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OpenGL ES 利用 FreeType 渲染中文字体

OpenGL ES 利用 FreeType 渲染中文字体

作者: 字节流动 | 来源:发表于2021-07-04 14:41 被阅读0次
    OpenGL ES 文字渲染进阶--渲染中文字体

    旧文 OpenGL ES 文字渲染方式有几种? 一文中分别介绍了 OpenGL 利用 Canvas 和 FreeType 绘制文字的方法。 无论采用哪种方式进行渲染,本质上原理都是纹理贴图:将带有文字的图像上传到纹理,然后进行贴图。

    渲染中文字体

    利用 Canvas 绘制中文字体和绘制其他字体在操作方式上没有区别,但是使用 FreeType 绘制中文字体,在编码方式、加载方式以及字体属性上面会有一些坑要踩,这里本人已经踩过,将在本文中分享给各位读者大人。

    关于 FreeType 前文已经进行了详细的介绍,它是一个基于 C 语言实现的用于文字渲染的跨平台开源库,它小巧、高效、高度可定制,主要用于加载字体并将其渲染到位图,支持多种字体的相关操作。

    TrueType 字体不采用像素或其他不可缩放的方式来定义,而是一些通过数学公式(曲线的组合)。这些字形,类似于矢量图像,可以根据你需要的字体大小来生成像素图像。

    FreeType 官网地址:

    https://www.freetype.org/
    

    关于 FreeType 开源库多个平台的编译方法,同样请参考旧文 OpenGL ES 文字渲染方式有几种? ,这里不再重复讲述。

    使用 FreeType 渲染中文和英文字符在流程上基本一致,都是根据字符的编码值来加载位图,然后上传纹理。

    与 ASCII 码不同的是,中文字符采用 2 字节的 Unicode 编码,所以加载字体之前,首先需要设置编码类型:

    FT_Select_Charmap(face, ft_encoding_unicode);
    

    另外,中文字符串需要采用宽字符 wchar_t 。

    FreeType 加载中文字符位图需要,先根据 Unicode 编码值查询位图的索引,然后根据索引获取到 FreeType 的 Glyph 对象,最后再将 FT_Glyph 转换为 FT_BitmapGlyph 获取到字体的位图。

    加载中文字符串对应位图的代码如下;

    void TextRenderSample::LoadFacesByUnicode(const wchar_t* text, int size) {
        // FreeType
        FT_Library ft;
        // All functions return a value different than 0 whenever an error occurred
        if (FT_Init_FreeType(&ft))
            LOGCATE("TextRenderSample::LoadFacesByUnicode FREETYPE: Could not init FreeType Library");
    
        // Load font as face
        FT_Face face;
        std::string path(DEFAULT_OGL_ASSETS_DIR);
        if (FT_New_Face(ft, (path + "/fonts/msyh.ttc").c_str(), 0, &face))
            LOGCATE("TextRenderSample::LoadFacesByUnicode FREETYPE: Failed to load font");
    
        // Set size to load glyphs as
        FT_Set_Pixel_Sizes(face, 96, 96);
        FT_Select_Charmap(face, ft_encoding_unicode);
    
        glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
    
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            //int index =  FT_Get_Char_Index(face,unicodeArr[i]);
            if (FT_Load_Glyph(face, FT_Get_Char_Index(face, text[i]), FT_LOAD_DEFAULT))
            {
                LOGCATE("TextRenderSample::LoadFacesByUnicode FREETYTPE: Failed to load Glyph");
                continue;
            }
    
            FT_Glyph glyph;
            FT_Get_Glyph(face->glyph, &glyph );
    
            //Convert the glyph to a bitmap.
            FT_Glyph_To_Bitmap(&glyph, ft_render_mode_normal, 0, 1 );
            FT_BitmapGlyph bitmap_glyph = (FT_BitmapGlyph)glyph;
            FT_Bitmap& bitmap = bitmap_glyph->bitmap;
    
            // Generate texture
            GLuint texture;
            glGenTextures(1, &texture);
            glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
            glTexImage2D(
                    GL_TEXTURE_2D,
                    0,
                    GL_LUMINANCE,
                    bitmap.width,
                    bitmap.rows,
                    0,
                    GL_LUMINANCE,
                    GL_UNSIGNED_BYTE,
                    bitmap.buffer
            );
    
            // Set texture options
            glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
            glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
            glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
            glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
            // Now store character for later use
            Character character = {
                    texture,
                    glm::ivec2(face->glyph->bitmap.width, face->glyph->bitmap.rows),
                    glm::ivec2(face->glyph->bitmap_left, face->glyph->bitmap_top),
                    static_cast<GLuint>((glyph->advance.x / MAX_SHORT_VALUE) << 6)
            };
            m_Characters.insert(std::pair<GLint, Character>(text[i], character));
    
        }
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
        // Destroy FreeType once we're finished
        FT_Done_Face(face);
        FT_Done_FreeType(ft);
    }
    

    代码中 glyph->advance.x / MAX_SHORT_VALUE 相当于向右移 16 位,是从 FreeType 官方文档中得出来的结论。

    值得反复强调的地方,针对 OpenGL ES 灰度图要使用的纹理格式是 GL_LUMINANCE 而不是 GL_RED 。

    OpenGL 纹理对应的图像默认要求 4 字节对齐,这里需要设置为 1 ,确保宽度不是 4 倍数的位图(灰度图)能够正常渲染。

    glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
    

    渲染文字使用的 shader :

