使用freetype显示文字

目录

前言

矢量字体的引入

Freetype介绍

如何使用freetype

在LCD上显示一个矢量字体

1.使用wchar_t获得字符的UNICODE值

2.使用freetype得到位图

3.在屏幕上显示位图

4.编译运行

源码

在LCD上令矢量字体旋转某个角度

1.关键代码

2.编译运行

在LCD上显示一行文字

1.笛卡尔坐标系 

2.每个字符的大小可能不同

3.怎么在指定位置显示一行文字

4.freetype 的几个重要数据结构

FT_Library

FT_Face

FT_GlyphSlot

FT_Glyph

FT_BBox

示例代码

5.计算一行文字的外框

6.调整原点并绘制

7.上机实验

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前言

        板子是韦东山老师的imx6ull板，之前的博客讲了framebuffer应用编程和字符的点阵显示，重点是实现描点函数，再从字符点阵库里找到对应的点阵，通过mmap映射到LCD屏幕的物理地址，就可以在LCD屏幕上显示ASCII码字符和中文字符，但是他们的大小固定，不论你是ASCII字符还是中文字符，它们的边框大小都是一样的，并不会很紧凑，所以需要引入freetype。（韦老师的视频讲的没有很深入，只能自己看文档和代码注释，尽量理解，实在不行会用就好了，应用为王）

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矢量字体的引入

        使用点阵字库显示英文字母、汉字时，大小固定，如果放大缩小则会模糊甚至有锯齿出现，为了解决这个问题，引用矢量字体。

        矢量字体形成分三步：
        第1步 确定关键点
        第2步 使用数学曲线（贝塞尔曲线）连接关键点
        第3步 填充闭合区线内部空间。

什么是关键点？以字母“A”为例，它的的关键点如下图所示

        再用数学曲线(比如贝塞尔曲线)将关键点都连接起来，得到一系列的封闭的曲线

        最后把封闭空间填满颜色，就显示出一个 A 字母

        如果需要放大或者缩小字体，关键点的相对位置是不变的，只要数学曲线平滑，字体就不会变形。

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Freetype介绍

        Freetype 是开源的字体引擎库，它提供统一的接口来访问多种字体格式文件，从而实现矢量字体显示。我们只需要移植这个字体引擎，调用对应的 API 接口，提供字体文件，就可以让 freetype 库帮我们取出关键点、实现闭合曲线，填充颜色，达到显示矢量字体的目的。
        关键点 (glyph) 存在字体文件中 ，Windows使用的字体文件在 c:\Windows\Fonts 目录下，扩展名为 TTF 的都是矢量字库，本次使用实验使用的是新宋字体 simsun.ttc。

给定一个字符，怎么在字体文件中找到它的关键点？
        首先要确定该字符的编码值：比如 ASCII 码、GB2312 码、UNICODE 码。如果字体文件支持某种编码格式(charset)，就可以使用这类编码值去找到该字符的关键点(glyph)。有些字体文件支持多种编码格式(charset)，这在文件中被称为 charmaps (注意：这个单词是复数，意味着可能支持多种 charset)。
        以 simsun.ttc 为例，该字体文件的格如下：头部含有 charmaps，可以使用某种编码值去 charmaps 中找到它对应的关键点。下图中的“A、B、中、国、韦”等只是关键点(glyph)的示意图，表示关键点。

        Charmaps 表示字符映射表，字体文件可能支持哪一些编码，GB2312、UNICODE、BIG5 或其他。如果字体文件支持该编码，使用编码值通过 charmap 就可以找到对应的 glyph(关键点)，一般而言都支持 UNICODE 码。 

有了以上基础，一个文字的显示过程可以概括如下：
 给定一个字符可以确定它的编码值(ASCII、UNICODE、GB2312)；
 设置字体大小；
 根据编码值，从文件头部中通过 charmap 找到对应的关键点(glyph)，它会根据字体大小调整关       键点；
 把关键点转换为位图点阵；
 在 LCD 上显示出来

如何使用freetype

        从 https://www.freetype.org/ 可 以 下 载 到 “ freetype-doc-2.10.2.tar.xz”，下图中的文件就是官方文档：

参照上图中 step1，step2，step3 里的内容，可以学习如何使用 freetype库，总结出下列步骤：
①初始化：FT_InitFreetype
②加载(打开)字体 Face：FT_New_Face
③设置字体大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes
④选择 charmap：FT_Select_Charmap
⑤根据编码值 charcode 找到 glyph_index：glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，               charcode）
⑥根据 glyph_index 取出 glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）
⑦转为位图：FT_Render_Glyph
⑧移动或旋转: FT_Set_Transform
⑨最后显示出来。
上面的⑤⑥⑦可以使用一个函数代替：FT_Load_Char(face, charcode, FT_LOAD_RENDER)，它就可以得到位图。

