基于貝塞爾曲線和Unicode編碼的字體庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)

摘要：文字是社會(huì)生活中溝通的重要媒介之一。針對(duì)當(dāng)前字體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高度依賴于字體設(shè)計(jì)軟件的問(wèn)題，本文詳細(xì)闡述了字體開(kāi)發(fā)的流程及其依賴的相關(guān)原理和技術(shù)，提出了一種相對(duì)獨(dú)立的文字字體設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)字體時(shí)，利用貝塞爾曲線設(shè)計(jì)和修改字體輪廓和結(jié)構(gòu)，并利用Unicode技術(shù)為每一個(gè)字符編碼，從而結(jié)合字體度量和相關(guān)信息生成自己的字體庫(kù)文件。在繪制和渲染字體的過(guò)程中，利用字體編碼索引得到其對(duì)應(yīng)的輪廓信息，完成輪廓信息解析后，便能獲取所需的數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方法，用戶能夠輕松便捷地設(shè)計(jì)出自己的字體庫(kù)，從而擺脫對(duì)字體設(shè)計(jì)軟件的依賴。

關(guān)鍵字：字體設(shè)計(jì)；貝塞爾曲線；Unicode編碼；文字渲染

一、引言

在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)飛速發(fā)展的今天，文字因其簡(jiǎn)潔高效的信息傳輸能力，在人與人、人與電子設(shè)備的信息溝通中都起到了無(wú)可替代的作用，是人們進(jìn)行交流和信息傳遞的重要媒介。字體的不斷更新與發(fā)展對(duì)文字的視覺(jué)呈現(xiàn)效果具有重要意義，然而，當(dāng)前新的字體設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)往往高度依賴于幾個(gè)專業(yè)的字體設(shè)計(jì)軟件，如Adobe Illustrator，Glyphs，F(xiàn)ontLab等，這限制了普通用戶設(shè)計(jì)自己的字體庫(kù)和自由創(chuàng)作的能力。為了解決這一問(wèn)題，本文將詳細(xì)探討字體開(kāi)發(fā)的流程、原理。

目前，最為常見(jiàn)的字體文件為TTF、OTF格式，這類文件格式中包含了字符的輪廓和相關(guān)設(shè)置信息。用這種格式保存的字體在Windows、Linux和Mac平臺(tái)均能使用，有良好的兼容性；同時(shí)，該格式的字體具有良好的縮放性，能夠在不影響清晰的前提下實(shí)現(xiàn)字體的無(wú)損放大或是縮?。淮送?，可嵌入版權(quán)信息的特性使其能夠有效保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，用TTF或OTF格式保存字體數(shù)據(jù)是十分可靠的選擇。

二、字體設(shè)計(jì)流程

本文將詳細(xì)闡述如何制作一個(gè)屬于自己的文字字體庫(kù)，即如何設(shè)計(jì)制作一個(gè)包含不同文字輪廓數(shù)據(jù)的TTF/OTF文件，其關(guān)鍵步驟如下：

第一，字形的設(shè)計(jì)。字形設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，是對(duì)字體庫(kù)中每一個(gè)字符進(jìn)行字形設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)出每個(gè)字符的輪廓。人們?cè)谠O(shè)計(jì)字形時(shí)通常會(huì)使用專業(yè)的字形設(shè)計(jì)軟件，如Glyphs、FontLab等，但本文采用一種基于貝塞爾曲線的、相對(duì)獨(dú)立的字形設(shè)計(jì)方式，通過(guò)繪制和調(diào)整貝塞爾曲線，準(zhǔn)確描述每個(gè)字符的形狀和細(xì)節(jié)，此方法將在下文詳細(xì)介紹。

第二，文字的編碼。在設(shè)計(jì)字形之前，需先確定所使用的字符集和字符編碼，例如ASCII字符集或Unicode編碼，這由所要設(shè)計(jì)的字符數(shù)量決定。然后，為每個(gè)字符在字體文件中分配一個(gè)唯一的字符編碼，使得設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)該編碼快速索引至該字符的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

