Emoji 渲染管线：彩色字体（Color Fonts）在 Skia 中的位图处理 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Emoji 渲染管线：彩色字体在 Skia 中的位图处理

大家好，今天我们来深入探讨一下 Emoji 渲染管线，特别是在 Skia 图形库中，彩色字体（Color Fonts）如何通过位图处理来实现 Emoji 的显示。Emoji 已经成为现代数字交流中不可或缺的一部分，了解其底层渲染机制对于开发高质量的应用程序至关重要。

1. 彩色字体格式概览

首先，我们需要了解几种主要的彩色字体格式。这些格式定义了如何在字体文件中存储和渲染彩色字形，包括矢量图形和位图数据。

Apple Color Emoji (sbix)：Apple 最早使用的彩色 Emoji 格式，基于位图。字形以预渲染的 PNG 图像存储在字体文件中。
Google Noto Color Emoji (CBDT/CBLC)：Google 开发的格式，也基于位图。CBDT (Color Bitmap Data Table) 存储实际的位图数据，CBLC (Color Bitmap Location Table) 存储位图的位置和大小信息。
Microsoft COLR/CPAL：Microsoft 推出的矢量格式，COLR (Color Layers) 定义了字形的矢量形状，CPAL (Color Palette) 定义了颜色。字形由多个图层组成，每个图层可以应用不同的颜色。
SVG in OpenType (SVG)：一种基于 SVG (Scalable Vector Graphics) 的格式，字形以 SVG 路径描述。这种格式允许使用复杂的矢量图形和渐变效果。

不同的操作系统和平台可能支持不同的彩色字体格式。Skia 需要能够解析和渲染这些格式，以提供跨平台的 Emoji 支持。

2. Skia 中的字体渲染流程

在深入研究彩色字体处理之前，我们先回顾一下 Skia 中的基本字体渲染流程。

字体选择 (Font Selection)：根据指定的字体名称、样式和大小，选择合适的字体文件。
字形获取 (Glyph Retrieval)：根据 Unicode 码点，获取对应的字形 ID。
字形轮廓提取 (Glyph Outline Extraction)：从字体文件中提取字形的轮廓数据。这可以是矢量路径（如 TrueType 或 PostScript 字体）或位图数据（如彩色字体）。
轮廓栅格化 (Outline Rasterization)：将矢量轮廓转换为像素数据。这是将矢量图形绘制到屏幕上的关键步骤。
颜色填充 (Color Filling)：根据字体颜色和样式，填充栅格化后的字形。
渲染 (Rendering)：将填充后的字形绘制到目标表面（如屏幕或图像）。

对于彩色字体，字形轮廓提取步骤会返回位图数据或其他彩色字形描述（如 COLR 图层）。后续的栅格化和颜色填充步骤需要特殊处理，以正确渲染彩色字形。

3. Skia 对彩色字体的支持

Skia 提供了对多种彩色字体格式的支持。其核心在于 SkTypeface 和相关的渲染类。

SkTypeface：表示一个字体。它可以从字体文件中加载，并提供访问字形轮廓、字距和其他字体信息的接口。
SkPaint：定义了绘制的颜色、样式和其他属性。
SkCanvas：提供绘制图形的接口。

Skia 通过以下方式处理彩色字体：

字体文件解析：Skia 能够解析各种彩色字体格式，包括 sbix、CBDT/CBLC、COLR/CPAL 和 SVG。
字形数据提取：Skia 能够从字体文件中提取彩色字形的位图数据或矢量描述。
位图渲染：对于基于位图的彩色字体格式（如 sbix 和 CBDT/CBLC），Skia 直接将位图数据绘制到画布上。
矢量渲染：对于基于矢量的彩色字体格式（如 COLR/CPAL 和 SVG），Skia 将矢量描述转换为像素数据，并进行颜色填充。

4. 位图处理流程：sbix 和 CBDT/CBLC

我们重点关注基于位图的彩色字体格式 sbix 和 CBDT/CBLC。它们的处理流程相对简单，但仍然需要仔细处理，以确保正确的渲染效果。

4.1 sbix 处理流程

字体文件解析：Skia 解析字体文件，查找 sbix 表。
字形 ID 查找：根据 Unicode 码点，查找对应的字形 ID。
sbix 数据提取：从 sbix 表中提取与字形 ID 关联的 PNG 图像数据。sbix 表包含多个条目，每个条目对应一个字形 ID 和一个 PNG 图像。
PNG 解码：Skia 使用其内部的 PNG 解码器解码 PNG 图像数据。
位图绘制：Skia 将解码后的位图绘制到画布上。绘制时需要考虑位图的偏移量和缩放比例，以确保字形正确对齐。

