OpenGL環(huán)境中二維文字的通用繪制方法?

李迎春 孫 卡

（1.南昌航空大學(xué)軟件學(xué)院 南昌 330063）（2.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 南昌 330063）

1 引言

由于OpenGL沒(méi)有直接的文字（尤其是漢字）繪制支持，在需要輸出文字的地方，需要進(jìn)行特定的處理［1］。

使用OpenGL繪制文字主要有四種方法：1）使用glBitmap函數(shù)繪制單色位圖文字。吳仁彪［2］等利用多核處理器的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高或進(jìn)行大批量文本數(shù)據(jù)的繪制，提出基于多線(xiàn)程的OpenGL文本繪制方法；梁麗［3］等主要研究了3D字幕技術(shù)，采用OpenGL將具有視差的字母疊加在立體圖像上實(shí)現(xiàn)3D效果；李雪［4］、馬莉［5］、趙常壽［6］等采用Vega或Vega Primer與OpenGL混合編程，實(shí)現(xiàn)了Vega中漢字的二維顯示。2）使用wglUseFontBitmap函數(shù)繪制平面2D文字。芮小平［7］等研究了實(shí)現(xiàn)平面柵格字體的繪制方法；李自勝［8］研究了基于OpenGL的Windows字體處理方法，并實(shí)現(xiàn)了2D漢字的顯示。3）使用wglUseFontOutlines函數(shù)繪制3D輪廓文字。芮小平［7］、李杰［9］等結(jié)合顯示列表技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維輪廓字體的顯示；李雪［4］、馬莉［5］等結(jié)合Vega軟件和OpenGL圖形庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了Vega中漢字的三維顯示；李自勝［8］實(shí)現(xiàn)了三維漢字的繪制和顯示；張秀山［10］等使用OpenGL在Windows下設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)三維字幕動(dòng)畫(huà)函數(shù)庫(kù)。4）使用紋理貼圖繪制紋理文字。陳飛［11］等提出基于SDL和OpenGL跨平臺(tái)圖形庫(kù)，采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型對(duì)中文字符串進(jìn)行處理的實(shí)時(shí)繪制方法；蘭一麟濤［12］等研究了OpenGL中的三維紋理貼圖繪制技術(shù)。另外，侯學(xué)隆［13］等研究了基于GDI的OpenGL多國(guó)文字渲染技術(shù)；薛娟［14］等使用TrueType字體，實(shí)現(xiàn)了基于VxWorks的中文圖形界面設(shè)計(jì)；劉亞麗［15］等提出了在VxWorks嵌入式系統(tǒng)下基于OpenGL的漢字輸入及顯示的實(shí)現(xiàn)方案。函數(shù)glBitmap只能處理單色位圖，不便修改，數(shù)據(jù)會(huì)在主存與顯存之間流動(dòng)，效率不高。函數(shù)wglUseFontBitmap、wglUseFontOutlines結(jié)合顯示列表技術(shù)可以提高繪制速度，但只適用Windows操作系統(tǒng)，且不提供字體修改，速度比較慢。使用紋理文字速度更快，紋理對(duì)象常駐GPU，而且能更好地控制幾何狀態(tài)，使用紋理文字比使用顯示列表速度更快。

本文在綜合分析以上幾種文字繪制方法的基礎(chǔ)上，提出了一種GDI和OpenGL結(jié)合的二維文字繪制方法［16］，采用面向?qū)ο蟮乃枷耄訡++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)出了文字繪制的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，具有較強(qiáng)的靈活性和通用性。

2 文字位圖及紋理的創(chuàng)建

2.1 文字的屬性

文字的屬性主要包括字體、字形、字號(hào)、加粗、下劃線(xiàn)、刪除線(xiàn)、顏色、邊框、位置、對(duì)齊等。Windows提供了結(jié)構(gòu)體LOGFONT來(lái)表達(dá)邏輯上的一個(gè)字體，其結(jié)構(gòu)定義如表1所示，其中l(wèi)fCharSet用來(lái)指定字符集，可以使用四種預(yù)定義值：ANSI_CHARSET，OEM_CHARSET，SYMBOL_CHARSET，UNICODE_CHARSET，CHINESEBIG5_CHARSET（繁體中文），GB2312_CHARSET（簡(jiǎn)體中文），DEFAULT_CHARSET等。