第三，字體的生成與測(cè)試。完成字形設(shè)計(jì)和編碼后，將這些字體數(shù)據(jù)封裝為TTF或OTF格式的字體文件。生成字體文件的同時(shí)，配置相應(yīng)的參數(shù)，以獲取所需的字體文件。最后，對(duì)生成的字體庫(kù)進(jìn)行全面的測(cè)試，以確保字符的形狀、大小、比例和各項(xiàng)配置正確，確保字符之間的間距和對(duì)齊符合預(yù)期，同時(shí)，也要檢查字形在不同環(huán)境和平臺(tái)上的渲染效果和質(zhì)量。

通過(guò)以上步驟，便可以制作出一個(gè)自己的文字字體庫(kù)。字體設(shè)計(jì)和字體庫(kù)制作需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，下面，筆者將詳細(xì)闡述字體庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

三、字體庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息

在字體庫(kù)中需要保存字符的詳細(xì)信息，以便用戶在字體庫(kù)中索引到該字符后，能夠得到繪制該字體所需的必要數(shù)據(jù)。其中主要包括：

（一）字形信息

TTF文件中保存的和字形有關(guān)的信息具體定義了字符的準(zhǔn)確形狀和詳細(xì)結(jié)構(gòu)，它們是由大量的輪廓數(shù)據(jù)和筆畫(huà)數(shù)據(jù)構(gòu)成，主要是由貝塞爾曲線進(jìn)行描述。具體而言，每一個(gè)漢字都可以描述為一個(gè)筆畫(huà)序列組，而筆畫(huà)又是由若干條曲線段或直線段構(gòu)成的，在對(duì)字形的具體描述中，詳細(xì)記錄了每一個(gè)筆畫(huà)的起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、連接方式和線寬等信息，通過(guò)這些數(shù)據(jù)便能夠準(zhǔn)確地繪制和顯示對(duì)應(yīng)的字符。

（二）編碼信息

每一個(gè)字符都需要一個(gè)唯一的編碼與之對(duì)應(yīng)，從而在繪制文字時(shí)，能夠快速地索引到該文字的詳細(xì)信息。目前使用最廣泛的編碼方式是Unicode編碼，它是一個(gè)在世界范圍內(nèi)通用的標(biāo)準(zhǔn)編碼方式，為全世界幾乎所有的文字、字符都分配了編碼值，具有良好的兼容性和通用性。針對(duì)漢字的索引，每一個(gè)漢字都與一個(gè)唯一的漢字編碼相關(guān)聯(lián)，利用該漢字編碼將漢字與其相對(duì)應(yīng)的字符集相匹配，這通常由一個(gè)名為字形下標(biāo)表的結(jié)構(gòu)完成。字體文件中的字符順序和字符的編碼順序并不一致，所以，需要有字形下標(biāo)表在字體文件中建立從字符編碼到字形數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。這種映射機(jī)制使得文字在不同的環(huán)境中都能被正確地解析和繪制。

（三）字體度量和設(shè)置信息

字體庫(kù)文件中需要確定字體的基本度量值，包括字符間距、字符寬度、字符高度和字體的基線數(shù)據(jù)等信息。漢字在文本中的布局和位置是由這些度量信息決定的，因此，在字體的繪制中同樣需要這些度量值來(lái)計(jì)算字符的間距和行列的間距等屬性。此外，設(shè)置字體信息主要包括設(shè)置字體的粗體、斜體和下劃線等字體樣式，還包括抗鋸齒、字體平滑度等渲染設(shè)置和描邊、陰影等特殊效果設(shè)置。

