编写嵌入式程序时往往需要制作字库，但网上的工具往往有各种各样不完美的地方，比如不能自定义索引，不能使用自定义的字体，不能指定字模的特殊长宽（比如10*10、13*17等），要不然就是需要开通VIP。
但其实通过Python可以方便的制作字库，完全免费并且可以自定义数据组织方式。其原理是，通过PIL库，将ttf字体渲染到指定大小的画布上，再读取画布上像素生成数据。ttf是TrueType字体文件的缩写，它是微软和苹果在上世纪研发的字体技术。通过使用贝塞尔曲线等方法来绘制字体轮廓，ttf能够在占用较少存储空间的限制下，仍然能够展现出最佳的视觉效果。这意味着即使在不同分辨率的设备上，字体仍然能够保持锐利和清晰。相关资料：
字模制作
取字模有几种规则，可以按列取或按行取，“Z”字型取或“И”字型取等。由于我需要的是10*10的字模，这里选择按行、每行使用两个字节即uint16_t来存储像素，低位在左的方式。代码如下：
def extract_any_font(character: str) -> bytearray:
# 加载字体文件
font = ImageFont.truetype("Zfull-GB.TTF", 10)
# 绘制字体，即参数`character`
img = Image.new("RGB", (10, 10), 0)
draw = ImageDraw.Draw(img)
draw.text(xy=(0, 0), text=character, fill=0xFFFFFF, font=font, spacing=4, align="left")
# 读取像素。需要调整取字模顺序时，修改此处
pixels = bytearray(20)
for y in range(10):
this_line = 0
for x in range(10):
r, _, _ = img.getpixel(xy=(x, y))
if r > 0:
this_line |= (1 << x)
pixels[2 * y] = 0xFF & this_line
pixels[2 * y + 1] = 0xFF & (this_line >> 8)
print(", ".join([f"0x{var:02X}" for var in pixels]))
return pixels
def render(data: bytearray):
""" 将字体渲染到控制台上 """
for y in range(10):
this_line = []
for x in range(8):
this_line.append("X" if data[y * 2] & (1 << x) else " ")
for i in range(2):
this_line.append("X" if data[y * 2 + 1] & (1 << i) else " ")
print(" ".join(this_line))
render(extract_any_font("汉"))
输出：
0x00, 0x00, 0x01, 0x00, 0xFA, 0x00, 0x91, 0x00, 0x92, 0x00, 0x90, 0x00, 0x62, 0x00, 0x62, 0x00, 0x91, 0x00, 0x0D, 0x01
X
X X X X X X
X X X
X X X
X X
X X X
X X X
X X X
X X X X
Process finished with exit code 0
字体索引设计
考虑到日常中绝大多数场景使用的Unicode编码都不超过65535，这也是很多ttf文件所包含的字符范围。因此，一个字体文件包含这65535个字符已经足够。对于上述提到的10*10点阵字体，每个字符占用20字节。如果以Unicode编码的序号作为索引，采用扁平结构存储，那么65535个字符将需要占用65535*20 /1024 /1024≈1.25MB的存储空间。对于单片机的程序来说，这显然有些奢侈。
如果我们需要使用全部字符，那么上述方案已经是最优解，没有任何空间浪费。然而，如果我们只需要使用几千或两三万个字符，那么就有很大的优化空间。最明显的问题是，在仅存储部分字符的情况下，采用扁平结构存储会导致即使缺失的字符也需要填充20个字节的空间，这非常浪费。
为了优化存储空间，一个简单的解决方案是将字体文件分为两个部分。后半部分称为"body"，用于存储每个字模的具体像素，每组占用20个字节。前半部分称为"header"，以Unicode编号作为索引，其值表示该字符在"body"中的偏移量。由于我们最多处理65535个字符，使用两个字节就足够了。
假设我们只需要存储常用的2万个汉字，那么存储空间可以压缩到约506KB，计算方式为(65535*2 + 20000*20) / 1024 / 1024 ≈ 506 KB。
结构如图：
完整生成字库代码：
def gen_character_library(ttf_file: str, target: str):
font = ImageFont.truetype(ttf_file, 10)
header = BytesIO()
body = BytesIO()
null_char = None
body_offset = 0
for i in range(0, 0xFFFF + 1):
# render single word
img = Image.new("RGB", (10, 10), 0)
draw = ImageDraw.Draw(img)
text = chr(i)
draw.text(xy=(0, 0), text=text, fill=0xFFFFFF, font=font, spacing=4, align="left")
# 读取像素。需要调整取字模顺序时，修改此处
pixels = bytearray(20)
for y in range(10):
this_line = 0
for x in range(10):
r, _, _ = img.getpixel(xy=(x, y))
if r > 0:
this_line |= (1 << x)
pixels[2 * y] = 0xFF & this_line
pixels[2 * y + 1] = 0xFF & (this_line >> 7)
# 特殊处理。0号字符必然是不可见字符，只有第一次循环会执行到这里，即null_char其实是0号字符的字模
if null_char is None:
null_char = pixels
if pixels == null_char and i > 0:
# 之后直接引用0位置, 只写 header, 不写 body
this_offset = 0
else:
# 正常写入body, index 增1
this_offset = body_offset
body.write(pixels)
body_offset += 1
# 写 header
this_char_h = bytearray(2)
this_char_h[0] = 0xFF & (this_offset >> 8)
this_char_h[1] = 0xFF & this_offset
header.write(this_char_h)
print(f"total char of {target}: {body_offset}")
header_bin = header.getvalue()
body_bin = body.getvalue()
with open(f"{target}.ftlib", "wb") as f:
f.write(header_bin)
f.write(body_bin)
验证函数：
def get_code(char: str, font_file: str) -> bytearray:
if len(char) > 1:
raise ValueError
header_offset = ord(char) * 2
with open(font_file, "rb") as f:
f.seek(header_offset)
offset_info = f.read(2)
offset = 0
offset |= (offset_info[0] << 8)
offset |= (offset_info[1] << 0)
inner_offset = 65536*2 + (offset * 20)
f.seek(inner_offset)
data = f.read(20)
return bytearray(data)
def render_and_show(char: str, font_file: str):
img = Image.new("RGB", (10 * len(char), 10), 0)
for i in range(len(char)):
x_offset = i * 10
data = get_code(char[i], font_file)
for y in range(10):
this_line = []
for x in range(8):
this_line.append(0 if data[y * 2] & (1 << x) else 0xFFFFFF)
for i in range(2):
this_line.append(0 if data[y * 2 + 1] & (1 << i) else 0xFFFFFF)
for x, color in enumerate(this_line):
img.putpixel((x + x_offset, y), color)
img.show()
render_and_show("免费 123 壹贰叁 ①②③ 周杰伦-千里之外 abc ABC 魑魅魍魉 天地玄黄 ?!@#$%^&* ？！@#￥%……&*（）", font_file="./zf.ftlib")
实测效果:
