Xft字體庫：體系結(jié)構(gòu)及用戶指南
2024-07-21 02:36:59
供稿：網(wǎng)友
摘要
X渲染擴展（X Render Extension）提供了一個新的基于客戶方字形（glyph）和字體治理的字形渲染體系結(jié)構(gòu)。這個擴展設(shè)計在解決了許多相關(guān)技術(shù)難題的同時，也把光柵化字體、配置字體以及定制字體使用的責(zé)任交給了每一個X客戶程序。
編寫Xft庫是為了給X應(yīng)用程序提供一個能訪問FreeType字體光柵化引擎和X渲染擴展的、便于使用的接口，鑒于FreeType沒有提供配置和定制字體的功能，Xft也擔(dān)負了這一任務(wù)。Xft提供了新的字體命名約定、復(fù)雜而精密的字體匹配和選擇機制，并對相關(guān)功能進行充分的抽象，從而使得一般應(yīng)用程序既能夠從使用X渲染擴展的文本輸出獲得益處，又能在不支持這一擴展的X服務(wù)器上正常工作。
1 引言
X渲染擴展[Pac01]把訪問字體文件和生成字形圖像的功能從X服務(wù)器移到了X客戶一方。采用客戶方字形治理的X應(yīng)用程序在以下幾個方面有優(yōu)勢：可以訪問字體文件的所有細節(jié)，應(yīng)用程序可以指定特有字體，漸增的光柵化處理（incremental rasterization），并且有可能與其他部件共享字體，例如打印機。此外，鑒于底層的渲染機制基于圖像而非字形，字形的光柵化技術(shù)、乃至字體文件格式本身都不再依靠于X服務(wù)器的能力，所以現(xiàn)在新字體技術(shù)的集成速度可以跟得上獨立應(yīng)用程序的開發(fā)，而不必遙遙無期地等待新的X服務(wù)器增強技術(shù)。
當(dāng)X服務(wù)器不再負責(zé)治理字體文件的訪問和字形生成，就需要一個新的函數(shù)庫在客戶方完成相應(yīng)的任務(wù)。由于X渲染擴展在設(shè)計上支持消鋸齒（anti-aliased）圖形，這個新的函數(shù)庫需要支持高質(zhì)量的消鋸齒字形光柵化。
FreeType項目[TT00]開發(fā)了一個完整的字體光柵化引擎，不僅支持大多數(shù)輪廓字體格式，還支持標(biāo)準(zhǔn)的X PCF位圖字體，X渲染擴展接收字形圖像并使之在屏幕上顯現(xiàn)。為了讓應(yīng)用程序能在屏幕上顯現(xiàn)高質(zhì)量的文本，所需要做的就是在FreeType和X渲染擴展之間放置一層薄薄的“粘合”代碼。
對于不支持渲染擴展的X服務(wù)器，這個函數(shù)庫還需要提供訪問“核心”字體（使用原始X核心協(xié)議訪問的字體）的能力，這就使得應(yīng)用程序能在轉(zhuǎn)向新函數(shù)庫時仍然支持老式X服務(wù)器。
FreeType庫沒有指定如何定位字體文件，而是需要應(yīng)用程序提供字體文件名，這就把配置和定制可用字體集合的負擔(dān)放在了FreeType庫以外，因此，這個新的“粘合”層也需要提供一些配置功能以便在桌面環(huán)境中應(yīng)用。
2 X渲染擴展字形治理
X渲染擴展提出了幾個簡單抽象供給用程序治理字形。每個Glyph結(jié)構(gòu)包括一個覆蓋字形外形的alpha掩碼（一個描述不透明值的矩形映象）、從alpha掩碼原點到名義字符原點的偏移量、到下一字形的位移（包括垂直和水平的偏移量），GlyphSet結(jié)構(gòu)則包含了一個字形結(jié)構(gòu)的集合，應(yīng)用程序使用一個32位的索引對字形集進行編號。
應(yīng)用程序繪制文本時，把一個GlyphSet標(biāo)識符以及一系列針對該GlyphSet的索引發(fā)送到X服務(wù)器，X服務(wù)器通過對指定位置使用字形結(jié)構(gòu)中的偏移量調(diào)整確定繪制位置，并渲染alpha掩碼來完成對每個字形的處理，后續(xù)字形的繪制位置則是通過在當(dāng)前原點加上位移向量實現(xiàn)。正如X核心協(xié)議中的PolyText請求，在同一個請求中可以對字形序列作出調(diào)整位置、改變GlyphSet等變動，從而使得一個復(fù)雜的字符串在一次操作中完成渲染。
