Python实现点阵字体读取与转换的方法

下面是详细的攻略：

背景

在很多嵌入式系统和可编程设备中，像LED点阵屏幕、液晶显示屏等中文显示会使用点阵字库。而点阵字库的生成方法可以通过文字转换为点矩阵数据。本文将介绍如何使用Python实现点阵字体的读取与转换的方法。

实现方法

字体文件格式

在这个方法中，我们使用的点阵字体文件的数据格式是C文件头和字体数据块，采用C数组的方式表示字体数据。头文件描述了字体数据的基本信息，包括字体字符集、字体文件版本、字符数量和字模属性等。

下面是一个字体文件的示例。其中前面的一些信息是字体文件头，后面的则是具体的字模数据。

const unsigned char Font12x12_Hanzi[] =
{
    0x49,0x6e,0x63,0x00,0x02,0xF4,0x00,0x70,0x00,0x40,0x0E,0x00,0x00,0x00,0x60,0x0E,
    0x0E,0x00,0x20,0x17,0x00,0x24,0x22,0x22,0x0E,0x00,0x00,0x10,0x00,0x4E,0x00,0x10,
    0x00,0x00,0x08,0x00,0x60,0x10,0x00,0x70,0x40,0x24,0x40,0x00,0xFE,0x90,0x90,0xFE,
    0x00,0x00,0x00,0x02,0x02,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x80,0xC0,0x00,0x00,0xFE,0x02,0x02,
    0x00,0x00,0xFE,0x80,0xC0,0x00,0x00,0x70,0x88,0x88,0x50,0x20,0x00,0xC0,0x82,0xFE,
    0x00,0x00,0x00,0xE6,0x38,0x38,0xE6,0x00,0x00,0x00,0x26,0x1A,0x3E,0x1A,0x26,0x00,
    0x00,0x14,0x3E,0x54,0x50,0x20,0x00,0x00,0x08,0x14,0x22,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x00,
    0x00,0x00,0x22,0x14,0x08,0x00,0x00,0x02,0x01,0x02,0x00,0x00,0x80,0x80,0x80,0x80,
    0x00,0x00,0x04,0x02,0x04,0x00,0x00,0x40,0x20,0x40,0x20,0x00,0x00,0x1E,0x21,0x41,
    0x21,0x1E,0x00,0x00,0x02,0x3F,0x00,0x00,0x00,0x3F,0x02,0x00,0x00,0x00,0x30,0x40,
    0x40,0x30,0x00,0x00,0x3C,0x02,0x02,0x3C,0x00,0x00,0x38,0x04,0x02,0x04,0x38,0x00,
    0x00,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x00,0x00,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x00,0x00,0x04,
    0x04,0x04,0x04,0x04,0x00,0x00,0x00,0x3C,0x22,0x22,0x22,0x00,0x00,0x1E,0x21,0x21,
    0x21,0x12,0x00,0x00,0x3C,0x22,0x22,0x22,0x1C,0x00,0x00,0x1E,0x21,0x21,0x21,0x22,
    ...
};

读取字体文件

使用Python读取字体文件，步骤如下：

1. 打开字体文件，读取字体数据。

filename = "fontfile.c"
with open(filename) as f:
    fcontents = f.read()

1. 使用正则表达式提取字体数据块，例如：

import re
matches = re.findall(r"const unsigned char .+?={((?:0x[\d\w]{2},)+)};", fcontents)
fontdata_str = matches[0]

1. 将字体数据字符串转换为Python字节数组。

fontdata = list(map(lambda x: int(x, 16), fontdata_str.split(",")))

从字体数据中提取字符

从字体数据中提取字符需要知道每个字符所占的字节数和字节数组中每个字符的偏移量。常见的字形数据排列方式是“竖向取模”，即每个字符所占用的字节依次排列，每行取模数据的数量是字体的高度，每列所占用的字节数量是字符宽度的1/8。比如，如果一个字体是12x12的汉字点阵，那么字形数据格式可以表示为：一个字符所占用的字节数是12*2=24个字节，每一行数据的字节数是3个。字体的高度是12，因此字节数组中每12个字节为一行。所以，每个字符的偏移量是 $code\times24\times height/8$，其中code是字符编码，height是字体高度。

def get_char(fontdata, code, width, height):
    offset = code * width * height // 8
    charbytes = fontdata[offset:offset + width * height // 8]
    charbits = []
    for b in charbytes:
        for i in range(8):
            bitmask = 1 << (7-i)
            charbits.append((b & bitmask) != 0)
    return charbits

使用Pillow库生成图像

最后，可以使用Python库Pillow将点阵字形转换为图像文件。例如，下面是将一个12x12像素的汉字转换为bmp格式的代码：

from PIL import Image

def save_char_image(charbits, width, height, filename):
    img = Image.new("1", (width, height), 1) # 新建一张宽高为width、height的图像
    for y in range(height):
        for x in range(width):
            if charbits[y * width + x]:
                img.putpixel((x, y), 0) # 将图像中的像素点设置为黑色
    img.save(filename, "BMP") # 以BMP格式保存图像文件

示范应用

下面演示如何将一个16x16像素的汉字转换为图像，并保存为bmp格式文件：

# 读取字体文件
with open("fontfile.c") as f:
    fcontents = f.read()

# 提取字体数据
matches = re.findall(r"const unsigned char .+?={((?:0x[\d\w]{2},)+)};", fcontents)
fontdata_str = matches[0]
fontdata = list(map(lambda x: int(x, 16), fontdata_str.split(",")))

# 提取汉字的点阵数据，并保存为bmp格式
width, height = 16, 16
charbits = get_char(fontdata, 0x6211 - 0x4E00, width, height)
save_char_image(charbits, width, height, "char.bmp")

这段代码读取了一个名为fontfile.c的字体文件，提取了该字体文件中第一个汉字“我”的点阵数据，并将其转换为16x16像素的图像文件，保存为“char.bmp”。