GUI原理4 - 矢量字体

说起矢量字体,不得不说一下多边形填充原理。本来是想将多边形填充作为单独的一节内容,可惜说得太细我累大家也累。

多边形填充最需要关注的就是斜率,计算每条边的斜率,从而得到每条边在每一行上的切点。然后从左到右,将各切点连接起来,逐行进行。

多边形有两种填充方式,Alternate和Winding。矢量字体主要用的前一种方式,而winding会将所有的切点都连接起来,没有了中间的分隔区域。

比如,在Alternate模式下,从最左边的切点1,会连接切点2,然后从切点3连接到切点4,而2到3是不连接的。这样就形成了一个空洞,也是矢量字的奥秘所在。Winding模式会将所有的切点都连接起来,即从最左边的一直画到最右边。

FillMode

多边形组——PolyPolygon

将多个多边形组合成一个组,从而形成复杂的多边形组。同样,这个组也依赖于FillMode的填充模式。下面我们来看一下中文的“口”是如何写出来的。

“口”由两条多边形组合而成,根据FillMode为Alternate,相重叠的部分不显示。用笔在字的中央画一条横线,就可以找到4个交点,而交点2到3是不连接的,这样就形成了“口”中间的洞。

微软Arial字体中“S”的曲线

微软的Arial字体中存储的“S”,就是多个Bezier3点组成的。点41是锚点,而40和42是控制点,来控制通过41的曲线的张力。在点的定义上,有on curve和not on curve两种,通常将在曲线上的点定为锚点,而不在曲线上的点为控制点。

这是我年初的时候,为了研究矢量字体,将字母P用微软的方式输出后,再读取字库点阵数据,使用红叉画出字库中所有的点。P是由两条Bezier曲线包围而成的,第二条起着切割的目的,已形成P中间的圆洞。

看看字母“B”的填充。

字体是如何保证对齐的呢?原来在字库内部,有一个基准线,就好像信纸的虚线,用来水平方向对齐的,同样,也有个垂直方向的基准线。每个字都有上浮和下沉的高度,这也是该字的最上和最下的点所处的位置。

矢量字在不同字号下,根据点阵尺寸,显示的精细程度也不一样。我们这里将“8”放大了看,在小字号和大字号下的效果。

在不同的字号下,根据最简单的缩放原理,将所有的点缩放到合适的位置,再确定曲线。这时候,一条边就占据不了整列像素,或者一条边压在了两列像素的中间,这样就造成了灰色的线条。而这并不是我们想要的效果,Photoshop通过USM锐化滤镜,将虚边得以逐步清晰,以达到所要的矢量字。

苹果系统通过调整整体点阵的位置,将所有的点适当便宜半个像素以内的位置,可以实现较为清晰的字体。如果在关闭了消除锯齿方式,则有些边线由于占据不了半个像素,而不能够显示,这就形成了所谓的缺边或者缺笔划。

有些软件,比如Adobe Acrobat,通过一种较为复杂的方式,以实现矢量字的清晰。将某些关联的点作为一个segment,并且局部偏移到邻近的整数位,而其他部分不动。这种方法目前较为流行,可以实现比苹果和ps还要清晰的矢量效果。

为什么我们通常看到的齿条文字这么清晰呢

微软的TTF为了保证小字号下的清晰,可谓是用尽了方法。首先,在庞大的字库,内置了数个字号的点阵字,接着才是矢量字。比如宋体,内置了12、14、 16、18等几个点阵字库,在这些之外才使用矢量字库来渲染。这也是为什么一个TTF文件要几兆甚至几十兆的容量,不过内嵌的点阵字越多,在不同字号下实现的效果自然越好。别小看了这些点阵字,每一个都是平面设计师在工具上画的,并非由软件生成。唉,可怜的设计师啊~~~~~~

不过,有个特例。比如Arial字体,内部全是矢量字,但各种尺寸下都是这么清晰。为什么呢?

原来,微软在字库中加入了解释程序,interpreter,一种专门用于字库渲染的脚本命令。在不同的字号下,都有相应的语句,将矢量字得以最清晰化。这是一种复杂的技术,微软也觉得不能广泛使用,所以只有在部分的英文字库中才有,而且该脚本对应每个字都有一段代码,容量非常大,用在汉字上几乎是不可能,除非是整个文字不多于100个才能使用。

interpreter就是这么神奇,他也是目前最好的技术,能够将矢量字渲染的和点阵字一样的清晰。他将某些边线的距离拉开,而将另一部分收缩,总之是按照人的想法来做的,这也是编好的程序。

我用一种新的方式,保证了任何字号下的清晰。目前还在做实验,希望将来能够做成PS的插件,或者做成个工具,输出成PNG格式。这样,设计师就能够显示最清晰的矢量字体了,免得用PS输出的看不清。

矢量字体的终极技术

在1998 年的时候,微软声称发明了一种新的技术,能在LCD上将矢量字体的清晰度提高到300%。而后,出现了名为MicrosoftReader的软件,我还用过几个版本。Adobe也不甘示弱,随即在Acrobat4中对CoolType进行了支持,而Linux的FreeType库也开始支持次像素平滑。据我多年的研究观察,Acrobat做的最好,最灵活,而微软的缺少适当的调节工具,Linux的次像素平滑简直就是垃圾,照虎画猫。

ClearType使用彩色来描边,显示对比度越是强的文字,比如白底黑字或者黑底白字,都是最清晰的。其实,理论上ClearType能够将显示精度提到到300%,但实际上只能达到200%左右。

一般来说,液晶显示器的点阵分布都非常均匀,每个点都是由红绿蓝3色排列而成。我们通常要显示一个白色,需要将红绿蓝都点亮,而黑色是都不显示。 ClearType将点的概念再次扩展,把邻近的两个点3色混淆,借前一个点的颜色而忽略后一点的某种颜色。这样,就可以把传统的一个点的最小单位扩展到 1/3个点的单位。

在使用ClearType技术后,原来的字体渲染将更加清晰,当然,只限于LCD显示器,CRT会更加模糊。ClearType还有一个关键的技术,就是 Linux的次像素平滑没有学去的地方,一定要考虑到红绿蓝的颜色亮度平衡。一般来说,绿色的亮度最高,而蓝色的最低,所以我们要在显示绿色的时候加点红色和蓝色来调低亮度,而显示蓝色的时候要加入绿色和红色来增加亮度。这种做法也可以使边界的彩边不是那么明显,看起来更像是黑色的字。不过,这种做法使得原本可以提高显示精细程度到300%的技术,降低了许多,不过还是要高于200%。

下面我最满意的矢量字效果,这是试验程序截图,以后做成PS的插件,供大家免费下载使用。

注:仅限LCD显示器观看,否则效果只会更差。

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