FreeType设计与使用.docx
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FreeType设计与使用
《ThedesignofFreeType2》中译版
介绍
这份文档提供了FreeType2函数库设计与实现的细节。
本文档的目标是让开发人员更好的理解FreeType2是如何组织的，并让他们扩充、定制和调试它。
首先，我们先了解这个库的目的，也就是说，为什么会写这个库：
*它让客户应用程序方便的访问字体文件，无论字体文件存储在哪里，并且与字体格式无关。
*方便的提取全局字体数据，这些数据在平常的字体格式中普遍存在。
（例如：
全局度量标准，字符编码/字符映射表，等等）
*方便的提取某个字符的字形数据（度量标准，图像，名字，其他任何东西）
*访问字体格式特定的功能（例如，SFNT表，多重控制，OpenType轮廓表）
Freetype2的设计也受如下要求很大的影响：
*高可移植性。
这个库必须可以运行在任何环境中。
这个要求引入了一些非常激烈的选择，这些是FreeType2的低级系统界面的一部分。
*可扩展性。
新特性应该可以在极少改动库基础代码的前提下添加。
这个要求引入了非常简单的设计：
几乎所有操作都是以模块的形式提供的。
*可定制。
它应该能够很容易建立一个只包含某个特定项目所需的特性的版本。
当你需要集成它到一个嵌入式图形库的字体服务器中时，这是非常重要的。
*简洁高效。
这个库的主要目标是只有很少cpu和内存资源的嵌入式系统。
这份文档的其他部分分为几个部分。
首先，一些章节介绍了库的基本设计以及Freetype2内部对象/数据的管理。
接下来的章节专注于库的定制和与这个话题相关的系统特定的界面，如何写你自己的模块和如何按需裁减库初始化和编译。
一、组件和API
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
*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。
*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。
*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。
如下图，表明它们的关系：
另外，
*为了一些特殊的构建，基础层的有些部分可以替换掉，也可以看作组件。
例如ftsystem组件，负责实现内存管理和输入流访问，还有ftinit，负责库初始化。
*FT还有一些可选的组件，可以根据客户端应用灵活使用，例如ftglyph组件提供一个简单的API来管理字形映象，而不依赖它们内部表示法。
或者是访问特定格式的特性，例如ftmm组件用来访问和管理Type1字体中MultipleMasters数据。
*最后，一个模块可以调用其他模块提供的函数，这对在多个字体驱动模块中共享代码和表非常有用，例如truetype和cff模块都使用sfnt模块提供的函数。
见下图，是对上图的一个细化。
请注意一些要点：
*一个可选的组件可以用在高层API，也可以用在底层API，例如上面的ftglyph；
*有些可选组件使用模块特定的接口，而不是基础层的接口，上例中，ftmm直接访问Type1模块来访问数据；
*一个可替代的组件能够提供一个高层API的函数，例如，ftinit提供FT_Init_FreeType（）
二、公共对象和类
1、FT中的面向对象
虽然FT是使用ANSIC编写，但是采用面向对象的思想，是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/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
typedefstructFT_FooRec_*FT_Foo;
typedefstructFT_FooRec_
{
//fieldsforthefooclass
…
}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.类继承通过将基类包装到一个新类中实现，例如，我们定义一个foobar类，从foo类继承，可以实现为
typedefstructFT_FooBarRec_*FT_FooBar;
typedefstructFT_FooBarRec_
{
FT_FooRecroot;//基类
}FT_FooBarRec;
可以看到，将一个FT_FooRec放在FT_FooBarRec定义的开始，并约定名为root，可以确保一个foobar对象也是一个foo对象。
在实际使用中，可以进行类型转换。
后面