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在LCD上显示一个矢量字体

1.使用wchar_t获得字符的UNICODE值

        要显示一个字符，首先要确定它的编码值。常用的是 UNICODE 编码，在程序里使用这样的语句定义字符串时，str中保存的要么是 GB2312 编码值，要么是UTF-8 格式的编码值，即使编译时使用“-fexec-charset=UTF-8”（编译出的可执行程序为UTF-8编码），str中保存的也不是直接能使用的 UNICODE 值：

char *str = "中";

如果想在代码中能直接使用 UNICODE 值，需要使用 wchar_t，宽字符，示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <wchar.h>

int main( int argc, char** argv)
{
    wchar_t *chinese_str = L"中gif";
    unsigned int *p = (wchar_t *)chinese_str;
    int i;

    printf("sizeof(wchar_t) = %d, str's Uniocde: \n", (int)sizeof(wchar_t));
    for (i = 0; i < wcslen(chinese_str); i++)
    {
        printf("0x%x ", p[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

UTF-8 格式保存 test_wchar.c，编译、测试命令如下：

注意：如果 test_wchar.c 是以 ANSI(GB2312)格式保存，那么需要使用以下命令来编译：

gcc -finput-charset=GB2312 -fexec-charset=UTF-8 -o test_wchar test_wchar.c

2.使用freetype得到位图

要使用 freetype 得到一个字符的位图，只需要4个步骤，代码先贴出来再分析：

① 初始化 freetype 库（158行）

error = FT_Init_FreeType( &library ); /* initialize library */

② 加载字体文件，保存在&face 中：（161~163行）

error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */
/* error handling omitted */
slot = face->glyph;

第 163 行是从 face 中获得 FT_GlyphSlot，后面的代码中文字的位图就是保存在 FT_GlyphSlot 里。

③ 设置字体大小

FT_Set_Pixel_Sizes(face, font_size, 0);

④ 根据编码值得到位图
        使用 FT_Load_Char 函数，就可以实现这 3 个功能：
         根据编码值获得 glyph_index：FT_Get_Char_Index
         根据 glyph_idex 取出 glyph：FT_Load_Glyph
         渲染出位图：FT_Render_Glyph
代码如下：

/* load glyph image into the slot (erase previous one) */
error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );

执行 FT_Load_Char 之后，字符的位图被存在 slot->bitmap 里 ， 即 face->glyph->bitmap。

3.在屏幕上显示位图

位图里的数据格式是怎样的？参考官方的 example1.c 示例代码，得到下图

要在屏幕上显示出这些位图，并不复杂：

draw_bitmap( &slot->bitmap, var.xres/2, var.yres/2);

 draw_bitmap 函数代码如下，由于位图中每一个像素用一个字节来表示，在0x00RRGGBB 的颜色格式中它只能表示蓝色，所以在 LCD 上显示出来的文字是蓝色的：

4.编译运行

执行以下命令：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o freetype_show_font freetype_show_font.c -lfreetype

（如果你的交叉编译链前缀和这个不一样请自行修改）

将编译好的 freetype_show_font 文件与 simsun.ttc 字体文件拷贝至开发板，这 2 个文件放在同一个目录下，然后执行以下命令。

./freetype_show_font ./simsun.ttc 或 ./freetype_show_font ./simsun.ttc 300

可自行输入数字调整字体大小，如果实验成功，我们将在屏幕中间看到一个蓝色的“繁”字。

源码

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <wchar.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <ft2build.h>
#include FT_FREETYPE_H
#include FT_GLYPH_H

int fd_fb;
struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
int screen_size;
unsigned char *fbmem;
unsigned int line_width;
unsigned int pixel_width;


/**********************************************************************
 * 函数名称： lcd_put_pixel
 * 功能描述： 在LCD指定位置上输出指定颜色（描点）
 * 输入参数： x坐标，y坐标，颜色
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 会
 * 修改日期        版本号     修改人	      修改内容
 * -----------------------------------------------
 * 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建
 ***********************************************************************/ 
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)//描点函数 看我之前的博客
{
	unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
	unsigned short *pen_16;	
	unsigned int *pen_32;	

	unsigned int red, green, blue;	