以下是 sbix 处理的简化代码示例：

#include "SkBitmap.h"
#include "SkCanvas.h"
#include "SkCodec.h"
#include "SkData.h"
#include "SkImageInfo.h"
#include "SkStream.h"
#include "SkTypeface.h"

bool drawSbixGlyph(SkCanvas* canvas, SkTypeface* typeface, SkGlyphID glyphID, float x, float y) {
    // 1. 获取 sbix 数据
    SkStream* stream = typeface->openStreamForGlyph(glyphID, SkTypeface::kColorBitmap_GlyphRendering);
    if (!stream) {
        return false; // 没有找到 sbix 数据
    }

    // 2. 解码 PNG 图像
    std::unique_ptr<SkCodec> codec = SkCodec::MakeFromStream(std::unique_ptr<SkStream>(stream));
    if (!codec) {
        return false; // 解码失败
    }

    SkImageInfo info = codec->getImageInfo();
    SkBitmap bitmap;
    bitmap.allocPixels(info);

    SkCodec::Result result = codec->getPixels(info, bitmap.getPixels(), bitmap.rowBytes());
    if (result != SkCodec::kSuccess) {
        return false; // 获取像素失败
    }

    // 3. 绘制位图
    canvas->drawBitmap(bitmap, x, y);
    return true;
}

// 使用示例
void drawEmoji(SkCanvas* canvas, SkTypeface* typeface, SkUnichar codePoint, float x, float y) {
    SkGlyphID glyphID = typeface->unicharToGlyph(codePoint);
    if (glyphID == 0) {
        return; // 字形不存在
    }

    if (!drawSbixGlyph(canvas, typeface, glyphID, x, y)) {
        // sbix 渲染失败，可以使用 fallback 渲染方式
        SkPaint paint;
        paint.setTextSize(20); //设置字体大小
        canvas->drawTextBlob(SkTextBlob::MakeFromString(SkString(SkUnicharToUTF8(codePoint)).c_str(), SkFont(typeface, paint.getTextSize())),x,y,paint);

    }
}

4.2 CBDT/CBLC 处理流程

字体文件解析：Skia 解析字体文件，查找 CBDT 和 CBLC 表。
字形 ID 查找：根据 Unicode 码点，查找对应的字形 ID。
CBLC 数据提取：从 CBLC 表中查找与字形 ID 关联的位图元数据。CBLC 表包含多个条目，每个条目对应一个字形 ID 和一个 strike (不同像素大小的位图集合) 的信息.每个 strike 中存储了多个位图的元数据（如偏移量、大小和 CBDT 中的偏移量）。
CBDT 数据提取：根据 CBLC 表中的偏移量，从 CBDT 表中提取实际的位图数据。CBDT 表存储了所有位图的数据。
位图解码：CBDT 中的位图数据可能采用不同的压缩格式（如 PNG 或原始像素数据）。Skia 需要根据格式进行解码。
位图绘制：Skia 将解码后的位图绘制到画布上。绘制时需要考虑 CBLC 表中的偏移量和缩放比例，以确保字形正确对齐。

以下是 CBDT/CBLC 处理的简化代码示例：

#include "SkBitmap.h"
#include "SkCanvas.h"
#include "SkData.h"
#include "SkImageInfo.h"
#include "SkStream.h"
#include "SkTypeface.h"

// 假设已经从 CBLC/CBDT 表中提取了位图数据和元数据
bool drawCBDTGlyph(SkCanvas* canvas, const uint8_t* bitmapData, size_t bitmapSize,
                  int bitmapWidth, int bitmapHeight, int xOffset, int yOffset, float x, float y) {
    // 1. 创建 SkBitmap
    SkImageInfo info = SkImageInfo::Make(bitmapWidth, bitmapHeight, kRGBA_8888_SkColorType, kPremul_SkAlphaType);
    SkBitmap bitmap;
    bitmap.allocPixels(info);

    // 2. 将位图数据复制到 SkBitmap 中 (假设 bitmapData 是 RGBA 数据)
    if (bitmapSize != (size_t)bitmapWidth * bitmapHeight * 4) {
        return false; // 数据大小不匹配
    }
    memcpy(bitmap.getPixels(), bitmapData, bitmapSize);

    // 3. 绘制位图
    canvas->drawBitmap(bitmap, x + xOffset, y + yOffset);
    return true;
}