為了覆蓋世界上更多的民族，操作系統(tǒng)支持的語言和區(qū)域集合不斷擴展，伴隨這種擴展，大多數(shù)字體中包含的字形數(shù)也大大增加，當(dāng)今流行的輪廓字體中會包含幾千個字形。十多年前，漸增式渲染字形被看作一種合理的優(yōu)化，現(xiàn)在已成為各種字體機制中的基本組成部分，以盡可能減少每種字體占用的內(nèi)存，并縮短訪問一種新字體時所需的時間。X渲染擴展通過答應(yīng)在需要時把一個Glyph加入已存在的GlyphSet，提供了這種漸增式渲染支持。由于在添加Glyph的過程中沒有任何從X服務(wù)器到X客戶的信息流，這一過程可以完全異步進行。這種異步性保證了即使面對一個高網(wǎng)絡(luò)延遲的環(huán)境，仍有可接受的性能表現(xiàn)。
當(dāng)應(yīng)用程序傳送它們需要顯示的字形圖像時，X服務(wù)器通過在任何可能情況下共享相同字形來節(jié)省內(nèi)存。
3 FreeType庫
FreeType項目的初衷是要構(gòu)建一個自由的TrueType字體光柵化器。FreeType的第一版提供了與現(xiàn)有系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量TrueType光柵化器，F(xiàn)reeType的第二版對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了一般化以支持更多字體格式，除了支持Type-1、OpenType和CID等眾多輪廓字體格式，F(xiàn)reeType現(xiàn)在還支持X的標(biāo)準(zhǔn)PCF格式（可移植編譯格式）的位圖字體。
FreeType不僅提供光柵化以及度量字形的接口，還提供存取字體文件內(nèi)各種形式的字距調(diào)整和字形替換等表格的機制。這就在基礎(chǔ)字體含有相應(yīng)表格的前提下，使應(yīng)用程序能夠獲得在各種區(qū)域中定位字形所必需的數(shù)據(jù)。
既然FreeType項目明確地要構(gòu)建一個通用的字體函數(shù)庫，在XFree86開發(fā)一個新函數(shù)庫的負擔(dān)就可以大大減輕，因為可以直接采用現(xiàn)有系統(tǒng)，并提供“粘合代碼”改變FreeType數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使之使用X渲染擴展的要求。這固然使得應(yīng)用程序需要面對FreeType函數(shù)庫可能的變化，但考慮到FreeType是一個成熟的項目，相對于完全由XFree86開發(fā)一個新函數(shù)庫的情形，這種變化的嚴重性大概會輕很多。
字體命名和配置不屬于FreeType函數(shù)庫，這些“雜務(wù)”交給了應(yīng)用程序?？紤]到FreeType應(yīng)用于各種環(huán)境，有些甚至沒有文件系統(tǒng)，為保證FreeType得到最大程度應(yīng)用并獨立于系統(tǒng)策略，這種設(shè)計思想是適當(dāng)?shù)摹?br> 提供這些支持成為Xft實現(xiàn)中最困難的部分，并且其中一部分可能很快就被替換。
4 XLFD命名
X核心協(xié)議規(guī)定了用非結(jié)構(gòu)化字符串命名字體的方法，X邏輯字體描述（XLFD）[SG92]用于在字符串名格式中加入結(jié)構(gòu)信息。在開發(fā)X時，用于桌面計算的輪廓字體還是一個相對新奇的事務(wù)，所以X核心協(xié)議和XLFD都是基于位圖字體設(shè)計的，當(dāng)圍繞縮放字體命名的語法和語義加入XLFD時，基于XLFD的開發(fā)已經(jīng)進行了相當(dāng)長的時期。
XLFD中字體命名語法的意圖在于僅通過名字就可以向應(yīng)用程序提供足夠的字體信息，這樣就可以在不訪問字體數(shù)據(jù)情況下，進行字體選擇和字體列表表示。
