LGVL配合FreeType为可变字体设置字重-模拟器篇

前言

不知道多久前看到了MIUI更新了”动态字体系统“功能,不过当时没太在意(毕竟我用的也不是MIUI,哈哈哈,不过确实挺方便的),演示视频里面展示了随意调节字体粗细的功能,后来知道这个参数叫做字重(zhong第四声).



然后又有一次去Material.io时候,看见了首页的Material You概念视频
手机解锁以后,系统时间的字体由细变粗.和上面MIUI动态字体系统调节字重的时候效果十分相似.



老早就听说了LVGL的大名,但是一直没有行动起来.

后来看见稚晖君的Peak和FASTSHIFT的X-Track, 羡慕极了.
于是决定这次一定要试试LVGL,看看用起来到底是啥感觉.

之前自己搁那瞎捣鼓过一阵子的GUI,结果嘛,结果就是就弃坑了.

这次打算直接上LVGL这种成熟的GUI方案了,而恰好LVGL是支持FreeType的,借助FreeType就可以相对轻松的实现上面的字重动画.

什么是FreeType

FreeType库是一个完全免费（开源）的、高质量的且可移植的字体引擎

目前主流的屏幕均都是由像素点构成,不能直接显示矢量图,所以就需要字体引擎将字体的矢量数据转换为位图数据,然后在屏幕上显示 “点灯” 出来.

Variable Font又是什么

https://www.ifanr.com/1265373
储存轮廓变化数据的可变字体，在初始字形轮廓的基础上自动生成丰富的变化造型，使用户可以自由调整文字的外观。
枯燥的描述不如直接上手体验一下,V-Fonts是一个在线体验可变字体的网站,拖动滑块就可以修改字体在对应轴上的值,即上述的自由调整文字的外观.

准备工作

准备工作的准备工作之先把Visual Studio装了再说

下载LVGL模拟器

本打算再开一篇文章说模拟器安装的,重装的时候才发现原来一键就能安装.

(可能需要科学上网)
直接复制git命令就完事了,下完点击LVGL.Simulator.sln直接启动.

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git clone --recurse-submodules https://github.com/lvgl/lv_sim_visual_studio.git

LVGL.Simulator.sln
启动以后看到lvgl自带的lv_demo_widgets()运行效果.
simluator_glance

为LVGL配置FreeType

得益于lv_sim_visual_studio的完整性,刚才git clone –recurse-submodules时候freetype被一并下载了.
所以现在暂时不需要额外配置什么内容,但是在其他情况下还是需要手动的配置一下LVGL的FreeType支持.(比如在板子上跑freetype的时候)

LVGL内置的FreeType Demo

将LVGL.Simulator.cpp内

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// ----------------------------------
// Demos from lv_examples
// ----------------------------------
lv_demo_widgets();           // ok
// lv_demo_benchmark();
// lv_demo_keypad_encoder();    // ok
// lv_demo_music();             // removed from repository
// lv_demo_printer();           // removed from repository
// lv_demo_stress();            // ok

// ----------------------------------
// LVGL examples
// ----------------------------------

修改为

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// ----------------------------------
// Demos from lv_examples
// ----------------------------------

// lv_demo_widgets();           // ok
// lv_demo_benchmark();
// lv_demo_keypad_encoder();    // ok
// lv_demo_music();             // removed from repository
// lv_demo_printer();           // removed from repository
// lv_demo_stress();            // ok
lv_example_freetype_1();
// ----------------------------------
// LVGL examples
// ----------------------------------

