OpenGL 高质量文本渲染

前言

在实时 3D 图形中保留尽可能高质量的文本具有挑战性。对象可以动态地改变它们的位置、旋转、比例和视角。所有这些都会对质量产生负面影响，因为文本通常只生成一次，而不是在每一帧中生成。根据字体引擎及其性能，为整个文本生成纹理需要很长时间。通常，这段时间足以影响性能。

本文档介绍了如何在对象为半动态时获得最佳文本质量的方法。半动态对象是既不经常（不是每帧）也不在动画时间内更改的对象。

此示例描述了如何计算字体大小，这应该使纹理像素与屏幕像素紧密匹配。

我们将使用作为 Android 一部分的字体引擎。字体引擎生成包含整个文本形状的 RGBA 图像。然后将图像上传到纹理中，然后将纹理映射到矩形上。矩形必须具有根据纹理大小定义的适当宽高比。

评估字体大小

要评估对象当前转换的字体大小，我们需要将矩形的四个角从 3D 世界空间转换为 2D 像素屏幕空间。以像素为单位表示角，我们可以计算两个左角之间的距离和两个右角之间的距离。然后根据这些距离计算平均值。平均值就是我们要查找的值，因为这是我们将用于生成图像的字体大小。

// 1. 使用当前矩阵计算屏幕坐标中的边界框
Vector4f cLT = new Vector4f(-0.5f,-0.5f, 0.0f, 1.0f);
Vector4f cLB = new Vector4f(-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f);
Vector4f cRT = new Vector4f( 0.5f,-0.5f, 0.0f, 1.0f);
Vector4f cRB = new Vector4f( 0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f);

// 我们重用已经为渲染计算过的矩阵，而不是再次计算矩阵。update() 方法必须在 render() 方法之后调用
cLT.makePixelCoords(mMVPMatrix, theViewportWidth, theViewportHeight);
cLB.makePixelCoords(mMVPMatrix, theViewportWidth, theViewportHeight);
cRT.makePixelCoords(mMVPMatrix, theViewportWidth, theViewportHeight);
cRB.makePixelCoords(mMVPMatrix, theViewportWidth, theViewportHeight);

// 2. 根据边界框角的高度评估字体大小
Vector4f vl = Vector4f.sub(cLB, cLT);
Vector4f vr = Vector4f.sub(cRB, cRT);
textSize = (vl.length3() + vr.length3()) / 2.0f;

下面是 Vector4f 类中 makePixelCoords 方法的定义。该方法将 3D 顶点位置转换为 2D 像素位置。

public void makePixelCoords(float[] aMatrix,
                            int aViewportWidth,
                            int aViewportHeight) {
  // 将向量转换为屏幕坐标，我们假设 aMatrix 是 ModelViewProjection 矩阵
  // transform 方法将此向量乘以 aMatrix
  transform(aMatrix);
  
  // 转换为齐次坐标
  x /= w;
  y /= w;
  z /= w;
  w = 1.0f;
  // 现在向量标准化到了 [-1.0, 1.0] 范围
  
  // 转换为标准化设备坐标
  x = 0.5f + x * 0.5f;
  y = 0.5f + y * 0.5f;
  z = 0.5f + z * 0.5f;
  w = 1.0f;
  // 现在值被限制到 [0.0, 1.0] 范围
  
  // 将坐标移动到窗口空间（以像素为单位）
  x *= (float) aViewportWidth;
  y *= (float) aViewportHeight;
}

纹理生成

由于我们已经知道字体大小，我们可以估计目标图像的大小。图像必须足够大以存储整个文本而无需任何剪切。另一方面，它不能太大，因为以下几何计算是基于图像大小的。我们希望有一个精确适合字体引擎将要生成的内容的大小。

高度计算很简单，因为是字体的大小，但是宽度非常复杂。为了正确计算宽度，我们需要使用字体引擎来帮助我们估计它。 Android Java SDK 附带来自 Paint 对象的 measureText 方法。在测量之前，我们需要向对象提供所有必要的数据，例如：字体名称、字体大小（我们已经计算过）、抗锯齿、ARGB 颜色（在我们的例子中它总是白色，因为着色可能是稍后在片段着色器中完成），以及其他不太重要的数据。

在我们将文本绘制到 Bitmap 对象之前，我们需要使用完全透明的白色 ARGB = (0, 255, 255, 255) 清除其内容。使用此颜色清除背景并将 Paint 颜色也设置为白色，可以防止可能因 alpha 混合而出现的暗纹素。说到混合，GL 混合函数必须在渲染文本之前正确设置，混合函数必须设置为：glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)

下面的函数完成了上面提到的所有步骤：

private void drawCanvasToTexture(
        String aText,
        float aFontSize) {
  
  if (aFontSize < 8.0f)
  aFontSize = 8.0f;
  
  if (aFontSize > 500.0f)
  aFontSize = 500.0f;
  
  Paint textPaint = new Paint();
  textPaint.setTextSize(aFontSize);
  textPaint.setFakeBoldText(false);
  textPaint.setAntiAlias(true);
  textPaint.setARGB(255, 255, 255, 255);
  // 如果支持 hinting，需要启用（取消注释下面一行）
  // textPaint.setHinting(Paint.HINTING_ON);
  textPaint.setSubpixelText(true);
  textPaint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(Mode.SCREEN));
  
  float realTextWidth = textPaint.measureText(aText);
  
  // 创建一个新的 bitmap，宽高为128像素
  bitmapWidth = (int)(realTextWidth + 2.0f);
  bitmapHeight = (int)aFontSize + 2;
  
  Bitmap textBitmap = Bitmap.createBitmap(bitmapWidth, bitmapHeight, Bitmap.Config.ARGB_8888);
  textBitmap.eraseColor(Color.argb(0, 255, 255, 255));
  // 创建一个渲染到 bitmap 的画布
  Canvas bitmapCanvas = new Canvas(textBitmap);
  // 将开始绘图位置设置为 [1, base_line_position]
  // base_line_position 可能因字体而异，但通常等于字体大小（高度）的 75%。
  bitmapCanvas.drawText(aText, 1, 1.0f + aFontSize * 0.75f, textPaint);
  
  GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureId[0]);
  HighQualityTextRenderer.checkGLError("glBindTexture");
  // 上传 bitmap 像素到 OpenGL 纹理
  GLUtils.texImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_RGBA, textBitmap, 0);
  // 释放 bitmap
  textBitmap.recycle();
  
  // 图像上传到 texture 后，重新生成 mipmap
  GLES20.glGenerateMipmap(GLES20.GL_TEXTURE_2D);
  HighQualityTextRenderer.checkGLError("glGenerateMipmap");
}

进一步优化

• 如果程序中的文本经常更改，那么这个概念可能适合。我们可以创建一个单独的线程，它以一定的间隔连续更新纹理。在大多数情况下，将线程保持在尽可能低的优先级，因为生成文本始终是耗时操作，有可能导致性能中断。更新纹理应该在为 GL 上下文的线程上完成。

• 如果沿贝塞尔曲线渲染文本或进行一些位移，则需要更精确地估计字体大小。为此，增加矩形宽度分辨率。此时矩形将被分成垂直切片。然后评估所有这些切片的平均高度。平均高度值用于提高字体大小的精度。