XLFD還提供了使用包含“?”和“*”的名字打開字體的標(biāo)準(zhǔn)策略，使用這類名字時，選中的字體將是第一個匹配的字體，即使用相同模式請求列出字體時返回的第一個。不幸的是，X服務(wù)器保存字體名時為了高效搜索，會在各字體目錄中進行內(nèi)部排序，所以不能保證“*”的默認值是合理的。例如，當(dāng)在字體名的weight字段使用“*”時，X服務(wù)器會把bold字體列在normal字體之前。
這個策略真正失敗之處在從point（點值）尺寸到pixel（像素）尺寸的映射。XLFD在字體名中分別提供了兩個軸向上的pixel尺寸、point尺寸和resolution（解析度），標(biāo)準(zhǔn)的X字體按照解析度分別存放，“75dpi”和“100dpi”下各自存放著與該解析度匹配的各種點值尺寸的字體，其他字體目錄下一般是為了在75dpi屏幕光柵化。
協(xié)議指導(dǎo)X服務(wù)器按照在字體路徑（譯注：font path，應(yīng)指配置文件中相應(yīng)節(jié)）中出現(xiàn)的順序去搜索字體目錄，這就使字體路徑?jīng)Q定了對解析度的傾向性。假如100dpi的目錄列在前面，當(dāng)應(yīng)用程序在字體名的resolution字段用“*”時，只要在100dpi目錄下存在匹配字體就會使用該字體，否則才去嘗試75dpi的字體。
應(yīng)用程序假如在字體名中僅指定point尺寸，而在resolution字段使用“*”，那么最終將會得到一組隨即尺寸的字體：那些在100dpi目錄下發(fā)現(xiàn)的字體按照100dpi屏幕光柵化，其他字體則按照75dpi屏幕光柵化從而會顯得小一些。
最終的結(jié)果是XLFD的字體匹配布滿了危險，應(yīng)用程序經(jīng)常列出所有可用字體（作出選擇）然后提交完整XLFD字體名（譯注：不含“?”和“*”）給X服務(wù)器。
XLFD的另一個問題是在字體名中包含了字形的平均寬度字段。對于需要在不同總體寬度的字體中進行選擇的應(yīng)用程序而言，這是個非常有用的信息，而且對位圖字體也很輕易計算。但是對輪廓字體，除非在指定尺寸下對每個字形進行光柵化計算，該字段值不能算出。僅僅列出一個特定尺寸下所有的可用字體就會導(dǎo)致光柵化每一個字體的每一個字形。
XLFD提供了關(guān)于可用字體的有用信息，出列平均寬度，這些信息都是輕易計算并交付應(yīng)用程序的。使用XLFD的應(yīng)用程序應(yīng)該在本地治理XLFD字體名，而不要依靠服務(wù)器方字體匹配，也就是通過列出可用字體收集信息，再利用這些信息構(gòu)造完整字體名。
鑒于XLFD沒有提供一種按照語義匹配的合理方案，需要有新方案答應(yīng)在應(yīng)用程序給定一組約束情況下，基礎(chǔ)的字體系統(tǒng)能夠定位一個適當(dāng)?shù)淖煮w。這樣的系統(tǒng)需要有足夠的靈活性以便能夠包含現(xiàn)在不能預(yù)料的新字體特性，也不需要應(yīng)用程序完全指定字體的方方面面。
5 設(shè)計一個新函數(shù)庫
Xft在三個方面與環(huán)境交互：通過編程接口與應(yīng)用程序交互，通過配置文件與系統(tǒng)交互，通過讓用戶指定字體名與用戶交互。雖然這三方面在函數(shù)庫中緊密相關(guān)，但從設(shè)計角度來說，它們是分離的。
5.1 應(yīng)用程序接口設(shè)計
Xft的首要目標(biāo)是把FreeType的輸出和X渲染擴展結(jié)合起來，但是，為了Xft能作為現(xiàn)有的Xlib文本輸出例程的替代物而被人接受，其次要目標(biāo)包括支持核心X字體，盡管這樣做可能以損失應(yīng)用程序功能為代價。
由于FreeType不提供字體選擇功能，所以Xft的一部分要進行字體匹配。采用現(xiàn)有的XLFD機制會極大地限制字體匹配地能力，所以Xft提出了一種新格式。這種選擇機制被設(shè)計為總能匹配某種字體，答應(yīng)應(yīng)用程序假設(shè)適當(dāng)?shù)刈煮w存在，避免在每個級別上都要考慮失敗回落。
另一個要求是函數(shù)庫要提供
