Растеризация шрифтов: от векторной графики к растровому изображению.

Введение

Растеризация шрифтов — это процесс преобразования текста из векторного представления (например, в масштабируемых шрифтах, таких как TrueType) в растровое или битовое изображение. Этот процесс часто включает в себя сглаживание текста на экране для повышения его четкости и удобочитаемости. Также он может включать в себя хинтинг — информацию, встроенную в данные шрифта, которая оптимизирует детали отображения для конкретных размеров символов.

Виды растрирования

Самая простая форма растрирования — это простое рисование линий без какого-либо сглаживания. В терминологии Microsoft это называется биуровневым (и более распространенным "черно-белым") рендерингом, поскольку для отрисовки глифов не используются промежуточные оттенки серого. (Фактически, любые два цвета могут использоваться в качестве переднего и фонового.) Эта форма рендеринга также называется "алиасинговым" или "зубчатым". В качестве типичного примера, все версии Microsoft Windows до Windows 95 (например, Windows 3.1) предоставляли только этот тип встроенного растрировщика. Более сложный подход — использовать стандартные методы сглаживания из компьютерной графики. Это можно представить как определение для каждого пикселя на границах символа, какую часть этого пикселя занимает символ, и отрисовку этого пикселя с соответствующей степенью прозрачности. Например, при отрисовке черной (000000) буквы на белом (FFFFFF) фоне, если пиксель должен быть заполнен наполовину (например, диагональной линией от угла к углу), он отрисовывается 50% серым (BCBCBC). Чрезмерное упрощение этой процедуры может привести к размытым глифам. Например, если буква содержит вертикальную линию шириной в один пиксель, но она приходится ровно между двумя пикселями, на экране она отображается как серая линия шириной в два пикселя. Эта размытость жертвует четкостью ради точности. Однако современные системы часто принудительно выравнивают линии по целочисленным координатам пикселей, что делает глифы более четкими, но также делает линии немного шире или тоньше, чем они выглядели бы на бумаге. Большинство компьютерных дисплеев имеют пиксели, состоящие из нескольких субпикселей (обычно по одному для красного, зеленого и синего, которые комбинируются для получения полного спектра цветов). В некоторых случаях, особенно с жидкокристаллическими дисплеями, можно использовать это, выполняя рендеринг в субпиксельном разрешении, а не используя целые пиксели, что может увеличить эффективное разрешение экрана. Это обычно известно как субпиксельный рендеринг. Одной из запатентованных реализаций субпиксельного рендеринга является ClearType от Microsoft.

The simplest form of rasterization is simple line drawing with no anti aliasing of any kind. In Microsoft's terminology, this is called bi level (and more popularly "black and white") rendering because no intermediate shades (of gray) are used to draw the glyphs. (In fact, any two colors can be used as foreground and background.) This form of rendering is also called aliased or "jagged". As a prototypical example, all versions of Microsoft Windows prior to Windows 95 (e. g. Windows 3.1) only provided this type of built in rasterizer. A more complicated approach is to use standard anti aliasing techniques from computer graphics. This can be thought of as determining, for each pixel at the edges of the character, how much of that pixel the character occupies, and drawing that pixel with that degree of opacity. For example, when drawing a black (000000) letter on a white (FFFFFF) background, if a pixel ideally should be half filled (perhaps by a diagonal line from corner to corner) it is drawn 50% gray (BCBCBC). Over simple application of this procedure can produce blurry glyphs. For example, if the letter includes a vertical line that should be one pixel wide but falls exactly between two pixels, it appears on screen as a two pixel wide gray line. This blurriness trades clarity for accuracy. However, modern systems often force lines to fall within integral pixel coordinates, which makes glyphs look sharper, but also makes lines slightly wider or thinner than they would have looked on a printed sheet of paper. Most computer displays have pixels made up of multiple subpixels (typically one each for red, green, and blue, which are combined to produce the full range of colours). In some cases, particularly with flat panel displays, it is possible to exploit this by rendering at the subpixel resolution rather than using whole pixels, which can increase the effective resolution of the screen. This is generally known as subpixel rendering. One proprietary implementation of subpixel rendering is Microsoft's ClearType.