四、字體輪廓的設(shè)計(jì)方法

字體庫(kù)中的每一個(gè)字符都是由若干直線段和曲線段構(gòu)成。對(duì)于計(jì)算機(jī)繪圖而言，文字雖然是一種特殊的圖形，但其繪制在本質(zhì)上與長(zhǎng)方形、三角形等幾何圖形的繪制無(wú)異。要完成字體庫(kù)的設(shè)計(jì)與制作，首先需要了解一個(gè)文字是如何被繪制出來(lái)的。先介紹直線段的繪制過(guò)程。首先，應(yīng)確定直線段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，根據(jù)直線的一般方程計(jì)算得到該直線的斜率和偏移量，便能夠得到該直線的表達(dá)式。其次，通過(guò)線性插值的方式在直線段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)插入若干個(gè)填充點(diǎn)，并為起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)和填充點(diǎn)填充對(duì)應(yīng)的顏色，便能夠完成一個(gè)直線段的繪制。曲線段的繪制過(guò)程比直線段的繪制過(guò)程更復(fù)雜。除直線外，任意彎曲的曲形弧線都可稱之為曲線。要在計(jì)算機(jī)中繪制一段曲線，首先需要得到曲線精確的數(shù)學(xué)描述。在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，最常見(jiàn)的曲線描述方式就是貝塞爾曲線。貝塞爾曲線是一種數(shù)學(xué)曲線，其本質(zhì)是利用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述平滑的曲線和路徑，該曲線由所有滿足該表達(dá)式的二維坐標(biāo)點(diǎn)組成[1]。一階貝塞爾曲線可表示直線，二階及以上的貝賽爾曲線可表示各種曲線。貝塞爾曲線的階數(shù)越高，其所描述的曲線就越精確，所表示的曲線越復(fù)雜，但同時(shí)會(huì)增加計(jì)算資源的消耗[2]。

對(duì)于普通文字的繪制，二階和三階貝塞爾曲線即可滿足需求。二階貝塞爾曲線可由式（1）表示為：

B（t）=（1-t）2 P0+2t （1-t）P1+t2P2" " " " " " " "（1）

其中，P0、P1和P2是控制點(diǎn)，分別表示曲線的起始點(diǎn)、控制點(diǎn)和終點(diǎn)。想要繪制目標(biāo)曲線，可通過(guò)修改貝塞爾曲線的起始點(diǎn)、終點(diǎn)和控制點(diǎn)的參數(shù)輕松實(shí)現(xiàn)。貝塞爾曲線擁有一套獨(dú)特的路徑描述方法，由操作碼加坐標(biāo)點(diǎn)的形式表現(xiàn)，如“M 0 0”表示將當(dāng)前繪圖的起始點(diǎn)更改至坐標(biāo)點(diǎn)（0， 0）處；“L 10 0”表示將當(dāng)前點(diǎn)用直線連接至坐標(biāo)點(diǎn)（10， 0）處。

曲線的設(shè)計(jì)主要有兩種方式。第一種是通過(guò)在SVG文件中，通過(guò)文本輸入的方式，利用貝塞爾曲線的操作碼完成圖形的生成。例如，想要繪制“王”字，可以首先使用命令“M 0 0”將繪圖的起始點(diǎn)移動(dòng)到坐標(biāo)（0， 0）處，然后使用命令“L 10 0”將起始點(diǎn)（0，0）與終點(diǎn)（10， 0）以直線連接，并配置繪制顏色為黑色，設(shè)置繪制線寬為1，由此便能夠繪制出一條長(zhǎng)度為10個(gè)單位的水平直線，完成王字第一橫的繪制；接下來(lái)，用指令“M 2 5”將當(dāng)前繪制點(diǎn)移動(dòng)至坐標(biāo)點(diǎn)（2， 5）處，再使用指令“L 8 5”繪制出一條以坐標(biāo)點(diǎn)（2， 5）為起始點(diǎn)、以坐標(biāo)點(diǎn)（8， 5）為終止點(diǎn)的直線段，即為王字的第二橫；緊接著，使用指令“M 5 0”將當(dāng)前繪制點(diǎn)移動(dòng)至坐標(biāo)點(diǎn)（5， 0）處，然后用指令“L 5 10”繪制出一條以（5， 0）為起點(diǎn)、以（5， 10）為終點(diǎn)的豎線，為“王”字中的豎筆。通過(guò)上述方法可完成對(duì)“王”字的繪制。用這種繪制方法繪制出的字體橫筆、豎筆粗細(xì)相同，沒(méi)有書(shū)法字體的頓挫感，也缺失了筆鋒和筆力，字體并不美觀。要繪制具有設(shè)計(jì)感的書(shū)法字體，需要了解數(shù)學(xué)意義上的直線段與計(jì)算機(jī)圖像中的線段的區(qū)別。在數(shù)學(xué)中，一條線段僅由兩個(gè)端點(diǎn)描述，并不存在直線段自身寬度的定義。但在計(jì)算機(jī)圖像中，存在諸如“繪制出一條長(zhǎng)度為10個(gè)單位、寬度為2個(gè)單位的直線”的操作，這個(gè)圖形在本質(zhì)上并不是一條直線段，而是一個(gè)寬為2個(gè)單位、長(zhǎng)為10個(gè)單位的矩形。但由于長(zhǎng)寬的比例懸殊，在視覺(jué)上人們會(huì)認(rèn)為它是一條直線段。對(duì)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)也是這樣。在數(shù)學(xué)中，點(diǎn)表示一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，沒(méi)有形狀和大小。而在書(shū)法字體中，點(diǎn)更像是水滴的形狀。對(duì)點(diǎn)的繪制可由一個(gè)尖角和一段圓弧拼接而成，并將這個(gè)幾何圖形內(nèi)部填充上顏色。因此，要繪制形狀優(yōu)美的字體，需要用貝塞爾曲線描述每一個(gè)筆畫(huà)的外輪廓，然后再在其內(nèi)部填充上顏色。這樣，就能夠準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出每一個(gè)筆畫(huà)的起筆形狀、筆畫(huà)粗細(xì)和收筆形狀，使得字體擁有設(shè)計(jì)感。