2.2 文字位圖的創(chuàng)建

基于上述字體，使用Windows GDI創(chuàng)建空白位圖，將文字在位圖中渲染，渲染后的位圖記錄了文字的輪廓信息，文字輪廓覆蓋的區(qū)域用1表示，文字輪廓未覆蓋的區(qū)域用0表示，其創(chuàng)建流程如下。

1）創(chuàng)建Windows GDI設(shè)備環(huán)境；

表1 文字的屬性

2）選擇繪制當(dāng)前文字所用的字體；

3）調(diào)用GetTextExtentPoint32函數(shù)，獲得所繪文字的高度和寬度信息，該信息以像素為單位；

4）根據(jù)步驟3）獲得位圖范圍，創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存中的位圖對(duì)象，并把它指定到設(shè)備環(huán)境中去；

5）為設(shè)備環(huán)境指定繪圖參數(shù)，如背景顏色、文字顏色、背景模式等；

6）調(diào)用Windows GDI繪圖函數(shù)TextOut在設(shè)備環(huán)境中繪圖；此時(shí)創(chuàng)建的文字位圖為設(shè)備相關(guān)位圖（DDB），此種位圖不具有自己的調(diào)色板信息，顏色模式必須與輸出設(shè)備相一致，高度依賴(lài)輸出設(shè)備，只能存在于內(nèi)存中；

7）把將設(shè)備相關(guān)位圖對(duì)象轉(zhuǎn)換為設(shè)備無(wú)關(guān)位圖（DIB），此類(lèi)位圖具有自己的調(diào)色板信息，不依賴(lài)系統(tǒng)的調(diào)色板，獨(dú)立于設(shè)備。可以使用BITMAPINFO結(jié)構(gòu)體來(lái)定義設(shè)備相關(guān)位圖和設(shè)備無(wú)關(guān)位圖的轉(zhuǎn)換規(guī)則，BITMAPINFO結(jié)構(gòu)體中的bmiHeader屬性中包含了維度和與設(shè)備無(wú)關(guān)位圖的顏色格式信息，bmiColors屬性指定了數(shù)組位圖中定義的顏色的數(shù)據(jù)類(lèi)型；

8）將轉(zhuǎn)換后的文字位圖存儲(chǔ)在一維數(shù)組中，OpenGL可以利用該位圖并調(diào)用glBitmap函數(shù)直接繪制出基于位圖的文字。由于該方法在屏幕上直接輸出的是文字的位圖信息（也稱(chēng)柵格信息），無(wú)法實(shí)現(xiàn)文字的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和變形等操作，為解決該問(wèn)題，需要將文字位圖轉(zhuǎn)換為文字紋理。

2.3 文字紋理的創(chuàng)建

文字紋理創(chuàng)建的思路是將2.2節(jié)所創(chuàng)建的單色位圖轉(zhuǎn)換為RGBA格式。單色位圖上的每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度為1位（即1/8個(gè)字節(jié)），文字輪廓處的數(shù)據(jù)值為二進(jìn)制的1，非輪廓處的數(shù)值為二進(jìn)制的0；RGBA格式中每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度為32位（即4個(gè)字節(jié)），以8位為1顏色單元，分別對(duì)應(yīng)顏色R、G、B、A的數(shù)值，單色位圖格式與RGBA格式的轉(zhuǎn)換如圖1所示，其步驟如下：

1）開(kāi)辟存儲(chǔ)RGBA格式數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間，其單位為unsigned char，長(zhǎng)度為單色位圖寬度乘以高度的4倍，即每個(gè)像素點(diǎn)占據(jù)32位的空間。