    //vertex shader
    #version 300 es
    layout(location = 0) in vec4 a_position;// <vec2 pos, vec2 tex>
    uniform mat4 u_MVPMatrix;
    out vec2 v_texCoord;
    void main()
    {
        gl_Position = u_MVPMatrix * vec4(a_position.xy, 0.0, 1.0);;
        v_texCoord = a_position.zw;
    }
    
    //fragment shader
    #version 300 es
    precision mediump float;
    in vec2 v_texCoord;
    layout(location = 0) out vec4 outColor;
    uniform sampler2D s_textTexture;
    uniform vec3 u_textColor;
    
    void main()
    {
        vec4 color = vec4(1.0, 1.0, 1.0, texture(s_textTexture, v_texCoord).r);
        outColor = vec4(u_textColor, 1.0) * color;
    }
    

    片段着色器有两个 uniform 变量:一个是单颜色通道的字形位图纹理,另一个是文字的颜色,我们可以同调整它来改变最终输出的字体颜色。

    开启混合,去掉文字背景。

    glEnable(GL_BLEND);
    glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);  
    

    生成一个 VAO 和一个 VBO ,用于管理的存储顶点、纹理坐标数据,GL_DYNAMIC_DRAW 表示我们后面要使用 glBufferSubData 不断刷新 VBO 的缓存。

    
    glGenVertexArrays(1, &m_VaoId);
    glGenBuffers(1, &m_VboId);
    
    glBindVertexArray(m_VaoId);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboId);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(GLfloat) * 6 * 4, nullptr, GL_DYNAMIC_DRAW);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * sizeof(GLfloat), 0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_NONE);
    glBindVertexArray(GL_NONE);
    

    每个 2D 方块需要 6 个顶点,每个顶点又是由一个 4 维向量(一个纹理坐标和一个顶点坐标)组成,因此我们将VBO 的内存分配为 6*4 个 float 的大小。

    渲染中文字体的函数如下,其中传入 viewport 主要是针对屏幕坐标进行归一化:

    vvoid TextRenderSample::RenderText(const wchar_t *text, int textLen, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat scale,
                                      glm::vec3 color, glm::vec2 viewport) {
        // 激活合适的渲染状态
        glUseProgram(m_ProgramObj);
        glUniform3f(glGetUniformLocation(m_ProgramObj, "u_textColor"), color.x, color.y, color.z);
        glBindVertexArray(m_VaoId);
        GO_CHECK_GL_ERROR();
        x *= viewport.x;
        y *= viewport.y;
        for (int i = 0; i < textLen; ++i)
        {
            Character ch = m_Characters[text[i]];
    
            GLfloat xpos = x + ch.bearing.x * scale;
            GLfloat ypos = y - (ch.size.y - ch.bearing.y) * scale;
    
            xpos /= viewport.x;
            ypos /= viewport.y;
    
            GLfloat w = ch.size.x * scale;
            GLfloat h = ch.size.y * scale;
    
            w /= viewport.x;
            h /= viewport.y;
    
            LOGCATE("TextRenderSample::RenderText [xpos,ypos,w,h]=[%f, %f, %f, %f]", xpos, ypos, w, h);
    
            // 当前字符的VBO
            GLfloat vertices[6][4] = {
                    { xpos,     ypos + h,   0.0, 0.0 },
                    { xpos,     ypos,       0.0, 1.0 },
                    { xpos + w, ypos,       1.0, 1.0 },
    
                    { xpos,     ypos + h,   0.0, 0.0 },
                    { xpos + w, ypos,       1.0, 1.0 },
                    { xpos + w, ypos + h,   1.0, 0.0 }
            };
    
            // 在方块上绘制字形纹理
            glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
            glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ch.textureID);
            glUniform1i(m_SamplerLoc, 0);
            GO_CHECK_GL_ERROR();
            // 更新当前字符的VBO
            glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboId);
            glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(vertices), vertices);
            GO_CHECK_GL_ERROR();
            glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
            // 绘制方块
            glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
            GO_CHECK_GL_ERROR();
            // 更新位置到下一个字形的原点,注意单位是1/64像素
            x += (ch.advance >> 6) * scale; //(2^6 = 64)
        }
        glBindVertexArray(0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    }
    
    

    加载和渲染中文字体:

    static const wchar_t BYTE_FLOW[] = L"OpenES 渲染中文字体";
    
    // 加载中文字体
    LoadFacesByUnicode(BYTE_FLOW, sizeof(BYTE_FLOW)/sizeof(BYTE_FLOW[0]) - 1);
    
    // (x,y)为屏幕坐标系的位置,即原点位于屏幕中心,x(-1.0,1.0), y(-1.0,1.0)
    // 渲染中文字体
    RenderText(BYTE_FLOW, sizeof(BYTE_FLOW)/sizeof(BYTE_FLOW[0]) - 1, -0.9f, -0.2f, 1.0f, glm::vec3(0.7, 0.4f, 0.2f), viewport);
    

    完整实现代码见项目:

    https://github.com/githubhaohao/NDK_OpenGLES_3_0
    

    中文字体渲染效果:


    中文字体渲染效果

    完整实现代码见项目:
    https://github.com/githubhaohao/NDK_OpenGLES_3_0

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