第二種設(shè)計(jì)方法是在貝塞爾曲線的可視化界面上，通過(guò)用鼠標(biāo)直接對(duì)每一個(gè)筆畫(huà)進(jìn)行拖拽的方式完成設(shè)計(jì)和修改。如要繪制一撇，首先選擇貝塞爾曲線的類型階數(shù)、起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。一個(gè)三階貝塞爾曲線存在兩個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)改變控制點(diǎn)的位置可改變曲線的彎曲程度，并能直觀地展現(xiàn)曲線形狀的變化。相較于編程式的字體設(shè)計(jì)方式，交互式的曲線設(shè)計(jì)更為直觀和方便。

五、字符的索引方法

完成所有文字的字形設(shè)計(jì)后，需要按照一定的規(guī)則將其存儲(chǔ)起來(lái)，目的在于當(dāng)在繪制或是顯示具體的某一個(gè)字符時(shí)能快速地檢索出其字形數(shù)據(jù)，因此，對(duì)文字的合理編碼顯得十分重要。英文字母及字符的數(shù)量大約在一百到兩百之間，最原始的ASCII（American Standard Code for Information Interchange）編碼方式即能滿足需求。ASCII是計(jì)算機(jī)中最早且十分完善的字符編碼解決方案，利用七位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍定義了最基本的128個(gè)字符，成為計(jì)算機(jī)之間信息交換的標(biāo)準(zhǔn)[3]。在英文字符的字體庫(kù)中，采用ASCII編碼即能夠滿足字體索引需求，但漢字總數(shù)量超過(guò)10萬(wàn)，常用漢字?jǐn)?shù)量大約在3000字左右，需要索引范圍更大的編碼方式對(duì)其進(jìn)行索引。

20世紀(jì)80年代，為了兼容大量不同的字符集，收納包括漢字、阿拉伯字母在內(nèi)的數(shù)量巨大的字符和符號(hào)，以IBM公司為首，聯(lián)合數(shù)家主要公司和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)，共同建立了一個(gè)名為“Unicode”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。Unicode編碼的優(yōu)勢(shì)在于，一方面，它給每一個(gè)字符提供了唯一的編碼，且在不同的平臺(tái)上的編碼具有一致性；另一方面，Unicode編碼兼容了大量的字符編碼方案，收集了幾乎所有的字體數(shù)據(jù)，并且具有良好的可擴(kuò)展性，支持新字符和符號(hào)的添加。UTF-8是Unicode中最為常見(jiàn)、使用最為廣泛的編碼方式之一，它包含了ASCII字符編碼，是ASCII字符集的擴(kuò)展集。以“U+”開(kāi)頭，與4至6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字組合而成的碼點(diǎn)，為每個(gè)字符提供唯一的標(biāo)識(shí)符。UTF-8在編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采用了可變長(zhǎng)度編碼的方式，即根據(jù)每一個(gè)字符的碼點(diǎn)靈活地選擇1字節(jié)至4字節(jié)的大小進(jìn)行編碼操作，最大內(nèi)存的4字節(jié)保證了UTF-8編碼能夠?yàn)樽址械乃凶址幋a，而對(duì)于大部分常用文字而言，使用少量字節(jié)即可完成編碼，大大減少了對(duì)內(nèi)存空間的占用。

