Классификация цифровых шрифтов по методу описания

По методу описания цифровые шрифты подразделяются на растровые, штриховые, контурные и алгоритмические.

В реально существующих шрифтах, используемых в издательских системах, наиболее распространены два метода описания шрифтов: растровый и контурный. Некоторое представление о них дают два следующих рисунка (соответственно левый и правый).

Символы растрового шрифта представляются набором точек pacтpa подобно тому, как образуется изображение мозаики. До появления первого принтера с языком PostScript — Apple LaserWriter пользователи персонального компьютера работали только с растровыми (bitmap) шрифтами, которые имели ряд существенных недостатков:

§ поскольку разрешения принтера и экрана сильно отличаются, для них необходимо было иметь разные шрифты;

§ для каждого кегля требовался отдельный растровый шрифт и чем больше был кегль, тем больше места на диске занимал шрифтовой файл;

§ растровые шрифты не допускали поворотов и, следовательно, для документов в альбомном формате требовался отдельный выбор шрифтов.

Битовая карта (bitmap) может быть представлена в виде таблички из нулей и единиц, если, например, условно обозначить точку, окрашенную в цвет символа, единицей, а в цвет фона — нулем. Bitmap-шрифт является наиболее удобным для отображения на экране с точки зрения скорости прорисовки и затрат ресурсов компьютера на обработку. Но размеры символов на экране могут изменяться, поэтому для одной гарнитуры необходимы bitmap-шрифты нескольких размеров. С тем, чтобы сэкономить объем памяти для хранения различных по размеру шрифтов, используют следующий подход:

§ для наиболее ходовых кеглей создаются отдельные bitmap-шрифты;

§ для промежуточных размеров битовая карта каждого символа строится непосредственно перед отображением на основании bitmap из ближайшего по размеру шрифта той же гарнитуры.

Векторные шрифты — одно из возможных решений проблемы масштабирования шрифта. Для них характерным является естественный способ непосредственного воспроизведения на носителе прямых или кривых линий, например, для устройств типа перьевых или струйных графопостроителей (плоттеров). В векторных шрифтах каждый символ представляется в виде совокупности геометрических примитивов, т.е. отрезков прямых и дуг окружности, заданных своими координатами относительно «точки привязки» символа.

Масштабирование векторного шрифта возможно в результате простого умножения всех координат на соответствующий множитель. Однако для прорисовки шрифтов с качеством, нужным для публикаций в полиграфии, в векторных шрифтах требовалось бы очень большое количество элементов, образующих контуры букв с переменной толщиной, так как их пришлось бы собирать из множества тонких линий. Векторные шрифты широко используются в программах, связанных с подготовкой чертежей.

Контурные (outline) шрифты обеспечили оригинальное решение множества проблем:

§ вместо запоминания битовых карт, существующих для нескольких базовых кеглей шрифта, запоминаются только контуры символа;

§ для запоминания кривых, очерчивающих границы символов, используют разбиение кривой (или ломаной) линии на участки и аппроксимацию получившихся фрагментов кривых полиномами второй или третьей степени;

§ для отображения на том или ином устройстве символа какого-то конкретного размера битовая карта для данного символа и данного кегля строится путем заполнения контуров буквы точками (иначе говоря, выполняется растрирование нужного символа с разрешением, соответствующим устройству вывода).

Отделение информации о форме символов в контурных шрифтах от процесса их воспроизведения на растровом выводном устройстве является отличительной особенностью, обеспечившей революцию в издательском деле при переходе на компьютерную технику. При этом отмечают следующие особенности:

§ в шрифте описывается форма каждого символа в виде набора прямых и кривых в абстрактных координатах, не связанных с конкретным разрешением выводного устройства;

§ управление процессом заполнения контура растровыми точками осуществляется ассортиментом инструкций (hints).

§ выводное устройство может масштабировать контуры символа до необходимого размера и заполнять внутренниe области точками того растра, на который оно способно;

§ используя математическое описание кривых, программа-интерпретатор обеспечивает поворот контура и выполнение других манипуляции с ним.

Ассортимент инструкций (hints) необходим потому, что при наложении контура на растровое поле может происходить искажение изображения, так как некоторые точки пересекаются линиями контура, оказываясь частично снаружи и частично внутри. При простом округлении два вертикальных штриха, например, симметричной буквы «Н», могут оказаться разной толщины. Инструкции дают дополнительную информацию программе-растеризатору для разумного округления при заполнении контура (особенно это важно при работе с устройствами низкого разрешения, например, с экранами и принтерами, где разрешение не достигает 300 dpi).

Для сравнения различных шрифтов приведем таблицу.

Форматы шрифтов

PostScript Type1

Каждый символ шрифта можно представить как совокупность фрагментов некоторых кривых. С математической точки зрения для описания фрагмента кривой достаточно указать небольшое количество параметров. Например, кривая второго порядка — квадратичная парабола у = ах²+ bх + с — описывается всего тремя числами: а, b, с. Чтобы однозначно задать некоторый фрагмент этой параболы, надо указать еще два числа: для начала и конца фрагмента. Таким образом, всего пятью числами можно описать любой фрагмент параболы. Конечно, при создании реальных шрифтов ситуация несколько сложнее (повороты фрагментов кривых, обеспечение гладких стыков, «заливка» контуров и так далее), но общая идея при этом сохраняется.

Фирма Adobe для построения своих новых шрифтов выбрала кривые Безье третьего порядка, которые обеспечивали хорошую плавность и гибкость линий (рис. 3). Вместе с новым типом шрифтов был разработан и специальный язык программирования для описания и управления выводом текстовой и графической информации — PostScript. Новые шрифты получили название PostScript-шрифтов. Из-за математической природы этих, шрифтов их стали называть еще векторными, масштабируемыми, контурными, так как в них давалось описание контуров линий и правила их заполнения, а не описание каждой конкретной точки.