如果一切顺利,点击运行.会看见下图
simluator_glance

下面则是lv_example_freetype_1的内容,我已经为他添加了详luo细suo的中文注释

lv_example_freetype_1.c
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/**
 * 使用FreeType加载字体
 */
void lv_example_freetype_1(void)
{
    /* 创建字体结构体 info */
    static lv_ft_info_t info;
    /* FreeType 使用 C standard 文件系统, 所以不需要盘符 */
    /* 目前程序在Windows上运行, 根目录为LVGL.Simulator.c所在文件夹 */
    // 希望使用的字体的所在位置,即它的路径
    info.name = "./lvgl/examples/libs/freetype/arial.ttf";
    // 希望生成字体的高度, 这里叫作weight感觉挺奇怪的,weight应该是字重的英文
    // [update-2021.12.17] 作者这里是一个失误,但是为了兼容性就没更正
    // [Issues](https://github.com/lvgl/lv_lib_freetype/issues/17)
    info.weight = 24;
    // 字体的风格
    info.style = FT_FONT_STYLE_NORMAL;
    // 字体文件指针
    info.mem = NULL;
    // 初始化字体
    if(!lv_ft_font_init(&info)) {
        LV_LOG_ERROR("create failed.");
    }
    // 为上面的新字体创建一个style
    static lv_style_t style;
    // 初始化style
    lv_style_init(&style);
    // 应用刚才创建的字体到style上
    lv_style_set_text_font(&style, info.font);
    // 设置style的align为居中
    lv_style_set_text_align(&style, LV_TEXT_ALIGN_CENTER);

    // 为上面的style创建一个label以展示
    lv_obj_t * label = lv_label_create(lv_scr_act());
    // 为label添加刚才创建的style
    lv_obj_add_style(label, &style, 0);
    // 设置label的内容为Hello world\nI'm a font created with FreeType
    lv_label_set_text(label, "Hello world\nI'm a font created with FreeType");
    // 居中label
    lv_obj_center(label);
}

迫于arial.ttf不是可变字体,所以我们趁此机会修改一下lv_example_freetype_1中用到的字体,熟悉下使用其他字体的方式.

Archivo-VF.ttf是一款Open Font License的字体
点击这里可以下载Archivo-VF.ttf

将其复制到arial.ttf同级目录,然后修改

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info.name = "./lvgl/examples/libs/freetype/arial.ttf";

为

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info.name = "./lvgl/examples/libs/freetype/Archivo-VF.ttf";

运行结果如下
simluator_glance

字体在线展示

点击这里在线体验ArchivoVF字体的可变属性

ArchivoVF的可变属性如下

  • 最小字重100
  • 最大字重900
  • 最小宽度62
  • 最大宽度125

https://fonts.google.com/specimen/Archivo

拓展LVGL的FreeType支持

由于LVGL目前版本(8.10-dev)还没有内置可变字体参数控制,所以需要我们手动的为其添加这部分内容.

添加支持前,速览下修改可变参数的方式及其啰嗦的注释
(需要使用可变字体进行操作,否则无法正常运行(包括不限于崩溃以及崩溃),测试用的字体文件为Archivo-VF,可在前面一节末尾获取到)