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，includeFT_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ArialItalic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_ErrorFT_New_Face（FT_Librarylibrary,
constchar*filepathname,
FT_Longface_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scaledglobalmetrics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。
另一个字形槽地原因是他用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。
6、FT_CharMap类
FT_CharMap类型用来作为一个字符地图对象的句柄，一个字符图是一种表或字典，用来将字符码从某种编码转换成字体的字形索引。
单个外观可能包含若干字符图，每个对应一个指定的字符指令系统，例如Unicode、AppleRoman、Windowscodepages等等。
每个FT_CharMap对象包含一个platform和encoding属性，用来标识它对应的字符指令系统。
每个字体格式都提供它们自己的FT_CharMapRec的继承类型并实现它们。
7、对象关系
下图正好概述了我们之前所说的关于库里的公共类托管，除此之外还明确描述了它们之前的关系。
三、内部对象和类
1、内存管理
所有内存管理操作通过基础层中3个特定例程完成，叫做FT_Alloc、FT_Realloc、FT_Free，每个函数需要一个FT_Memory句柄作为它的第一个参数。
它是一个用来描述当前内存池/管理器对象的指针。
在库初始化时，在FT_Init_FreeType中调用函数FT_New_Memory创建一个内存管理器，这个函数位于ftsystem部件当中。
缺省情况下，这个管理器使用ANSImalloc、realloc和free函数，不过ftsystem是基础层中一个可替换的部分，库的特定构建可以提供不同的内存管理器。
即使使用缺省的版本，客户程序仍然可以提供自己的内存管理器，通过如下的步骤，调用FT_Init_FreeType实现：
1.手工创建一个FT_Memory对象，FT_MemoryRec位于公共文件中。
2.使用你自己的内存管理器，调用FT_New_Library（）创建一个新的库实例。
新的库没有包含任何已注册的模块。
3.通过调用函数FT_Add_Default_Modules（）（在ftinit部件中）注册缺省的模块，或者通过反复调用FT_Add_Module手工注册你的驱动。
2、输入流
字体文件总是通过FT_Stream对象读取，FT_StreamRec的定义位于公共文件中，可以允许客户开发者提供自己的流实现。
FT_New_Face（）函数会自动根据他第二个参数，一个C路径名创建一个新的流对象。
它通过调用由ftsystem部件提供的FT_New_Stream（）完成，后者时可替换的，在不同平台上，流的实现可能大不一样。
举例来说，流的缺省实现位于文件src/base/ftsystem.c并使用ANSIfopen/fseek和fread函数。
不过在FT2的Unix版本中，提供了另一个使用内存映射文件的实现，对于主机系统来说，可以大大提高速度。
FT区分基于内存和基于磁盘的流，对于前者，所有数据在内存直接访问（例如ROM、只写静态数据和内存映射文件），而后者，使用帧（frame）的概念从字体文件中读出一部分，使用典型的seek/read操作并暂时缓冲。
FT_New_Memory_Face函数可以用来直接从内存中可读取的数据创建/打开一个FT_Face对象。
最后，如果需要客户输入流，客户程序能够使用FT_Open_Face（）函数接受客户输入流。
这在压缩或远程字体文件的情况下，以及从特定文档抽取嵌入式字体文件非常有用。
注意每个外观拥有一个流，并且通过FT_Done_Face被销毁。
总的来说，保持多个FT_Face在打开状态不是一个很好的主意。
3、模块
FT2模块本身是一段代码，库调用FT_Add_Moudle（）函数注册模块，并为每个模块创建了一个FT_Module对象。
FT_ModuleRec的定义对客户程序不是公开的，但是每个模块类型通过一个简单的公共结构FT_Module_Class描述，它定义在中，后面将详述。
当调用FT_Add_Module是，需要指定一个FT_Module_Class结构的指针，它的声明如下：
FT_ErrorFT_Add_Module（FT_Librarylibrary,
constFT_Module_Class*clazz）;
调用这个函数将作如下操作：
*检查库中是否已经有对应FT_Module_Class指名的模块对象；
