OpenGL环境中二维文字的通用绘制方法∗

李迎春 孙 卡

（1.南昌航空大学软件学院 南昌 330063）（2.南昌航空大学信息工程学院 南昌 330063）

1 引言

由于OpenGL没有直接的文字（尤其是汉字）绘制支持，在需要输出文字的地方，需要进行特定的处理［1］。

使用OpenGL绘制文字主要有四种方法：1）使用glBitmap函数绘制单色位图文字。吴仁彪［2］等利用多核处理器的优势，针对实时性要求较高或进行大批量文本数据的绘制，提出基于多线程的OpenGL文本绘制方法；梁丽［3］等主要研究了3D字幕技术，采用OpenGL将具有视差的字母叠加在立体图像上实现3D效果；李雪［4］、马莉［5］、赵常寿［6］等采用Vega或Vega Primer与OpenGL混合编程，实现了Vega中汉字的二维显示。2）使用wglUseFontBitmap函数绘制平面2D文字。芮小平［7］等研究了实现平面栅格字体的绘制方法；李自胜［8］研究了基于OpenGL的Windows字体处理方法，并实现了2D汉字的显示。3）使用wglUseFontOutlines函数绘制3D轮廓文字。芮小平［7］、李杰［9］等结合显示列表技术实现了三维轮廓字体的显示；李雪［4］、马莉［5］等结合Vega软件和OpenGL图形库，实现了Vega中汉字的三维显示；李自胜［8］实现了三维汉字的绘制和显示；张秀山［10］等使用OpenGL在Windows下设计与实现了一个三维字幕动画函数库。4）使用纹理贴图绘制纹理文字。陈飞［11］等提出基于SDL和OpenGL跨平台图形库，采用生产者-消费者模型对中文字符串进行处理的实时绘制方法；兰一麟涛［12］等研究了OpenGL中的三维纹理贴图绘制技术。另外，侯学隆［13］等研究了基于GDI的OpenGL多国文字渲染技术；薛娟［14］等使用TrueType字体，实现了基于VxWorks的中文图形界面设计；刘亚丽［15］等提出了在VxWorks嵌入式系统下基于OpenGL的汉字输入及显示的实现方案。函数glBitmap只能处理单色位图，不便修改，数据会在主存与显存之间流动，效率不高。函数wglUseFontBitmap、wglUseFontOutlines结合显示列表技术可以提高绘制速度，但只适用Windows操作系统，且不提供字体修改，速度比较慢。使用纹理文字速度更快，纹理对象常驻GPU，而且能更好地控制几何状态，使用纹理文字比使用显示列表速度更快。

本文在综合分析以上几种文字绘制方法的基础上，提出了一种GDI和OpenGL结合的二维文字绘制方法［16］，采用面向对象的思想，以C++作为开发语言，开发出了文字绘制的动态链接库，具有较强的灵活性和通用性。

2 文字位图及纹理的创建

2.1 文字的属性

文字的属性主要包括字体、字形、字号、加粗、下划线、删除线、颜色、边框、位置、对齐等。Windows提供了结构体LOGFONT来表达逻辑上的一个字体，其结构定义如表1所示，其中lfCharSet用来指定字符集，可以使用四种预定义值：ANSI_CHARSET，OEM_CHARSET，SYMBOL_CHARSET，UNICODE_CHARSET，CHINESEBIG5_CHARSET（繁体中文），GB2312_CHARSET（简体中文），DEFAULT_CHARSET等。

2.2 文字位图的创建

基于上述字体，使用Windows GDI创建空白位图，将文字在位图中渲染，渲染后的位图记录了文字的轮廓信息，文字轮廓覆盖的区域用1表示，文字轮廓未覆盖的区域用0表示，其创建流程如下。

1）创建Windows GDI设备环境；

表1 文字的属性

2）选择绘制当前文字所用的字体；

3）调用GetTextExtentPoint32函数，获得所绘文字的高度和宽度信息，该信息以像素为单位；

4）根据步骤3）获得位图范围，创建一个内存中的位图对象，并把它指定到设备环境中去；

5）为设备环境指定绘图参数，如背景颜色、文字颜色、背景模式等；

6）调用Windows GDI绘图函数TextOut在设备环境中绘图；此时创建的文字位图为设备相关位图（DDB），此种位图不具有自己的调色板信息，颜色模式必须与输出设备相一致，高度依赖输出设备，只能存在于内存中；

7）把将设备相关位图对象转换为设备无关位图（DIB），此类位图具有自己的调色板信息，不依赖系统的调色板，独立于设备。可以使用BITMAPINFO结构体来定义设备相关位图和设备无关位图的转换规则，BITMAPINFO结构体中的bmiHeader属性中包含了维度和与设备无关位图的颜色格式信息，bmiColors属性指定了数组位图中定义的颜色的数据类型；