foo.c
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// face的类型为FT_Face
FT_Error error;
FT_MM_Var *amaster = nullptr;
// 获取可变参数
error = FT_Get_MM_Var(face, &amaster);
printf("error %d\n", error);
// 可变参数数量(每一个可变参数被称为一个axis(轴)))
printf("amaster->axis=%d\n", (amaster)->num_axis);
// 注意:上面提供的Archivo-VF文件只有2个可变轴Weight和Width
// 而amaster->axis是一个指向可变轴数组首位数据的指针
// 可变参数的名称id,在font文件内表'name'的id
printf("amaster->axis->strid=%u\n", amaster->axis->strid);
// 可变参数的内置标签
printf("amaster->axis->tag=%lu\n", amaster->axis->tag);
// 可变参数的名称
printf("amaster->axis->name=%s\n", amaster->axis->name);
// 可变参数的默认值
printf("amaster->axis->def=%ld\n", amaster->axis->def);
// 可变参数的最大值 16.16的定点数 amaster->axis->maximum / 65536; // 除以65536转化
printf("amaster->axis->maximum=%ld\n", amaster->axis->maximum);
// 可变参数的最小值 16.16的定点数 amaster->axis->minimum / 65536; // 除以65536转化
printf("amaster->axis->minimum=%ld\n", amaster->axis->minimum);
// 以前为了获得不同粗细的字体,就需要准备字重Thin,Bold,Normal这样不同字重的文件
// 而引入可变字体后,一个字体文件就内置了这些Thin Bold Normal的对应字重.
// 此处储存了当前轴内置默认值的数量
printf("amaster->num_namedstyles=%d\n", amaster->num_namedstyles); // 此处打印2
// 可变参数的内置num_namedstyle值的数组,以字重为例,里面可能存有(100,200,300,400,500,600,700,800,900)
printf("amaster->namedstyle->coords=%ld\n", (signed long) amaster->namedstyle->coords);
FT_Fixed coords[2] = { (amaster->axis)->maximum ,(amaster->axis + 1)->maximum};
printf("amaster->(axis)->maximum=%ld\n", (amaster->axis)->maximum /65536); // 此处打印900,符合前一节的图中字重最大值
printf("amaster->(axis+1)->maximum=%ld\n", (amaster->axis+1)->maximum /65536); // 此处打印125,符合前一节的图中字宽最大值
// 调整可变参数的值,此处将字重和字宽都设置为最大值
error = FT_Set_Var_Design_Coordinates(face,
                                      2, coords);
printf("FT_Set_Var_Design_Coordinates error %d\n", error);
printf("face num_faces: %ld\n", face->num_faces);
// 使用可变参数的内置num_namedstyle
// styleIndex需要小于上述num_namedstyles
// error = FT_Set_Named_Instance(m_face, styleIndex);
// printf("FT_Set_Named_Instance error %d\n", error);
FT_Done_MM_Var(m_library, amaster);

由于目前版本的lvgl(8.1.0-dev)还没有提供相应的API,所以需要手动修改一些地方.
打开lv_freetype.h,修改lv_ft_info_t内容,如下所示

lv_freetype.h
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typedef struct {
    const char * name;  /* The name of the font file */
    lv_font_t * font;   /* point to lvgl font */
    uint16_t weight;    /* font weight */
    uint16_t height;    /* font size */
    uint16_t style;     /* font style */
} lv_ft_info_t;

请注意:

lv_ft_info_t本身就有一个名为weight的uint16_t属性,但是后续被用到了字体的宽高尺寸上,所以现在我们需要添加height取代原来的weight,让weight成为名副其实的weight

推荐先把weight重命名为height,再把后续用到weight的地方改成height,当lv_example_freetype_1又能够成功运行的时候再添加”uint16_t weight;”

lv_font_fmt_ft_dsc_t也要添加字重(weight)
打开lv_freetype.c,修改lv_font_fmt_ft_dsc_t内容,如下所示

lv_freetype.c
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typedef struct {
#if LV_FREETYPE_CACHE_SIZE >= 0
  void *face_id;
#else
  FT_Size size;
#endif
  lv_font_t *font;
  uint16_t style;
  uint16_t height;
  uint16_t weight;
} lv_font_fmt_ft_dsc_t;

这里直接添加”uint16_t weight;”即可

将修改字重的代码添加到lv_freetype.c内get_glyph_dsc_cb_cache中

lv_freetype.c
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static bool get_glyph_dsc_cb_cache(const lv_font_t * font,
                                   lv_font_glyph_dsc_t * dsc_out, uint32_t unicode_letter, uint32_t unicode_letter_next)
{
    LV_UNUSED(unicode_letter_next);
    if(unicode_letter < 0x20) {
        dsc_out->adv_w = 0;
        dsc_out->box_h = 0;
        dsc_out->box_w = 0;
        dsc_out->ofs_x = 0;
        dsc_out->ofs_y = 0;
        dsc_out->bpp = 0;
        return true;
    }

    lv_font_fmt_ft_dsc_t * dsc = (lv_font_fmt_ft_dsc_t *)(font->dsc);