Рис. 3. Элементарная кривая в шрифтах PostScript (кривая Безье или кубическая парабола)

Под шрифтами PostScript, обычно понимают шрифты PostScript Type 1. Это общепринятый стандарт для цифровых шрифтов (ISO 9541). Шрифт формата Type 1 — специальная форма программы PostScript и особый формат файла, который ориентирован на описание шрифта. В языке PostScript существуют и другие стандарты описания шрифтов — Type 0, Type 2, Type 3, Type 4, Type 42, однако сейчас они почти не используются или используются для специальных целей. В последние годы язык PostScript был расширен, чтобы обеспечить поддержку шрифтовых возможностей стандартов TrueType и OpenType. Новые устройства с языком Adobe PostScript сейчас поддерживают все 3 шрифтовых стандарта.

Шрифты PostScript могут содержать до 220 печатаемых символов, т.е. не поддерживают стандарт Unicode.

Профессиональные шрифты PostScript Type 1 содержат специальные подсказки — хинты, о чем упоминалось выше. Хинты — это команды, встроенные в контурные шрифты и позволяющие печатать их с максимальным соответствием спроектированной форме символа. Хинтовка позволяет воспроизводить (печатать, например) контурные шрифты, сохраняя форму символов при низком разрешении. Так хинтовка улучшает вид мелкого текста, напечатанного на лазерном принтере с разрешением 300 dpi. Они помогают сохранить симметрию и другие эстетические параметры в процессе растеризации. Относительно простой набор хинтов позволяет получать шрифты с приемлемым качеством.

Шрифт PostScript состоит из нескольких файлов: Шрифт PostScript для Windows может состоять из 2-х, 3-х или 4-х файлов. Набор из 3 файлов состоит из файла с расширением PFB (Print Font Binary), который содержит информацию о контурах; файла с расширением AFM (Adobe Font Metrics) , содержащего информацию о ширинах символов и кернинге; INF файла, содержащего дополнительную информацию, которая требуется для инсталляции. В процессе инсталляции Windows генерирует PFM файл (Print Font Metrics), в основе которого лежит информация из AFM и INF файлов. Далее используется только PFB и PFM файлы. Некоторые производители генерируют PFM файлы самостоятельно и поставляют своим клиентам только два этих файла. Этого достаточно для нормального использования. Некоторые так же добавляют AFM файлы, а некоторые поставляют все 4 файла.

Для работы со шрифтами PostScript в Windows 2000, XP или Mac OS X, шрифты инсталлируются со средствами операционной системы. В других версиях операционных систем нужно установить утилиту Adobe Type Manager (ATM), которая, кроме прочего, позволяет генерировать на лету из контурного шрифта отсутствующие версии экранного.

Главными достоинствами PostScript-шрифтов были печать символов практически любого размера без необходимости создавать дополнительные шрифты и использование одного и того же набора шрифтов для вывода на устройства с разным разрешением.

Для печати PostScript-шрифтов требовалось печатающее устройство нового типа — небольшой специализированный компьютер со своим процессором и памятью (а иногда даже и магнитным диском). Этот компьютер должен был содержать специальную программу — интерпретатор языка PostScript, которая бы понимала команды, поступающие от компьютера, и по математическому описанию вычисляла бы все необходимые промежуточные точки для построения плавных кривых на бумаге.

Такое устройство разработала и создала фирма Apple в 1985 году. Это был первый лазерный принтер — LaserWriter. Он позволял печатать с разрешением 300 точек на дюйм (300 dpi).

Несмотря на очевидные достоинства новой технологии, возникли и первые сложности. Так, из-за низкого разрешения мониторов при отображении PostScript-шрифтов на экране появлялись «зазубрины», «лесенки» и другие дефекты. И это было понятно: чем меньше элементов изображения, тем труднее передавать детали, что-то неизбежно теряется. Поэтому для отображения символов на экране создавались bitmap-аналоги соответствующих PostScript-шрифтов для наиболее часто используемых размеров: 9, 10, 12, 18, 24 пт. Качество отображения этих bitmap-шрифтов па экране, конечно, уступало качеству печати PostScript-шрифтов на бумаге, но благодаря возросшему разрешению мониторов уже было вполне приемлемым.

Таким образом, для каждой гарнитуры на компьютере хранился один PostScript-шрифт для печати на любом PostScript-устройстве и набор соответствующих bitmap-шрифтов для отображения на экране.

С целью решения проблемы отображения PostScript-шрифтов па экране фирма Adobe разработала технологию, которая состояло в применении процедуры специального «сглаживания» линий шрифта (antialiasing).

Другой проблемой, с которой пришлось столкнуться, было низкое качество печати символов маленького размера на принтерах с невысоким разрешением 300 dpi и ниже. Чтобы обезопасить себя от подделок, фирма Adobe зашифровывала каждый свой шрифт. Понять этот шифр мог только интерпретатор языка PostScript самой фирмы Adobe. Поэтому другие фирмы не имели возможности создавать полноценные PostScript-шрифты, в частности встраивать подсказки для улучшения качества печати, а все производители лазерных принтеров, использующие PostScript (включая Apple), должны были платить фирме Adobe лицензионную плату за каждый встроенный в лазерные принтеры интерпретатор языка PostScript. Шрифты фирмы Adobe стали называть шрифтами Type 1, а все остальные – Туре 3.

Наиболее известная и распространенная сегодня реализация языка PostScript — формат документов PDF, поддерживаемый продуктами серии Acrobat. Почти что все, что может быть сделано в PostScript, может быть реализовано в PDF.

Ситуация, которая сложилась на рынке шрифтов, не устраивала многие компании, поэтому был разработан новый формат — TrueType.