX);

FT_Int32 loadflags =FT_LOAD_DEFAULT|FT_LOAD_NO_BITMAP;

FT_Error error = FT_Load_Glyph(face,iGlyphIndex,loadflags);

FT_GlyphSlot pGlyphSlot = face->glyph;

FT_Outline* outline = &pGlyphSlot->outline;

至此、字的轮廓信息完全存储在outline中，下面的代码就是拿来解析，并渲染轮廓的。解析的原理，在上一章节中，已经有了具体的阐述、这里只是代码实现，因此，就不再介绍解析的原理了。

QPainter painter(this);

painter.translate(400, 400);

FT_Vector* point;

FT_Vector* limit;

char* tags;

FT_Vector v_last;

FT_Vector v_control;

FT_Vector v_start;

int first= 0;

for(int n = 0; n < outline->n_contours; n++)

{

int last =outline->contours[n];

limit= outline->points + last;

v_start= outline->points[first];

v_last = outline->points[last];

v_control= v_start;

point= outline->points + first;

tags = outline->tags + first;

char tag =FT_CURVE_TAG(tags[0]);

float fpriX = int26p6_to_float(v_control.x);

float fpriY = -int26p6_to_float(v_control.y);

float startX = fpriX;

float startY = fpriY;

while(point < limit)

{

point++;

tags++;

tag = FT_CURVE_TAG(tags[0]);

switch(tag)

{

caseFT_CURVE_TAG_ON:

{

float fEndX = int26p6_to_float(point->x);

float fEndY = -int26p6_to_float(point->y);

QPen pen(RandColor());

painter.setPen(pen);

painter.drawLine(startX,startY,fEndX,fEndY);

startX= fEndX;

startY= fEndY;

}

break;

case FT_CURVE_TAG_CONIC: //二次Bezier曲线

{

v_control.x= point->x;

v_control.y= point->y;

Do_Conic:

if(point < limit)

{

FT_Vectorvec;

FT_Vectorv_middle;

point++;

tags++;

tag= FT_CURVE_TAG(tags[0]);

vec.x= point->x;

vec.y= point->y;

if(tag == FT_CURVE_TAG_ON)

{

float x1 = int26p6_to_float(v_control.x);

float y1 = -int26p6_to_float(v_control.y);

float x2 = int26p6_to_float(vec.x);

float y2 = -int26p6_to_float(vec.y);

QPen pen(RandColor());

painter.setPen(pen);

QPainterPathpath;

path.moveTo(startX,startY);

path.quadTo(x1,y1,x2,y2);

painter.drawPath(path);

startX= x2;

startY= y2;

continue;

}

if(tag != FT_CURVE_TAG_CONIC)

{

return;

}

v_middle.x= (v_control.x + vec.x) / 2;

v_middle.y= (v_control.y + vec.y) / 2;

float x1 = int26p6_to_float(v_control.x);

float y1 = -int26p6_to_float(v_control.y);

float x2 = int26p6_to_float(v_middle.x);

float y2 = -int26p6_to_float(v_middle.y);

QPenpen(RandColor());

painter.setPen(pen);

QPainterPathpath;

path.moveTo(startX,startY);

path.quadTo(x1,y1,x2,y2);

painter.drawPath(path);

startX= x2;

startY= y2;

v_control= vec;

goto Do_Conic;

}

float x1 = int26p6_to_float(v_control.x);

float y1 = -int26p6_to_float(v_control.y);

float x2 = int26p6_to_float(v_start.x);

float y2 = -int26p6_to_float(v_start.y);

QPenpen(RandColor());

painter.setPen(pen);

QPainterPathpath;

path.moveTo(startX,startY);

path.quadTo(x1,y1,x2,y2);

painter.drawPath(path);

startX= x2;

startY= y2;

goto Close;

}

break;

default: // FT_CURVE_TAG_CUBIC 三次Bezier曲线

{

FT_Vectorvec1, vec2;

if(point + 1 > limit ||FT_CURVE_TAG(tags[1]) != FT_CURVE_TAG_CUBIC)

{

return;

}

vec1.x= point[0].x;

vec1.y= point[0].y;

vec2.x= point[1].x;

vec2.y= point[1].y;

point+= 2;

tags += 2;

if(point <= limit)

{

FT_Vectorvec;

vec.x= point->x;

vec.y= point->y;

float x1 = int26p6_to_float(vec1.x);

float y1 = -int26p6_to_float(vec1.y);

float x2 = int26p6_to_float(vec2.x);

float y2 = -int26p6_to_float(vec2.y);

float x3 = int26p6_to_float(vec.x);

float y3 = -int26p6_to_float(vec.y);

QPenpen(RandColor());

painter.setPen(pen);

QPainterPathpath;

path.moveTo(startX,startY);

path.cubicTo(x1,y1,x2,y2,x3,y3);

painter.drawPath(path);

startX= x3;

startY= y3;

continue;

}

float x1 = int26p6_to_float(vec1.x);

float y1 = -int26p6_to_float(vec1.y);

float x2 = int26p6_to_float(vec2.x);

float y2 = -int26p6_to_float(vec2.y);

float x3 = int26p6_to_float(v_start.x);

float y3 = -int26p6_to_float(v_start.y);

QPenpen(QColor(255,0,0));

painter.setPen(pen);

QPainterPathpath;

path.moveTo(startX,startY);

path.cubicTo(x1,y1,x2,y2,x3,y3);

painter.drawPath(path);

startX= x3;

startY= y3;

goto Close;

}

Close:

QPenpen(QColor(255,0,0));

painter.setPen(pen);

painter.drawLine(startX,startY,fpriX,fpriY);

first= last + 1;

}

上面的解析代码中。并没有自己去计算二、三次Bezier曲线、而是使用了Qt库中，绘制Bezier曲线的方法。具体代码是： QPainterPath path;

path.moveTo(startX,startY);

path.cubicTo(x1,y1,x2,y2,x3,y3);

painter.drawPath(path);为了显示轮廓线的具体细节、也就是每个轮廓线的，一条条的曲线、在绘制的时候、每段小曲线段、使用了不同的颜色，这样就可以很清楚的看出一条条的Bezier曲线，或者直线段，同时也绘制了一张单一颜色的图像、两张图像如下。