為了使設(shè)計(jì)的字體庫(kù)能夠共享和推廣，且在其他設(shè)備和環(huán)境下能夠正常使用，需要將設(shè)計(jì)者對(duì)漢字的編碼與Unicode中的編碼相統(tǒng)一。獲取漢字Unicode編碼的方式有很多，如可以訪問(wèn)Unicode官方網(wǎng)站，在其編碼搜索欄對(duì)特定的漢字編碼進(jìn)行搜索，也可以借助第三方庫(kù)，如Freetype庫(kù)獲取漢字的編碼。獲取字體字形數(shù)據(jù)的一般流程為，首先，通過(guò)字符數(shù)據(jù)判斷其所占的字節(jié)數(shù)，判斷方法具體為：如果該字符首字節(jié)的最高位數(shù)值為0，則該字符是單字節(jié)的UTF-8編碼；如果該字符首字節(jié)的最高位數(shù)值為1，并且相鄰低字節(jié)的最高位數(shù)值同樣為1，則該字符是多個(gè)字節(jié)的UTF-8編碼；在多字節(jié)UTF-8編碼的數(shù)據(jù)中，最高字節(jié)中的連續(xù)高位數(shù)值為1的個(gè)數(shù)為字符編碼的字節(jié)數(shù)；其后的字節(jié)最高位為“10”，以便和首字節(jié)的前綴區(qū)分。例如，單字節(jié)字符的UTF-8編碼形如“0xxxxxxx”，其中“x”代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編碼位；兩字節(jié)字符的UTF-8編碼形如“110xxxxx 10xxxxxx”；三字節(jié)字符的UTF-8編碼形如“1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”；四字節(jié)字符的UTF-8編碼形如“11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”。在處理多個(gè)字符構(gòu)成的字符串?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，清楚地知道每一個(gè)字符的字節(jié)數(shù)有助于合理地分配內(nèi)存空間，也能夠幫助設(shè)計(jì)者確定字符串的長(zhǎng)度，以便在字符串操作中提供正確的邊界信息。因此，利用上述編碼規(guī)則準(zhǔn)確地獲取字符字節(jié)數(shù)據(jù)十分重要。得到字符的編碼信息后，通過(guò)碼點(diǎn)索引到字體庫(kù)中對(duì)應(yīng)的該字符的詳細(xì)數(shù)據(jù)，如大小、間距和貝塞爾曲線描述的輪廓數(shù)據(jù)等，將這些信息解析后，利用第三方工具（如Openvg）將文字繪制出來(lái)，從而使得設(shè)計(jì)的字體能夠得以顯示。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種相對(duì)獨(dú)立的文字字體設(shè)計(jì)方案。通過(guò)利用貝塞爾曲線設(shè)計(jì)和修改字體的輪廓和結(jié)構(gòu)，并使用Unicode為每個(gè)字符進(jìn)行編碼，結(jié)合字體度量和相關(guān)信息生成個(gè)性化的字體庫(kù)文件。通過(guò)這種方法，用戶能夠輕松且靈活地設(shè)計(jì)自己的字體庫(kù)。這一方案將為字體設(shè)計(jì)的發(fā)展和個(gè)性化實(shí)現(xiàn)提供更多可能。

作者單位：顧多瑞 甘肅省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站張掖監(jiān)測(cè)站

參考文獻(xiàn)

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