2）設(shè)置當(dāng)前文字的顏色，該值使用4個(gè)字節(jié)來(lái)表示，按順序分別為R、G、B、A，每種顏色的取值范圍為［0，255］；

3）按位遍歷單色位圖的數(shù)據(jù)，若當(dāng)前單色位圖上數(shù)據(jù)的值為1，則將RGBA格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間上的連續(xù)4個(gè)字節(jié)用當(dāng)前的顏色值來(lái)替換；若當(dāng)前單色位圖上數(shù)據(jù)的值為0，則將RGBA格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間上的連續(xù)4個(gè)字節(jié)用（0，0，0，0）來(lái)替換；完成遍歷后，即實(shí)現(xiàn)了單色位圖到RGBA格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的RGBA格式數(shù)據(jù)可以作為幾何圖形的紋理來(lái)使用。

圖1 單色位圖與RGBA格式的轉(zhuǎn)換

3 文字的繪制

文字繪制流程如圖2所示，先用GDI把指定的文字繪制到內(nèi)存中的Bitmap中，再把Bitmap轉(zhuǎn)換成紋理，通過(guò)修改粘貼該紋理的幾何圖形的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)文字的各種顯示效果。由于該方法不涉及顯示列表，在渲染常規(guī)（非變形、非旋轉(zhuǎn)）文字時(shí)可以按圖形的方式輸出；在渲染非常規(guī)（變形、旋轉(zhuǎn)）文字時(shí)，采用紋理貼圖的方式進(jìn)行，可以繪制出傾斜、旋轉(zhuǎn)、縮放、對(duì)齊等效果。

圖2 文字的繪制流程

3.1 基于文字位圖的繪制方法

根據(jù)2.2中的步驟創(chuàng)建文字位圖之后，即可在OpenGL環(huán)境中進(jìn)行文字的繪制。使用glRaster-Pos2d（GLdouble x，GLdouble y）函數(shù)來(lái)確定所繪文字在屏幕上的位置，其中的參數(shù)x、y為繪制文字的定位點(diǎn)，即該文字繪制在屏幕的何處；使用glBitmap（GLsizei width，GLsizei height，GLfloat xorig，GLfloat yorig，GLfloat xmove，GLfloat ymove，const GLubyte*bitmap）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)位圖的繪制。使用該方法繪制出的文字可以實(shí)現(xiàn)添加邊框和對(duì)齊的特效，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、變形的特效。

在實(shí)現(xiàn)邊框特效時(shí)，只需要根據(jù)2.2節(jié)中步驟3）中位圖寬度和高度，相對(duì)于文字定位點(diǎn)的位置，使用屏幕坐標(biāo)進(jìn)行繪制矩形即可。邊框的繪制以文字位圖的左下角的位置為參考點(diǎn)。

在實(shí)現(xiàn)對(duì)齊特效時(shí)，需要根據(jù)位圖的寬度和高度對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行平移，通過(guò)改變定位點(diǎn)的方式，達(dá)到文字的某種對(duì)齊效果。針對(duì)不同的對(duì)齊方式，只需以像素為單位，平移0個(gè)、1/2個(gè)或1個(gè)位圖的高度和寬度即可。在本系統(tǒng)中定義了9種對(duì)齊方式，如圖3所示，其中黑色的點(diǎn)代表定位點(diǎn)，對(duì)齊名稱(chēng)分別為：（a）左下對(duì)齊；（b）左中對(duì)齊；（c）左上對(duì)齊；（d）中下對(duì)齊；（e）居中對(duì)齊；（f）中上對(duì)齊；（g）右下對(duì)齊；（h）右中對(duì)齊；（i）右上對(duì)齊。