8）将转换后的文字位图存储在一维数组中，OpenGL可以利用该位图并调用glBitmap函数直接绘制出基于位图的文字。由于该方法在屏幕上直接输出的是文字的位图信息（也称栅格信息），无法实现文字的放大、缩小、旋转和变形等操作，为解决该问题，需要将文字位图转换为文字纹理。

2.3 文字纹理的创建

文字纹理创建的思路是将2.2节所创建的单色位图转换为RGBA格式。单色位图上的每个像素数据的长度为1位（即1/8个字节），文字轮廓处的数据值为二进制的1，非轮廓处的数值为二进制的0；RGBA格式中每个像素数据的长度为32位（即4个字节），以8位为1颜色单元，分别对应颜色R、G、B、A的数值，单色位图格式与RGBA格式的转换如图1所示，其步骤如下：

1）开辟存储RGBA格式数据的内存空间，其单位为unsigned char，长度为单色位图宽度乘以高度的4倍，即每个像素点占据32位的空间。

2）设置当前文字的颜色，该值使用4个字节来表示，按顺序分别为R、G、B、A，每种颜色的取值范围为［0，255］；

3）按位遍历单色位图的数据，若当前单色位图上数据的值为1，则将RGBA格式数据存储空间上的连续4个字节用当前的颜色值来替换；若当前单色位图上数据的值为0，则将RGBA格式数据存储空间上的连续4个字节用（0，0，0，0）来替换；完成遍历后，即实现了单色位图到RGBA格式的转换，转换后的RGBA格式数据可以作为几何图形的纹理来使用。

图1 单色位图与RGBA格式的转换

3 文字的绘制

文字绘制流程如图2所示，先用GDI把指定的文字绘制到内存中的Bitmap中，再把Bitmap转换成纹理，通过修改粘贴该纹理的几何图形的形状来实现文字的各种显示效果。由于该方法不涉及显示列表，在渲染常规（非变形、非旋转）文字时可以按图形的方式输出；在渲染非常规（变形、旋转）文字时，采用纹理贴图的方式进行，可以绘制出倾斜、旋转、缩放、对齐等效果。

图2 文字的绘制流程

3.1 基于文字位图的绘制方法

根据2.2中的步骤创建文字位图之后，即可在OpenGL环境中进行文字的绘制。使用glRaster-Pos2d（GLdouble x，GLdouble y）函数来确定所绘文字在屏幕上的位置，其中的参数x、y为绘制文字的定位点，即该文字绘制在屏幕的何处；使用glBitmap（GLsizei width，GLsizei height，GLfloat xorig，GLfloat yorig，GLfloat xmove，GLfloat ymove，const GLubyte*bitmap）函数来实现位图的绘制。使用该方法绘制出的文字可以实现添加边框和对齐的特效，但无法实现旋转、缩放、变形的特效。

在实现边框特效时，只需要根据2.2节中步骤3）中位图宽度和高度，相对于文字定位点的位置，使用屏幕坐标进行绘制矩形即可。边框的绘制以文字位图的左下角的位置为参考点。

在实现对齐特效时，需要根据位图的宽度和高度对定位点进行平移，通过改变定位点的方式，达到文字的某种对齐效果。针对不同的对齐方式，只需以像素为单位，平移0个、1/2个或1个位图的高度和宽度即可。在本系统中定义了9种对齐方式，如图3所示，其中黑色的点代表定位点，对齐名称分别为：（a）左下对齐；（b）左中对齐；（c）左上对齐；（d）中下对齐；（e）居中对齐；（f）中上对齐；（g）右下对齐；（h）右中对齐；（i）右上对齐。

图3 文字的对齐方式

3.2 基于文字纹理的绘制方法

为了实现文字的缩放、旋转、变形等特效，需要使用纹理贴图的方式对文字进行绘制。使用纹理贴图的步骤如下：

1）使用glGenTextures（GLsizei n，GLuint*textures）函数，创建纹理ID；

2）使用glBindTextures（GLsizei n，GLuint*textures）函数实现纹理ID与当前纹理的绑定；

3）使用glTexParameteri（GLenum target，GLenumpname，GLint param）函数设置纹理参数；

4）使 用glTexEnvf（GLenum target，GLenum pname，GLfloat param）函数设置纹理环境；

5）使用glTexImage2D（GLenum target，GLint level，GLint internalformat，GLsizei width，GLsizei height，GLint border，GLenum format，GLenum type，const GLvoid*pixels）函数实现内存中纹理数据的传递。

6）使用glEnable（GLenum cap）函数分别启动纹理模式（GL_TEXTURE_2D）和透明测试模式（GL_ALPHA_TEST），并 调 用glAlphaFunc（GLenumfunc，GLclampf ref）函数设置透明贴图。

7）使用glRotated（GLdouble angle，GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z）函数控制所绘纹理的旋转角度；