	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
	pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

	switch (var.bits_per_pixel)
	{
		case 8:
		{
			*pen_8 = color;
			break;
		}
		case 16:
		{
			/* 565 */
			red   = (color >> 16) & 0xff;
			green = (color >> 8) & 0xff;
			blue  = (color >> 0) & 0xff;
			color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
			*pen_16 = color;
			break;
		}
		case 32:
		{
			*pen_32 = color;
			break;
		}
		default:
		{
			printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
			break;
		}
	}
}

/**********************************************************************
 * 函数名称： draw_bitmap
 * 功能描述： 根据bitmap位图，在LCD指定位置显示汉字
 * 输入参数： x坐标，y坐标，位图指针
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 修改日期        版本号     修改人	      修改内容
 * -----------------------------------------------
 * 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建
 ***********************************************************************/ 
void draw_bitmap( FT_Bitmap*  bitmap, FT_Int x, FT_Int y)
{
	FT_Int  i, j, p, q;
	FT_Int  x_max = x + bitmap->width;
	FT_Int  y_max = y + bitmap->rows;

	//printf("x = %d, y = %d\n", x, y);

	for ( j = y, q = 0; j < y_max; j++, q++ )
	{
		for ( i = x, p = 0; i < x_max; i++, p++ )
		{
			if ( i < 0 || j < 0 || i >= var.xres || j >= var.yres )
			continue;

			//image[j][i] |= bitmap->buffer[q * bitmap->width + p];
			lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);
		}
	}
}


int main(int argc, char **argv)
{
	wchar_t *chinese_str = L"繁";

	FT_Library	  library;
	FT_Face 	  face;
	int error;
    FT_Vector     pen;
	FT_GlyphSlot  slot;
	int font_size = 24;

	if (argc < 2)
	{
		printf("Usage : %s <font_file> [font_size]\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	if (argc == 3)
		font_size = strtoul(argv[2], NULL, 0);
		
	fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
	if (fd_fb < 0)
	{
		printf("can't open /dev/fb0\n");
		return -1;
	}

	if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
	{
		printf("can't get var\n");
		return -1;
	}

	line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
	pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
	screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
	fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
	if (fbmem == (unsigned char *)-1)
	{
		printf("can't mmap\n");
		return -1;
	}

	/* 清屏: 全部设为黑色 */
	memset(fbmem, 0, screen_size);

	/* 显示矢量字体 */
	error = FT_Init_FreeType( &library );			   /* initialize library */
	/* error handling omitted */
	
	error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */
	/* error handling omitted */	
	slot = face->glyph;

	FT_Set_Pixel_Sizes(face, font_size, 0);

	/* 确定坐标:
	 */
	//pen.x = 0;
	//pen.y = 0;

    /* set transformation */
    //FT_Set_Transform( face, 0, &pen);

    /* load glyph image into the slot (erase previous one) */
    error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
	if (error)
	{
		printf("FT_Load_Char error\n");
		return -1;
	}
	
    draw_bitmap( &slot->bitmap, var.xres/2, var.yres/2);

	return 0;	
}

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在LCD上令矢量字体旋转某个角度

        在实现显示一个矢量字体后，我们可以添加让该字旋转某个角度的功能，主要代码还是参照 example1.c。

1.关键代码

① 定义 2 个变量：角度、矩阵，如图

② 设置角度值：

③ 设置矩阵、变形、加载位图：

代码和显示一个矢量字体差不多，只不过要调用之前注释的 FT_Set_Transform 函数，同时把 pen.x = 0; pen.y = 0; 取消注释。

2.编译运行

编译命令

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o freetype_show_font_angle freetype_show_font_angle.c -lfreetype -lm

由于用到了三角函数，所以要链接上数学库 -lm 

将编译好的 freetype_show_font_angle 文件与 simsun.ttc 字体文件拷贝至开发板，这 2 个文件放在同一个目录下，然后执行以下命令。

./freetype_show_font_angle ./simsun.ttc 90 200

如果实验成功，我们将在屏幕中间看到一个蓝色的、旋转了 90 度的“繁”字。 

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在LCD上显示一行文字

        本节的目的：在 LCD 上指定一个左上角坐标(x, y)，把一行文字显示出来。下图中，文字的外框用虚线表示，外框的左上角坐标就是(x, y)。

1.笛卡尔坐标系 

        在 LCD 的坐标系中，原点在屏幕的左上角。对于笛卡尔坐标系，原点在左下角。freetype 使用笛卡尔坐标系，在显示时需要转换为 LCD 坐标系。

        从下图可知，X 方向坐标值是一样的。
        在 Y 方向坐标值需要换算，假设 LCD 的高度是 V。
        在 LCD 坐标系中坐标是(x, y)，那么它在笛卡尔坐标系中的坐标值为(x, V-y)。
        反过来也是一样的，在笛卡尔坐标系中坐标是(x, y)，那么它在 LCD 坐标 系中坐标值为(x, V-y)。