圖3 文字的對(duì)齊方式

3.2 基于文字紋理的繪制方法

為了實(shí)現(xiàn)文字的縮放、旋轉(zhuǎn)、變形等特效，需要使用紋理貼圖的方式對(duì)文字進(jìn)行繪制。使用紋理貼圖的步驟如下：

1）使用glGenTextures（GLsizei n，GLuint*textures）函數(shù)，創(chuàng)建紋理ID；

2）使用glBindTextures（GLsizei n，GLuint*textures）函數(shù)實(shí)現(xiàn)紋理ID與當(dāng)前紋理的綁定；

3）使用glTexParameteri（GLenum target，GLenumpname，GLint param）函數(shù)設(shè)置紋理參數(shù)；

4）使 用glTexEnvf（GLenum target，GLenum pname，GLfloat param）函數(shù)設(shè)置紋理環(huán)境；

5）使用glTexImage2D（GLenum target，GLint level，GLint internalformat，GLsizei width，GLsizei height，GLint border，GLenum format，GLenum type，const GLvoid*pixels）函數(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存中紋理數(shù)據(jù)的傳遞。

6）使用glEnable（GLenum cap）函數(shù)分別啟動(dòng)紋理模式（GL_TEXTURE_2D）和透明測(cè)試模式（GL_ALPHA_TEST），并 調(diào) 用glAlphaFunc（GLenumfunc，GLclampf ref）函數(shù)設(shè)置透明貼圖。

7）使用glRotated（GLdouble angle，GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z）函數(shù)控制所繪紋理的旋轉(zhuǎn)角度；

8）使用glScaled（GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z）函數(shù)控制所繪文字的縮放比例；

9）使用glTexCoord2f（GLfloat s，GLfloat t）函數(shù)和glVertex2d（GLdouble x，GLdouble y）函數(shù)相結(jié)合，來(lái)控制紋理數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)映射，通過(guò)不同的映射方式，從而達(dá)到紋理變形的特效。

3.3 文字繪制類(lèi)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)文字的繪制，本文利用C++語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了9個(gè)與繪制相關(guān)的類(lèi)，并依據(jù)這些類(lèi)創(chuàng)建了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，類(lèi)之間的關(guān)系如圖4所示，每個(gè)類(lèi)的功能如下：

1）頂點(diǎn)類(lèi)（CVertex）：定義二維的x、y坐標(biāo)，用來(lái)記錄某點(diǎn)與原點(diǎn)（0，0）的相對(duì)值。

2）顏色類(lèi)（CColor）：包含四個(gè)BYTE類(lèi)型變量，表示RGBA顏色的四個(gè)分量，用來(lái)記錄顏色值。

3）包圍盒（CBoundBox）：包含兩個(gè)CVertex對(duì)象，分別記錄左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)的位置，可以計(jì)算出所包圍對(duì)象的寬度、高度、中心點(diǎn)，供繪制文字輪廓、對(duì)齊時(shí)使用。

4）位圖字體類(lèi)（CBitmapFont）：用來(lái)創(chuàng)建文字的位圖，先通過(guò)其包含的LOGFONT屬性，用來(lái)設(shè)置所繪文字的字體、字形、字號(hào)、加粗、下劃線(xiàn)、刪除線(xiàn)等效果；然后調(diào)用其包含的CreateText方法，創(chuàng)建出所繪文字對(duì)應(yīng)的位圖。

5）對(duì)齊方式：對(duì)齊方式定義為枚舉類(lèi)型，記錄文本內(nèi)容與定位點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，列出了9種可選值，分別為左下對(duì)齊、左中對(duì)齊、左上對(duì)齊、中下對(duì)齊、居中對(duì)齊、中上對(duì)齊、右下對(duì)齊、右中對(duì)齊、右上對(duì)齊。

6）紋理類(lèi)（CTexture）：提供將位圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGBA數(shù)據(jù)的接口，記錄創(chuàng)建的紋理的寬度、高度、ID等參數(shù)，只記錄紋理的參數(shù)信息，不負(fù)責(zé)紋理的繪制。