// 使用示例 (需要从字体文件中提取 CBLC/CBDT 数据)
void drawEmojiCBDT(SkCanvas* canvas, SkTypeface* typeface, SkUnichar codePoint, float x, float y) {
    SkGlyphID glyphID = typeface->unicharToGlyph(codePoint);
    if (glyphID == 0) {
        return; // 字形不存在
    }

    // TODO: 从 typeface 中提取 CBLC 和 CBDT 数据，并找到与 glyphID 对应的位图数据和元数据
    // 假设已经提取到位图数据和元数据
    uint8_t* bitmapData = nullptr; // 从 CBDT 中提取的位图数据
    size_t bitmapSize = 0;
    int bitmapWidth = 0;
    int bitmapHeight = 0;
    int xOffset = 0;
    int yOffset = 0;

    // ... (提取 CBLC/CBDT 数据的代码) ...

    if (bitmapData) {
        if (!drawCBDTGlyph(canvas, bitmapData, bitmapSize, bitmapWidth, bitmapHeight, xOffset, yOffset, x, y)) {
            // CBDT 渲染失败，可以使用 fallback 渲染方式
            SkPaint paint;
            paint.setTextSize(20);
            canvas->drawTextBlob(SkTextBlob::MakeFromString(SkString(SkUnicharToUTF8(codePoint)).c_str(), SkFont(typeface, paint.getTextSize())),x,y,paint);
        }
    } else {
         SkPaint paint;
        paint.setTextSize(20); //设置字体大小
        canvas->drawTextBlob(SkTextBlob::MakeFromString(SkString(SkUnicharToUTF8(codePoint)).c_str(), SkFont(typeface, paint.getTextSize())),x,y,paint);
    }
}

4.3 位图渲染的注意事项

缩放：在绘制位图时，需要考虑缩放比例。如果字体大小发生变化，需要对位图进行缩放，以保持字形的大小一致。Skia 提供了 SkCanvas::scale() 方法来实现缩放。
偏移：位图在字体文件中可能定义了偏移量。在绘制时，需要将偏移量应用于位图的位置，以确保字形正确对齐。
透明度：PNG 图像可能包含透明度信息。Skia 需要正确处理透明度，以确保字形与背景融合。
内存管理：位图数据可能占用大量内存。Skia 需要有效地管理内存，避免内存泄漏和性能问题。
fallback 机制：如果彩色字体渲染失败（例如，字体文件损坏或不支持的格式），Skia 可以使用 fallback 机制，例如绘制黑白轮廓或使用系统默认的 Emoji 字体。

5. 矢量处理流程：COLR/CPAL

COLR/CPAL 是一种基于矢量的彩色字体格式。它将字形分解为多个图层，每个图层可以应用不同的颜色。Skia 需要将这些图层组合起来，以生成完整的彩色字形。

字体文件解析：Skia 解析字体文件，查找 COLR 和 CPAL 表。
字形 ID 查找：根据 Unicode 码点，查找对应的字形 ID。
COLR 数据提取：从 COLR 表中提取与字形 ID 关联的图层信息。COLR 表包含多个条目，每个条目对应一个字形 ID 和一个图层列表。每个图层由一个字形 ID 和一个颜色索引组成。
CPAL 数据提取：从 CPAL 表中提取颜色调色板。CPAL 表包含多个调色板，每个调色板包含一组颜色。
图层渲染：Skia 遍历图层列表，对于每个图层，执行以下操作：
- 获取图层字形 ID。
- 从字体文件中提取图层字形的矢量轮廓。
- 根据颜色索引，从 CPAL 表中获取颜色。
- 使用指定的颜色填充图层字形的轮廓。
- 将填充后的图层绘制到画布上。

以下是 COLR/CPAL 处理的简化代码示例：

#include "SkBitmap.h"
#include "SkCanvas.h"
#include "SkColor.h"
#include "SkPaint.h"
#include "SkPath.h"
#include "SkTypeface.h"

// 假设已经从 COLR/CPAL 表中提取了图层数据和调色板
bool drawCOLRGlyph(SkCanvas* canvas, SkTypeface* typeface, const std::vector<std::pair<SkGlyphID, int>>& layers,
                  const std::vector<SkColor>& palette, float x, float y) {
    for (const auto& layer : layers) {
        SkGlyphID glyphID = layer.first;
        int colorIndex = layer.second;

        // 1. 获取图层字形的矢量轮廓
        SkPath path;
        if (!typeface->getPath(glyphID, &path)) {
            return false; // 获取路径失败
        }

