用Python修改字体字形与提取矢量数据：fontTools实战指南

字体设计与分析是NLP和视觉领域的交叉应用，而**fontTools** 是一款强大的Python库，可以让我们直接操作字体文件的底层结构。本文将通过两个实用函数，展示如何修改特定字形和提取所有字形的矢量数据，帮助开发者快速上手字体编辑与分析。

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一、函数1：修改字体字形（change_glyph）

功能

• 将字体文件中指定字形（如"A"）替换为新的矢量轮廓。

代码实现

from fontTools.pens.transformPen import TransformPen
from fontTools.ttLib import TTFont
from fontTools.pens.recordingPen import RecordingPen
from fontTools.pens.ttGlyphPen import TTGlyphPen

def change_glyph(font_path, glyph_name, new_glyph_path):
    # 加载字体文件
    font = TTFont(font_path)
    
    # 获取 glyf 表
    glyf_table = font['glyf']
    
    # 确保字形存在
    if glyph_name in glyf_table.glyphs:
        # 记录原始轮廓（可选，用于对比）
        recording_pen = RecordingPen()
        glyf_table[glyph_name].draw(recording_pen, font)
        
        # 创建新轮廓
        new_glyph_pen = TTGlyphPen(font.getGlyphSet())
        # 定义新轮廓（此处为一个简单的矩形）
        new_glyph_pen.moveTo((100, 100))
        new_glyph_pen.lineTo((200, 100))
        new_glyph_pen.lineTo((200, 200))
        new_glyph_pen.lineTo((100, 200))
        new_glyph_pen.closePath()
        
        # 替换字形
        glyf_table[glyph_name] = new_glyph_pen.glyph()
        
        # 保存修改后的字体
        font.save(new_glyph_path)
    else:
        print(f"字形 '{glyph_name}' 不存在！")

关键步骤解析

1. 加载字体：通过 TTFont 加载字体文件。
2. 获取 glyf 表：glyf 表存储字形的矢量轮廓数据。
3. 记录原始轮廓：使用 RecordingPen 记录原始字形的路径数据（可选）。
4. 生成新轮廓：通过 TTGlyphPen 定义新轮廓的坐标点（如矩形）。
5. 替换并保存：将新轮廓写入 glyf 表，并保存为新字体文件。

应用场景

• 自定义字体设计：修改特定字符的形状（如Logo字体）。
• 修复字体缺陷：调整模糊或不规则的字形。

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二、函数2：提取所有字形矢量数据（extract_all_glyph_vector_data）

功能

• 遍历字体中所有字符，提取其矢量路径数据并保存为文本文件。

代码实现

def extract_all_glyph_vector_data(font_path, output_file):
    font = TTFont(font_path)
    cmap = font.getBestCmap()  # 字符编码到字形名的映射
    glyph_set = font.getGlyphSet()
    file_content = ""
    
    for char_code, glyph_name in cmap.items():
        glyph = glyph_set[glyph_name]
        pen = RecordingPen()
        transform_pen = TransformPen(pen, (1, 0, 0, 1, 0, 0))  # 无变换
        glyph.draw(transform_pen)
        
        # 格式化输出
        character = chr(char_code) if char_code <= 0x10FFFF else f"U+{char_code:04X}"
        data = f"Character: {character} (U+{char_code:04X})\nVector Data: {pen.value}\n\n"
        file_content += data
    
    # 保存到文件
    with open(output_file, "w", encoding="utf-8") as f:
        f.write(file_content)

关键步骤解析

1. 获取字符映射：通过 cmap 表将Unicode编码映射到字形名称。
2. 遍历所有字符：逐个提取字形的矢量数据。
3. 记录路径数据：使用 RecordingPen 获取字形的路径指令（如 moveTo, lineTo）。
4. 保存为文本：将所有字符的矢量数据写入文件，便于后续分析。

输出示例

Character: A (U+0041)
Vector Data:
MoveTo((100, 200))
LineTo((300, 200))
LineTo((200, 400))
ClosePath()

应用场景

• 字体逆向工程：分析字体设计逻辑或版权问题。
• 自动化处理：批量提取字形数据用于机器学习训练。

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三、使用示例

# 修改字体中的"A"字形
change_glyph(
    font_path="simsun.ttf",      # 输入字体路径
    glyph_name="A",              # 目标字形名称
    new_glyph_path="modified.ttf" # 输出路径
)

# 提取所有字形数据
extract_all_glyph_vector_data(
    font_path="simsun.ttf", 
    output_file="simsun_vectors.txt"
)

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四、注意事项

1. 字体兼容性：

   • 支持 .ttf 和 .otf 格式，但 OpenType 字体需额外处理。
   • 修改后字体需通过 fontTools 验证：

     python -m fontTools.validate modified.ttf
     

2. 性能优化：

   • 处理大字体时，建议分批次处理或使用多线程。

3. 版权问题：

   • 修改商业字体需遵守版权协议，开源字体（如Google Fonts）更易操作。

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五、扩展功能

1. 转换坐标系

通过 TransformPen 可以对字形进行缩放、旋转等变换：

# 缩放字形为原尺寸的50%
scale = 0.5
transform = (scale, 0, 0, scale, 0, 0)
transform_pen = TransformPen(pen, transform)

2. 可视化字形

使用 matplotlib 可视化字形轮廓：

import matplotlib.pyplot as plt

def plot_glyph(glyph):
    pen = PathPen(glyph)
    glyph.draw(pen)
    path = pen.path
    for element in path:
        vertices = element.vertices
        codes = element.codes
        plt.plot(vertices[:,0], vertices[:,1], marker='o')
    plt.show()

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六、总结

通过 fontTools，我们可以直接操作字体的底层矢量数据，实现字形修改、分析和自动化处理。无论是设计个性化字体，还是研究字体结构，这些工具都能提供强大的支持。立即尝试，探索字体设计的新可能！