7）點(diǎn)狀要素類(lèi)（CPoint）：包含一個(gè)CVertex對(duì)象，用來(lái)記錄所繪文字的定位點(diǎn)，作為基類(lèi)。

8）柵格文字類(lèi)（CRasterText）：用來(lái)繪制基于位圖的文字，為CPoint類(lèi)的子類(lèi)，包含所繪文字的內(nèi)容、字體、顏色、對(duì)齊方式、位圖大小、是否繪制輪廓等屬性，提供設(shè)置文本、設(shè)置顏色、設(shè)置字體、計(jì)算包圍盒、平移、設(shè)置對(duì)齊方式、繪制等接口。該類(lèi)為

2.1 章節(jié)所描述繪制方法的代碼實(shí)現(xiàn)。

（9）紋理文字類(lèi)（CTextureText）：用來(lái)繪制基于紋理的文字，為CRasterText類(lèi)的子類(lèi)，在其父類(lèi)的基礎(chǔ)上，包含X軸上的縮放系數(shù)、Y軸上的縮放系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、變形系數(shù)等屬性，提供設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度、設(shè)置縮放系數(shù)、變形系數(shù)等接口，可以實(shí)現(xiàn)文字的旋轉(zhuǎn)、縮放、變形等特效。該類(lèi)為3.2節(jié)所描述繪制方法的代碼實(shí)現(xiàn)。

圖4 文字繪制類(lèi)關(guān)系圖

4 試驗(yàn)

本文的試驗(yàn)環(huán)境：操作系統(tǒng)Windows XPSP3簡(jiǎn)體中文專(zhuān)業(yè)版；處理器：Interl（R）Core（TM）i7-2600；屏幕分辨率為1600×900；開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio 2008；開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：Visual C++；庫(kù)函數(shù)：GDI和OpenGL；窗口背景：調(diào)用glClearColor（0，0，0，0）函數(shù)，設(shè)置屏幕背景為黑色；繪制顏色：白色（255，255，255，255）；對(duì)齊方式測(cè)試：文中所定義的9種對(duì)齊方式；旋轉(zhuǎn)測(cè)試：每間隔45°旋轉(zhuǎn)一次，旋轉(zhuǎn)360°；縮放測(cè)試：整體放大2倍、縮小2倍、軸向放大；傾斜測(cè)試：將文字左右各傾斜30°；變形測(cè)試：采用頂部放大和底部放大的方式，構(gòu)建出正梯形和倒梯形的文字效果；使用的邏輯字體的參數(shù)為

LOGFONTlFont；

lFont.lfHeight=32；

lFont.lfWidth=0；

lFont.lfEscapement=0；

lFont.lfOrientation=0；

lFont.lfWeight=400；

lFont.lfItalic=0；

lFont.lfUnderline=0；l

Font.lfStrikeOut=0；

lFont.lfCharSet=DEFAULT_CHARSET；

lFont.lfOutPrecision=OUT_TT_PRECIS；

lFont.lfClipPrecision= CLIP_DEFAULT_PRECIS；

lFont.lfQuality=DEFAULT_QUALITY；

lFont.lfPitchAndFamily= DEFAULT_PITCH |FF_MODERN；

strcpy_s（lFont.lfFaceName，32，“黑體”）。

本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)文字和非常規(guī)文字的輸出，證明了該方法的正確性和有效性。與概述中提到的其他幾種方法相比，可以方便修改文字字體、設(shè)置文字旋轉(zhuǎn)、變形、對(duì)齊方式等效果，繪制速度更快，具有很好的靈活性和通用性。

圖5 文字繪制測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了OpenGL中繪制二維文字的通用方法，設(shè)計(jì)了文字繪制類(lèi)及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使用GDI實(shí)現(xiàn)了位圖文字到紋理文字的轉(zhuǎn)換，達(dá)到了文字的各種特效。該方法已經(jīng)在地圖編制、地物標(biāo)繪、信號(hào)模擬、儀表顯示等相關(guān)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。