*如果是，比较模块的版本号看是否可以升级，如果模块类的版本号小于已装入的模块，函数立即返回。
当然，还要检查正在运行的FT版本是否满足待装模块所需FT的版本。
*创建一个新的FT_Module对象，使用模块类的数据的标志决定它的大小和如何初始化；
*如果在模块类中有一个模块初始器，它将被调用完成模块对象的初始化；
*新的模块加入到库的“已注册”模块列表中，对升级的情况，先前的模块对象只要简单的销毁。
注意这个函数并不返回FT_Module句柄，它完全是库内部的事情，客户程序不应该摆弄他。
最后，要知道FT2识别和管理若干种模块，这在后面将有详述，这里列举如下：
*渲染器模块用来将原始字形映象转换成位图或象素图。
FT2自带两个渲染器，一个是生成单色位图，另一个生成高质量反走样的象素图。
*字体驱动模块用来支持多种字体格式，典型的字体驱动需要提供特定的FT_Face、FT_Size、FT_GlyphSlot和FT_CharMap的实现；
*助手模块被多个字体驱动共享，例如sfnt模块分析和管理基于SFNT字体格式的表，用于TrueType和OpenType字体驱动；
*最后，auto-hinter模块在库设计中有特殊位置，它不管原始字体格式，处理向量字形轮廓，使之产生优质效果。
注意每个FT_Face对象依据原始字体文件格式，都属于相应的字体驱动。
这就是说，当一个模块从一个库实例移除/取消注册后，所有的外观对象都被销毁（通常是调用FT_Remove_Module（）函数）。
因此，你要注意当你升级或移除一个模块时，没有打开FT_Face对象，因为这会导致不预期的对象删除。
4、库
现在来说说FT_Library对象，如上所述，一个库实例至少包含如下：
*一个内存管理对象（FT_Memory），用来在实例中分配、释放内存；
*一个FT_Module对象列表，对应“已安装”或“已注册”的模块，它可以随时通过FT_Add_Module（）和FT_Remove_Module（）管理；
*记住外观对象属于字体驱动，字体驱动模块属于库。
还有一个对象属于库实例，但仍未提到：
rasterpool
光栅池是一个固定大小的一块内存，为一些内存需要大的操作作为内部的“草稿区域”，避免内存分配。
例如，它用在每个渲染器转换一个向量字形轮廓到一个位图时（这其实就是它为何叫光栅池的原因）。
光栅池的大小在初始化的时候定下来的（缺省为16k字节），运行期不能修改。
当一个瞬时操作需要的内存超出这个池的大小，可以另外分配一块作为例外条件，或者是递归细分任务，以确保不会超出池的极限。
这种极度的内存保守行为是为了FT的性能考虑，特别在某些地方，如字形渲染、扫描线转换等。
5、总结
最后，下图展示的上面所述内容，他表示FT基本设计的对象图
四、模块类
在FT中有若干种模块
*渲染模块，用来管理可缩放的字形映象。
这意味这转换它们、计算边框、并将它们转换成单色和反走样位图。
FT可以处理任何类型的字形映像，只要为它提供了一个渲染模块，FT缺省带了两个渲染器
raster支持从向量轮廓（由FT_Outline对象描述）到单色位图的转换
smooth支持同样的轮廓转换到高质量反走样的象素图，使用256级灰度。
这个渲染器也支持直接生成span。
*字体驱动模块，用来支持一种或多种特定字体格式，缺省情况下，FT由下列字体驱动
truetype支持TrueType字体文件
type1支持PostScriptType1字体，可以是二进制（.pfb）和ASCII（.pfa）格式，包括MultipleMaster字体
cid支持PostscriptCID-keyed字体
cff支持OpenType、CFF和CEF字体（CEF是CFF的一个变种，在Adobe的SVGViewer中使用
winfonts支持Windows位图字体，.fon和.fnt
字体驱动可以支持位图和可缩放的字形映象，一个特定支持Bezier轮廓的字体驱动通过FT_Outline可以提供他自己的hinter，或依赖FT的autohinter模块。
*助手模块，用来处理一些共享代码，通常被多个字体驱动，甚至是其他模块使用，缺省的助手如下
sfnt用来支持基于SFNT存储纲要的字体格式，TrueType和OpenType字体和其他变种
psnames用来提供有关字形名称排序和Postscript编码/字符集的函数。
例如他可以从一个Type1字形名称字典中自动合成一个Unicode字符图。
psaux用来提供有关Type1字符解码的函数，type1、cid和cff都需要这个特性
*最后，autohinter模块在FT中是特殊角色，当一个字体驱动没有提供自己的hint引擎时，他可以在字形装载时处理各自的字形轮廓。
我们现在来学习模块是如何描述以及如何被FreeType2库管理的。
1FT_Module_Class结构
2FT_Module类型
FreeType字形约定
一、基本印刷概念
1、字体文件、格式和信息