В настоящее время используемые растрирующие системы

В современных операционных системах растризация обычно обеспечивается общей библиотекой, используемой многими приложениями. Такая общая библиотека может быть встроена в операционную систему или окружение рабочего стола, либо добавлена позднее. В принципе, каждое приложение может использовать собственную библиотеку растризации шрифтов, но на практике большинство систем стремятся к стандартизации на одной библиотеке. Microsoft Windows поддерживает субпиксельный рендеринг начиная с Windows XP. С другой стороны, стандартный растризатор Microsoft без ClearType – пример системы, приоритезирующей четкость, задуманную дизайнером шрифта; принудительно выравнивая текст по целочисленным координатам, следуя указаниям по хинтингу, и даже отключая сглаживание для определенных шрифтов при определенных размерах, в соответствии с данными таблицы GASP, он облегчает чтение на экране, но может выглядеть несколько иначе при печати. Это изменилось с выпуском Direct2D/DirectWrite в Windows 7 и обновлением платформы Windows Vista, что позволило позиционировать текст с точностью до 1/16 пикселя. Quartz в Mac OS X отличается использованием субпиксельного позиционирования; он не принуждает глифы к точным пиксельным координатам, а вместо этого использует различные методы сглаживания, включая субпиксельный рендеринг, для позиционирования символов и линий, чтобы они отклонялись от задуманного дизайнером хинтинга и приближались к исходному контуру. В результате изображение на экране очень похоже на печатный вывод, но иногда может быть трудно читать при малых кеглях. Начиная с macOS Mojave, рендерер Quartz отказался от субпиксельного рендеринга, полагаясь исключительно на антиалиазинг в оттенках серого. Это изменение приемлемо для HiDPI-экранов "Retina", но затрудняет чтение текста на внешних мониторах. Большинство других систем используют библиотеку FreeType, которая, в зависимости от настроек, может занимать промежуточное положение между реализациями Microsoft и Apple; она поддерживает хинтинг и антиалиазинг, а также опционально выполняет субпиксельный рендеринг и позиционирование. FreeType также предлагает некоторые функции, отсутствующие в обеих реализациях, такие как цветосбалансированный субпиксельный рендеринг и гамма-коррекция. Приложения также могут использовать собственные решения для рендеринга шрифтов. Графические фреймворки, такие как Skia Graphics Engine (используемый Google Chrome), иногда используют собственный рендерер шрифтов. Видеоиграм и другим 3D-приложениям могут потребоваться более быстрые рендереры на основе GPU, такие как различные рендереры на основе SDF и "Slug".

In modern operating systems, rasterization is normally provided by a shared library common to many applications. Such a shared library may be built into the operating system or the desktop environment, or may be added later. In principle, each application may use a different font rasterization library, but in practice most systems attempt to standardize on a single library. Microsoft Windows has supported subpixel rendering since Windows XP. On the other hand, the standard Microsoft rasterizer without ClearType is an example of one that prioritizes type designer's intent of clarity; by forcing text into integral coordinate positions, following the type designer's intent of hinting, and even not antialiasing certain fonts at certain sizes, following the type designer's intent of the gasp table, it becomes easier to read on the screen, but may appear somewhat different when printed. This has changed with Direct2D/DirectWrite shipping on Windows 7 and Windows Vista platform update, allowing subpixel text positioning to 1/16 pixel sizes. Mac OS X's Quartz is distinguished by the use of subpixel positioning; it does not force glyphs into exact pixel locations, instead using various antialiasing techniques, including subpixel rendering, to position characters and lines to appear further from the type designer's intent of hinting and closer to the original outline. The result is that the on screen display looks extremely similar to printed output, but can occasionally be difficult to read at smaller point sizes. The Quartz renderer has, since macOS Mojave, removed subpixel rendering, relying purely on greyscale anti aliasing instead. This change is acceptable to HiDPI "retina" screens, but makes text on external monitors harder to read. Most other systems use the FreeType library, which depending on the settings, can fall anywhere between Microsoft's and Apple's implementations; it supports hinting and anti aliasing, and optionally performs subpixel rendering and positioning. FreeType also offers some features not present in either implementation such as color balanced subpixel rendering and gamma correction. Applications may also bring their own font rendering solutions. Graphics frameworks like Skia Graphics Engine (used by Google Chrome) occasionally use their own font renderer. Video games and other 3D applications may also need faster, GPU based renderers such as various SDF based renderers and "Slug".