字的研究（2）Fonttools-字体文件的解析

前言

本文主要介绍如果使用Python第三方库fontTools对TrueType字体文件（指使用TrueType描述轮廓的OpenType字体文件）的解析、修改和创建等操作。

fontTools简介

fontTools是由一组操作字体的库和组件组成的Python第三方库，要求Python3.6以及更高的版本。其中包括merge（字体合并）、subset（取字体子集）以及ttx（将OpenType转化为XML）等。

安装

pip install fontTools

本文中使用的版本为4.28.5

字体文件的解析

读取

如前文所述，OpenType字体文件标准是有sfnt结构封装的，基于sfnt的表结构，OpenType格式的字体文件可以分为多个表结构。

创建TTFont实例，通过keys()可以查看字体文件的所有表名：

from fontTools.ttLib.ttFont import TTFont
font = TTFont("Resources/simsun.ttf")
print(font.keys())

运行结果如下：

['GlyphOrder', 'head', 'hhea', 'maxp', 'OS/2', 'hmtx', 'cmap', 'fpgm', 'prep', 'cvt ', 'loca', 'glyf', 'name', 'post', 'gasp', 'EBDT', 'EBLC', 'GDEF', 'GPOS', 'GSUB', 'MERG', 'meta', 'vhea', 'vmtx']

表名中包含‘glyf‘，所以simsun.ttf是一个使用TrueType轮廓的字体文件。

换成使用Postscript轮廓的字体文件：

font = TTFont("Resources/AdobeSongStd-Light.otf")
print(font.keys())

运行结果如下：

['GlyphOrder', 'head', 'hhea', 'maxp', 'OS/2', 'name', 'cmap', 'post', 'CFF ', 'BASE', 'GPOS', 'GSUB', 'VORG', 'hmtx', 'vhea', 'vmtx', 'DSIG']

表名中没有'glyf'而存在'CFF '，后者是存储Postscript信息的表格。

对于TrueType Collection文件则可以使用如下方法读取，返回一个TTFont实例的列表

from fontTools.ttLib.ttCollection import TTCollection
collection = TTCollection("Resources/simsun.ttc")
print(list(collection))

运行结果如下：

[<fontTools.ttLib.ttFont.TTFont object at 0x000001F8BA66A700>, <fontTools.ttLib.ttFont.TTFont object at 0x000001F8BE072AF0>]

直接从这些表格提取到具体信息是复杂的，但TTFont提供了一些方法以方便地获取信息：

font.getGlyphOrder() # 返回一个字形名称列表，以其在文件中的顺序排序
font.getGlyphNames() # 返回一个字形名称列表，以字母顺序排序
font.getBestCmap() # 返回一个字形ID为键、字形名称为值的字典
font.getReverseGlyphMap() # 返回一个字形名称为键、字形ID为值的字典
font.getGlyphName(10000) # 输入字形ID返回字形名称
font.getGlyphID("uni70E0") # 输入字形名称返回字形ID
font.getGlyphSet() # 返回一个_TTGlyphSet对象，包含字形轮廓数据

上述方法中，最后一项与轮廓数据有关的方法是最重要的。可惜的是，官方文档似乎并没有对这个对象做进一步解释，故下文是我读源码及其中注释后的分析，如有错漏，敬请指教。

Pen与_TTGlyphset

我认为，作者设计这一部分时的难点在于OpenType字体文件标准存在两种不同轮廓描述方式。Pen和_TTGlyphset的存在使得两种不同的轮廓描述方式可以用同一套方法解析和显示。

The Pen Protocol

基于TrueType轮廓的字体文件和基于Postscript轮廓是两种截然不同的数据格式。Pen是一个用于标准化的”画"出轮廓的对象，或者是数据和实际轮廓间的媒介。

具体来说，Pen对象的子类包含将上述两种轮廓数据转化为画线、移动等模拟实际轮廓的方法。在fontTools的pen库中包含将轮廓数据转化为qt、reportLab等第三方库中实例的Pen子类。

_TTGlpyhset

_TTGlyphset是一个类似字典的，以字形名称为键、_TTGlyph为值的对象。_TTGlyph中包含字形数据轮廓数据并可以通过draw方法“画”出。_TTGlyph的两个子类_TTGlyphGlyf和_TTGlyphCFF分别对应TrueType轮廓和Postscript轮廓。具体使用方法如下：

font = TTFont("Resources/simsun.ttf")
glyph = font.getGlyphSet()["uni70E0"]
glyph.draw(pen) # pen为实例化后的Pen子类

freetypePen

以freetype-py库为例，使用freetypePen首先需要安装freetype-py：

pip install freetype-py

以下代码修改自自fontTools的官方文档提供的范例程序：

from fontTools.ttLib import TTFont
from fontTools.pens.freetypePen import FreeTypePen
from fontTools.misc.transform import Offset

pen = FreeTypePen(None) # 实例化Pen子类
font = TTFont("Resources/simsun.ttf") # 实例化TTFont
glyph = font.getGlyphSet()["uni70E0"] # 通过字形名称选择某一字形对象
glyph.draw(pen) # “画”出字形轮廓
width, ascender, descender = glyph.width, font['OS/2'].usWinAscent, -font['OS/2'].usWinDescent # 获取字形的宽度和上沿以及下沿
height = ascender - descender # 利用上沿和下沿计算字形高度
pen.show(width=width, height=height, transform=Offset(0, -descender)) # 显示以及矫正

运行结果如下：

注意，可能由于fontTools==4.28.5版本问题，通过pip安装后freetypePen.py并没有包含在pens文件夹下，需要使用的可以从fontTools的GitHub仓库中下载，放到site-packages\fontTools\pens文件夹下，下载路径为https://github.com/fonttools/fonttools/blob/main/Lib/fontTools/pens/freetypePen.py。该问题可能在后续版本中修复。

ttx

最后是我个人认为fontTools中最为实用的一个组件ttx，其功能为将TTFont实例转化为XML格式以及将XML文件转化为TTFont。基于这一组件，我们可以较为方便的实现对字体文件内容的修改。

from fontTools.ttLib import TTFont

font = TTFont("Resources/simsun.ttf") # 实例化TTFont
font.saveXML("simsun.xml") # TTFont实例转化为XML文件，参数为XML文件路径
font.saveXML("simsun1.xml") # XML文件转化为TTFont实例，参数为XML文件路径

除了将整个字体文件转化为XML文件，ttx还可以将文件中的单个表转化为XML文件，避免多余的存储和时间消耗：

from fontTools.ttLib.ttFont import TTFont

font = TTFont("Resources/simsun.ttf")
font.saveXML("temp2.xml",tables=["glyf"]) # tables为需要转化的表名组成列表

参考

https://fonttools.readthedocs.io/en/latest/index.html

https://github.com/fonttools/fonttools