        // 2. 获取颜色
        if (colorIndex < 0 || colorIndex >= palette.size()) {
            return false; // 颜色索引无效
        }
        SkColor color = palette[colorIndex];

        // 3. 填充轮廓
        SkPaint paint;
        paint.setColor(color);
        paint.setStyle(SkPaint::kFill_Style);
        paint.setAntiAlias(true);

        // 4. 绘制图层
        canvas->drawPath(path, paint);
    }

    return true;
}

// 使用示例 (需要从字体文件中提取 COLR/CPAL 数据)
void drawEmojiCOLR(SkCanvas* canvas, SkTypeface* typeface, SkUnichar codePoint, float x, float y) {
    SkGlyphID glyphID = typeface->unicharToGlyph(codePoint);
    if (glyphID == 0) {
        return; // 字形不存在
    }

    // TODO: 从 typeface 中提取 COLR 和 CPAL 数据，并找到与 glyphID 对应的图层数据和调色板
    // 假设已经提取到图层数据和调色板
    std::vector<std::pair<SkGlyphID, int>> layers; // 图层列表 (字形 ID, 颜色索引)
    std::vector<SkColor> palette; // 颜色调色板

    // ... (提取 COLR/CPAL 数据的代码) ...

    if (!layers.empty() && !palette.empty()) {
        if (!drawCOLRGlyph(canvas, typeface, layers, palette, x, y)) {
            // COLR 渲染失败，可以使用 fallback 渲染方式
            SkPaint paint;
            paint.setTextSize(20);
            canvas->drawTextBlob(SkTextBlob::MakeFromString(SkString(SkUnicharToUTF8(codePoint)).c_str(), SkFont(typeface, paint.getTextSize())),x,y,paint);
        }
    } else {
        SkPaint paint;
        paint.setTextSize(20); //设置字体大小
        canvas->drawTextBlob(SkTextBlob::MakeFromString(SkString(SkUnicharToUTF8(codePoint)).c_str(), SkFont(typeface, paint.getTextSize())),x,y,paint);
    }
}

6. SVG in OpenType 的处理

SVG in OpenType 格式将字形定义为 SVG 文档。Skia 可以使用其内部的 SVG 渲染器来处理这种格式。

字体文件解析：Skia 解析字体文件，查找 SVG 表。
字形 ID 查找：根据 Unicode 码点，查找对应的字形 ID。
SVG 数据提取：从 SVG 表中提取与字形 ID 关联的 SVG 文档。
SVG 渲染：Skia 使用其内部的 SVG 渲染器将 SVG 文档转换为像素数据。
位图绘制：Skia 将渲染后的位图绘制到画布上。

由于 SVG 渲染较为复杂，这里不提供具体的代码示例。Skia 的 SVG 渲染器负责处理 SVG 文档的解析、布局和绘制。

7. 性能优化

Emoji 渲染可能涉及大量的位图处理和矢量图形计算，因此性能优化至关重要。以下是一些优化技巧：

缓存：缓存解码后的位图和渲染后的矢量图形，避免重复计算。
位图压缩：使用高效的位图压缩算法（如 PNG 或 WebP）来减小字体文件的大小。
矢量图形优化：简化矢量图形的路径，减少计算量。
并发处理：使用多线程来并行处理多个 Emoji 的渲染任务。
硬件加速：利用 GPU 的硬件加速功能来加速位图处理和矢量图形计算。
字体子集化：只包含应用程序实际使用的 Emoji 字形，减小字体文件的大小。

8. 总结：彩色字体在 Skia 中的渲染流程

彩色字体渲染涉及多种格式，Skia 能够解析和渲染这些格式。对于基于位图的格式，Skia 主要进行位图的提取、解码和绘制。对于基于矢量的格式，Skia 则需要进行矢量图形的转换和颜色填充。性能优化对于保证 Emoji 渲染的流畅性至关重要。

9. 展望：未来的发展方向

随着 Emoji 的不断发展，未来的彩色字体渲染将面临更多的挑战和机遇。

新的彩色字体格式：可能会出现新的彩色字体格式，Skia 需要及时支持。
更复杂的 Emoji：Emoji 可能会变得更加复杂，包含更多的矢量图形和动画效果。Skia 需要提高其渲染能力，以支持这些复杂的 Emoji。
更好的性能：随着设备性能的不断提高，Skia 需要进一步优化其渲染性能，以提供更流畅的 Emoji 体验。
无障碍支持：增强对视力障碍用户的支持，例如提供 Emoji 的文本描述或语音朗读功能。

通过不断的研究和开发，我们可以创造出更加丰富多彩和易于访问的 Emoji 生态系统。