2.每个字符的大小可能不同

        在使用 FT_Set_Pixel_Sizes 函数设置字体大小时，这只是“期望值”。比如“百问网 www.100ask.net”，如果把“.”显示得跟其他汉字一样大，不好看。 
        所以在显示一行文字时，后面文字的位置会受到前面文字的影响。
        幸好，freetype 帮我们考虑到了这些影响。
        对于 freetype 字体的尺寸(freetype Metrics)，需要参考下图这个文档：

（从官方获取）  

上述文档中列出了一个图，摘录如下：

        在显示一行文字时，这些文字会基于同一个基线来绘制位图：baseline。
        在 baseline 上，每一个字符都有它的原点(origin)，比如上图中 baseline 左边的黑色圆点就是字母“g”的原点。当前 origin 加上 advance 就可以得到下一个字符的 origin，比如上图中 baseline 右边的黑色圆点。在显示一行中多个文件字时，后一个文字的原点依赖于前一个文字的原点及 advance。
        字符的位图是有可能越过 baseline 的，比如上图中字母“g”在 baseline 下方还有图像。
        上图中红色方框内就是字母“g”所点据的位图，它的四个角落不一定与原点重合。 

        上图中那些 xMin 、 xMax 、 yMin 、 yMax 如 何 获 得 ？ 可以使用FT_Glyph_Get_CBox 函数获得一个字体的这些参数，将会保存在一个 FT_BBox 结构体中，以后想计算一行文字的外框时要用到下图这些信息：

3.怎么在指定位置显示一行文字

        要显示一行文字时，每一个字符都有自己外框：xMin、xMax、yMin、yMax。 把这些字符的 xMin、yMin 中的最小值取出来，把这些字符的 xMax、yMax 中的最大值取出来，就可以确定这行文字的外框了。
        要想在指定位置(x, y)显示一行文字，步骤如下图所示：

第1步 先指定第 1 个字符的原点 pen 坐标为(0, 0)，计算出它的外框
第2步 再计算右边字符的原点，也计算出它的外框
        把所有字符都处理完后就可以得到一行文字的整体外框：假设外框左上角坐标为(x', y')。
第3步 想在(x, y)处显示这行文字，调整一下 pen 坐标即可。怎么调整？ 
        pen 为(0, 0)时对应左上角(x', y')；那么左上角为(x, y)时就可以算出pen 为(x-x', y-y')。

4.freetype 的几个重要数据结构

要想形象地理解程序，需要先介绍一下 freetype 中几个数据结构：

FT_Library

        对应 freetype 库，使用 freetype 之前要先调用以下代码：

FT_Library library; /* 对应 freetype 库 */
error = FT_Init_FreeType( &library ); /* 初始化 freetype 库 */

FT_Face

        它对应一个矢量字体文件，在源码中使用 FT_New_Face 函数打开字体文件后，就可以得到一个 face。（认为它是一个字体文件就可以了）
        代码如下：

error = FT_New_Face(library, font_file, 0, &face ); /* 加载字体文件 */

FT_GlyphSlot

可以认为是字体的插槽；用来保存字符的处理结果：比如转换后的 glyph、位图，如下图：

        一个 face 中有很多字符，生成一个字符的点阵位图时，位图保存在哪里？ 
        保存在插槽中：face->glyph。
        生成第 1 个字符位图时，它保存在 face->glyph 中；生成第 2 个字符位图时，也会保存在 face->glyph 中，会覆盖第 1 个字符的位图。
​​​​​​​        代码如下：

FT_GlyphSlot slot = face->glyph; /* 插槽: 字体的处理结果保存在这里 */

FT_Glyph

        字体文件中保存有字符的原始关键点信息，使用 freetype 的函数可以放大、缩小、旋转，这些新的关键点保存在插槽中(注意：位图也是保存在插槽中)。
​​​​​​​        新的关键点使用 FT_Glyph 来表示，可以使用这样的代码从 slot 中获得glyph：

error = FT_Get_Glyph(slot , &glyph);