8）使用glScaled（GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z）函数控制所绘文字的缩放比例；

9）使用glTexCoord2f（GLfloat s，GLfloat t）函数和glVertex2d（GLdouble x，GLdouble y）函数相结合，来控制纹理数据和几何数据之间的坐标映射，通过不同的映射方式，从而达到纹理变形的特效。

3.3 文字绘制类的设计

为了实现文字的绘制，本文利用C++语言，设计了9个与绘制相关的类，并依据这些类创建了动态链接库，类之间的关系如图4所示，每个类的功能如下：

1）顶点类（CVertex）：定义二维的x、y坐标，用来记录某点与原点（0，0）的相对值。

2）颜色类（CColor）：包含四个BYTE类型变量，表示RGBA颜色的四个分量，用来记录颜色值。

3）包围盒（CBoundBox）：包含两个CVertex对象，分别记录左下角点和右上角点的位置，可以计算出所包围对象的宽度、高度、中心点，供绘制文字轮廓、对齐时使用。

4）位图字体类（CBitmapFont）：用来创建文字的位图，先通过其包含的LOGFONT属性，用来设置所绘文字的字体、字形、字号、加粗、下划线、删除线等效果；然后调用其包含的CreateText方法，创建出所绘文字对应的位图。

5）对齐方式：对齐方式定义为枚举类型，记录文本内容与定位点的相对位置关系，列出了9种可选值，分别为左下对齐、左中对齐、左上对齐、中下对齐、居中对齐、中上对齐、右下对齐、右中对齐、右上对齐。

6）纹理类（CTexture）：提供将位图数据转换为RGBA数据的接口，记录创建的纹理的宽度、高度、ID等参数，只记录纹理的参数信息，不负责纹理的绘制。

7）点状要素类（CPoint）：包含一个CVertex对象，用来记录所绘文字的定位点，作为基类。

8）栅格文字类（CRasterText）：用来绘制基于位图的文字，为CPoint类的子类，包含所绘文字的内容、字体、颜色、对齐方式、位图大小、是否绘制轮廓等属性，提供设置文本、设置颜色、设置字体、计算包围盒、平移、设置对齐方式、绘制等接口。该类为

2.1 章节所描述绘制方法的代码实现。

（9）纹理文字类（CTextureText）：用来绘制基于纹理的文字，为CRasterText类的子类，在其父类的基础上，包含X轴上的缩放系数、Y轴上的缩放系数、旋转角度、变形系数等属性，提供设置旋转角度、设置缩放系数、变形系数等接口，可以实现文字的旋转、缩放、变形等特效。该类为3.2节所描述绘制方法的代码实现。

图4 文字绘制类关系图

4 试验

本文的试验环境：操作系统Windows XPSP3简体中文专业版；处理器：Interl（R）Core（TM）i7-2600；屏幕分辨率为1600×900；开发环境Visual Studio 2008；开发语言：Visual C++；库函数：GDI和OpenGL；窗口背景：调用glClearColor（0，0，0，0）函数，设置屏幕背景为黑色；绘制颜色：白色（255，255，255，255）；对齐方式测试：文中所定义的9种对齐方式；旋转测试：每间隔45°旋转一次，旋转360°；缩放测试：整体放大2倍、缩小2倍、轴向放大；倾斜测试：将文字左右各倾斜30°；变形测试：采用顶部放大和底部放大的方式，构建出正梯形和倒梯形的文字效果；使用的逻辑字体的参数为

LOGFONTlFont；

lFont.lfHeight=32；

lFont.lfWidth=0；

lFont.lfEscapement=0；

lFont.lfOrientation=0；

lFont.lfWeight=400；

lFont.lfItalic=0；

lFont.lfUnderline=0；l

Font.lfStrikeOut=0；

lFont.lfCharSet=DEFAULT_CHARSET；

lFont.lfOutPrecision=OUT_TT_PRECIS；

lFont.lfClipPrecision= CLIP_DEFAULT_PRECIS；

lFont.lfQuality=DEFAULT_QUALITY；

lFont.lfPitchAndFamily= DEFAULT_PITCH |FF_MODERN；

strcpy_s（lFont.lfFaceName，32，“黑体”）。

本实验的运行结果如图5所示，实现了常规文字和非常规文字的输出，证明了该方法的正确性和有效性。与概述中提到的其他几种方法相比，可以方便修改文字字体、设置文字旋转、变形、对齐方式等效果，绘制速度更快，具有很好的灵活性和通用性。

图5 文字绘制测试结果

5 结语

本文介绍了OpenGL中绘制二维文字的通用方法，设计了文字绘制类及动态链接库，使用GDI实现了位图文字到纹理文字的转换，达到了文字的各种特效。该方法已经在地图编制、地物标绘、信号模拟、仪表显示等相关项目中得到应用，取得了良好的效果。