    FTC_FaceID face_id = (FTC_FaceID)dsc->face_id;
    FT_Size face_size;
    struct FTC_ScalerRec_ scaler;
    scaler.face_id = face_id;
    scaler.width = dsc->height;
    scaler.height = dsc->height;
    scaler.pixel = 1;
    if(FTC_Manager_LookupSize(cache_manager, &scaler, &face_size) != 0) {
        return false;
    }

    


    FT_Face face = face_size->face;

    FT_MM_Var* amaster = NULL;
    FT_Error err = FT_Get_MM_Var(face, &amaster);
    if (err) {
        LV_LOG_ERROR("FT_Get_MM_Var error:%d\n", err);
        return err;
    }
    // 别忘记左移16位,还有一件事,我只修改了字重,没修改字宽,所以数组大小是1
    FT_Fixed coords[1] = { dsc->weight<<16 };
    err = FT_Set_Var_Design_Coordinates(face, 1, coords);
    if (err) {
        LV_LOG_ERROR("FT_Set_Var_Design_Coordinates error:%d\n", err);
        return err;
    }
    FT_Done_MM_Var(library, amaster);

    FT_UInt charmap_index = FT_Get_Charmap_Index(face->charmap);
    FT_UInt glyph_index = FTC_CMapCache_Lookup(cmap_cache, face_id, charmap_index, unicode_letter);
    dsc_out->is_placeholder = glyph_index == 0;

    if(dsc->style & FT_FONT_STYLE_ITALIC) {
        FT_Matrix italic_matrix;
        italic_matrix.xx = 1 << 16;
        italic_matrix.xy = 0x5800;
        italic_matrix.yx = 0;
        italic_matrix.yy = 1 << 16;
        FT_Set_Transform(face, &italic_matrix, NULL);
    }

    if(dsc->style & FT_FONT_STYLE_BOLD) {
        current_face = face;
        if(!get_bold_glyph(font, face, glyph_index, dsc_out)) {
            current_face = NULL;
            return false;
        }
        goto end;
    }

    FTC_ImageTypeRec desc_type;
    desc_type.face_id = face_id;
    desc_type.flags = FT_LOAD_RENDER | FT_LOAD_TARGET_NORMAL;
    desc_type.height = dsc->height;
    desc_type.width = dsc->height;

#if LV_FREETYPE_SBIT_CACHE
    FT_Error error = FTC_SBitCache_Lookup(sbit_cache, &desc_type, glyph_index, &sbit, NULL);
    if(error) {
        LV_LOG_ERROR("SBitCache_Lookup error");
        return false;
    }

    dsc_out->adv_w = sbit->xadvance;
    dsc_out->box_h = sbit->height;  /*Height of the bitmap in [px]*/
    dsc_out->box_w = sbit->width;   /*Width of the bitmap in [px]*/
    dsc_out->ofs_x = sbit->left;    /*X offset of the bitmap in [pf]*/
    dsc_out->ofs_y = sbit->top - sbit->height; /*Y offset of the bitmap measured from the as line*/
    dsc_out->bpp = 8;               /*Bit per pixel: 1/2/4/8*/
#else
    FT_Error error = FTC_ImageCache_Lookup(image_cache, &desc_type, glyph_index, &image_glyph, NULL);
    if(error) {
        LV_LOG_ERROR("ImageCache_Lookup error");
        return false;
    }
    if(image_glyph->format != FT_GLYPH_FORMAT_BITMAP) {
        LV_LOG_ERROR("Glyph_To_Bitmap error");
        return false;
    }