字体是一组可以被显示和打印的多样的字符映像，在单个字体中共享一些共有的特性，包括外表、风格、衬线等。
按印刷领域的说法，它必须区别一个字体家族和多种字体外观，后者通常是从同样的模板而来，但是风格不同。
例如，PalatinoRegular和PalatinoItalic是两种不同的外观，但是属于同样的家族Palatino。
单个字体术语根据上下文既可以指家族也可指外观。
例如，大多文字处理器的用户用字体指不同的字体家族，然而，大多这些家族根据它们的格式会通过多个数据文件实现。
对于TrueType来讲，通常是每个外观一个文件（arial.ttf对应ArialRegular外观，ariali.ttf对应ArialItalic外观）这个文件也叫字体，但是实际上只是一个字体外观。
数字字体是一个可以包含一个和多个字体外观的数据文件，它们每个都包含字符映像、字符度量，以及其他各种有关文本布局和特定字符编码的重要信息。
对有些难用的格式，像Adobe的Type1，一个字体外观由几个文件描述（一个包含字符映象，一个包含字符度量等）。
在这里我们忽略这种情况，只考虑一个外观一个文件的情况，不过在FT2.0中，能够处理多文件字体。
为了方便说明，一个包含多个外观的字体文件我们叫做字体集合，这种情况不多见，但是多数亚洲字体都是如此，它们会包含两种或多种表现形式的映像，例如横向和纵向布局。
2、字符映象和图
字符映象叫做字形，根据书写、用法和上下文，单个字符能够有多个不同的映象，即多个字形。
多个字符也可以有一个字形（例如Roman？
？
）。
字符和字形之间的关系可能是非常复杂，本文不多述。
而且，多数字体格式都使用不太难用的方案存储和访问字形。
为了清晰的原因，当说明FT时，保持下面的观念
*一个字体文件包含一组字形，每个字形可以存成位图、向量表示或其他结构（更可缩放的格式使用一种数学表示和控制数据/程序的结合方式）。
这些字形可以以任意顺序存在字体文件中，通常通过一个简单的字形索引访问。
*字体文件包含一个或多个表，叫做字符图，用来为某种字符编码将字符码转换成字形索引，例如ASCII、Unicode、Big5等等。
单个字体文件可能包含多个字符图，例如大多TrueType字体文件都会包含一个Apple特定的字符图和Unicode字符图，使它在Mac和Windows平台都可以使用。
3、字符和字体度量
每个字符映象都关联多种度量，被用来在渲染文本时，描述如何放置和管理它们。
在后面会有详述，它们和字形位置、光标步进和文本布局有关。
它们在渲染一个文本串时计算文本流时非常重要。
每个可缩放的字体格式也包含一些全局的度量，用概念单位表示，描述同一种外观的所有字形的一些特性，例如最大字形外框，字体的上行字符、下行字符和文本高度等。
虽然这些度量也会存在于一些不可缩放格式，但它们只应用于一组指定字符维度和分辨率，并且通常用象素表示。
二、字形轮廓
1、象素、点和设备解析度
当处理计算机图形程序时，指定象素的物理尺寸不是正方的。
通常，输出设备是屏幕或打印机，在水平和垂直方向都有多种分辨率，当渲染文本是要注意这些情况。
定义设备的分辨率通常使用用dpi（每英寸点（dot）数）表示的两个数，例如，一个打印机的分辨率为300x600dpi表示在水平方向，每英寸有300个象素，在垂直方向有600个象素。
一个典型的计算机显示器根据它的大小，分辨率不同（15’’和17’’显示器对640x480象素大小不同），当然图形模式分辨率也不一样。
所以，文本的大小通常用点（point）表示，而不是用设备特定的象素。
点是一种简单的物理单位，在数字印刷中，一点等于1/72英寸。
例如，大多罗马书籍使用10到14点大小印刷文字内容。
可以用点数大小来计算象素数，公式如下：
象素数=点数*分辨率/72
分辨率用dpi表示，因为水平和垂直分辨率可以不同，单个点数通常定义不同象素文本宽度和高度。
2、向量表示
字体轮廓的源格式是一组封闭的路径，叫做轮廓线。
每个轮廓线划定字形的外部或内部区域，它们可以是线段或是Bezier曲线。
曲线通过控制点定义，根据字体格式，可以是二次（conicBeziers）或三次（cubicBeziers）多项式。
在文献中，conicBezier通常称为quadraticBeziers。
因此，轮廓中每个点都有一个标志表示它的类型是一般还是控制点，缩放这些点将缩放整个轮廓。
每个字形最初的轮廓点放置在一个不可分割单元的网格中，点通常在字体文件中以16位整型网格坐标存储，网格的原点在（0,0），它的范围是-16384到-16383（虽然有的格式如Type1使用浮点型，但为简便起见，我们约定用整型分析）。
网格的方向和传统数学二维平面一致，x轴从左到右，y轴从下到上。
在创建字形轮廓时，一个字体设计者使用一个假想的正方形，叫做EM正方形
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