FT_BBox

        FT_BBox 结构体定义如下，它表示一个字符的外框，即新 glyph 的外框：

可以使用以下代码从 glyph 中获得这些信息：

FT_Glyph_Get_CBox(glyph, FT_GLYPH_BBOX_TRUNCATE, &bbox );

示例代码

针对上述流程，示例代码如下：

5.计算一行文字的外框

        前面提到过，一行文字中：后一个字符的原点=前一个字符的原点+advance。所以要计算一行文字的外框，需要按照排列顺序处理其中的每一个字符。代码如下，注释写得很清楚了：

int compute_string_bbox(FT_Face       face, wchar_t *wstr, FT_BBox  *abbox)
{
    int i;
    int error;
    FT_BBox bbox;
    FT_BBox glyph_bbox;
    FT_Vector pen;
    FT_Glyph  glyph;
    FT_GlyphSlot slot = face->glyph;

    /* 初始化 */
    bbox.xMin = bbox.yMin = 32000;
    bbox.xMax = bbox.yMax = -32000;

    /* 指定原点为(0, 0) */
    pen.x = 0;
    pen.y = 0;

    /* 计算每个字符的bounding box */
    /* 先translate, 再load char, 就可以得到它的外框了 */
    for (i = 0; i < wcslen(wstr); i++)
    {
        /* 转换：transformation */
        FT_Set_Transform(face, 0, &pen);

        /* 加载位图: load glyph image into the slot (erase previous one) */
        error = FT_Load_Char(face, wstr[i], FT_LOAD_RENDER);
        if (error)
        {
            printf("FT_Load_Char error\n");
            return -1;
        }

        /* 取出glyph */
        error = FT_Get_Glyph(face->glyph, &glyph);
        if (error)
        {
            printf("FT_Get_Glyph error!\n");
            return -1;
        }
        
        /* 从glyph得到外框: bbox */
        FT_Glyph_Get_CBox(glyph, FT_GLYPH_BBOX_TRUNCATE, &glyph_bbox);

        /* 更新外框 */
        if ( glyph_bbox.xMin < bbox.xMin )
            bbox.xMin = glyph_bbox.xMin;

        if ( glyph_bbox.yMin < bbox.yMin )
            bbox.yMin = glyph_bbox.yMin;

        if ( glyph_bbox.xMax > bbox.xMax )
            bbox.xMax = glyph_bbox.xMax;

        if ( glyph_bbox.yMax > bbox.yMax )
            bbox.yMax = glyph_bbox.yMax;
        
        /* 计算下一个字符的原点: increment pen position */
        pen.x += slot->advance.x;
        pen.y += slot->advance.y;
    }

    /* return string bbox */
    *abbox = bbox;
}

6.调整原点并绘制

int display_string(FT_Face     face, wchar_t *wstr, int lcd_x, int lcd_y)
{
    int i;
    int error;
    FT_BBox bbox;
    FT_Vector pen;
    FT_Glyph  glyph;
    FT_GlyphSlot slot = face->glyph;

    /* 把LCD坐标转换为笛卡尔坐标 */
    int x = lcd_x;
    int y = var.yres - lcd_y;

    /* 计算外框 */
    compute_string_bbox(face, wstr, &bbox);

    /* 反推原点 */
    pen.x = (x - bbox.xMin) * 64; /* 单位: 1/64像素 */
    pen.y = (y - bbox.yMax) * 64; /* 单位: 1/64像素 */

    /* 处理每个字符 */
    for (i = 0; i < wcslen(wstr); i++)
    {
        /* 转换：transformation */
        FT_Set_Transform(face, 0, &pen);

        /* 加载位图: load glyph image into the slot (erase previous one) */
        error = FT_Load_Char(face, wstr[i], FT_LOAD_RENDER);
        if (error)
        {
            printf("FT_Load_Char error\n");
            return -1;
        }

        /* 在LCD上绘制: 使用LCD坐标 */
        draw_bitmap( &slot->bitmap,
                        slot->bitmap_left,
                        var.yres - slot->bitmap_top);

        /* 计算下一个字符的原点: increment pen position */
        pen.x += slot->advance.x;
        pen.y += slot->advance.y;
    }

    return 0;
}

7.上机实验

        将编译好的 show_line 文件与 simsun.ttc 字体文件拷贝至开发板，这 2个文件放在同一个目录下，然后执行以下命令(其中的 3 个数字分别表示 LCD 的X 坐标、Y 坐标、字体大小)：

./show_line ./simsun.ttc 10 200 80

如果实验成功，可以在 LCD 上看到一行文字“百问网 www.100ask.net”。