    FT_BitmapGlyph glyph_bitmap = (FT_BitmapGlyph)image_glyph;
    dsc_out->adv_w = (glyph_bitmap->root.advance.x >> 16);
    dsc_out->box_h = glyph_bitmap->bitmap.rows;         /*Height of the bitmap in [px]*/
    dsc_out->box_w = glyph_bitmap->bitmap.width;        /*Width of the bitmap in [px]*/
    dsc_out->ofs_x = glyph_bitmap->left;                /*X offset of the bitmap in [pf]*/
    dsc_out->ofs_y = glyph_bitmap->top -
                     glyph_bitmap->bitmap.rows;         /*Y offset of the bitmap measured from the as line*/
    dsc_out->bpp = 8;         /*Bit per pixel: 1/2/4/8*/
#endif

end:
    if((dsc->style & FT_FONT_STYLE_ITALIC) && (unicode_letter_next == '\0')) {
        dsc_out->adv_w = dsc_out->box_w + dsc_out->ofs_x;
    }

    return true;
}

初始化的时候,别忘了lv_ft_font_init_cache时候传递字重信息

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static bool lv_ft_font_init_cache(lv_ft_info_t * info)
{
    lv_font_fmt_ft_dsc_t * dsc = lv_mem_alloc(sizeof(lv_font_fmt_ft_dsc_t));
    if(dsc == NULL) return false;

    dsc->font = lv_mem_alloc(sizeof(lv_font_t));
    if(dsc->font == NULL) {
        lv_mem_free(dsc);
        return false;
    }
    lv_memset_00(dsc->font, sizeof(lv_font_t));
    lv_face_info_t * face_info = NULL;
    face_info = lv_mem_alloc(sizeof(lv_face_info_t) + strlen(info->name) + 1);
    if(face_info == NULL) {
        goto Fail;
    }
    face_info->mem = info->mem;
    face_info->size = info->mem_size;
    face_info->name = ((char *)face_info) + sizeof(lv_face_info_t);
    strcpy(face_info->name, info->name);

    dsc->face_id = face_info;
    dsc->height = info->height;
    dsc->weight = info->weight;
    dsc->style = info->style;

    /* use to get font info */
    FT_Size face_size;
    struct FTC_ScalerRec_ scaler;
    scaler.face_id = (FTC_FaceID)dsc->face_id;
    scaler.width = info->height;
    scaler.height = info->height;
    scaler.pixel = 1;
    FT_Error error = FTC_Manager_LookupSize(cache_manager, &scaler, &face_size);
    if(error) {
        lv_mem_free(face_info);
        LV_LOG_ERROR("Failed to LookupSize");
        goto Fail;
    }

    lv_font_t * font = dsc->font;
    font->dsc = dsc;
    font->get_glyph_dsc = get_glyph_dsc_cb_cache;
    font->get_glyph_bitmap = get_glyph_bitmap_cb_cache;
    font->subpx = LV_FONT_SUBPX_NONE;
    font->line_height = (face_size->face->size->metrics.height >> 6);
    font->base_line = -(face_size->face->size->metrics.descender >> 6);

    FT_Fixed scale = face_size->face->size->metrics.y_scale;
    int8_t thickness = FT_MulFix(scale, face_size->face->underline_thickness) >> 6;
    font->underline_position = FT_MulFix(scale, face_size->face->underline_position) >> 6;
    font->underline_thickness = thickness < 1 ? 1 : thickness;

    /* return to user */
    info->font = font;

    return true;

Fail:
    lv_mem_free(dsc->font);
    lv_mem_free(dsc);
    return false;
}

效果预览

不出意外的话,需要修改的地方已经修改完了,现在回到lv_example_freetype_1上来.初始化info的时候把weight也给初始化了.

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// 由于已经知道了要使用的Archivo-VF最大字重900;
info.weight = 900 ;

然后运行就可以看到字重900的Archivo-VF

下图是在LVGL模拟器上的运行效果。
Weight=900

下集预告

Weight Animation

On ESP32

环境

1
2
3
4
Windows 10 Pro 18363.1556
Microsoft Visual Studio Community 2019 16.6.2
LVGL 8.1.1-dev
FreeType 2.11.0

参考资料

附件

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