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7 <chapter id="shaping-and-shape-plans">
8   <title>Shaping and shape plans</title>
9   <para>
10     Once you have your face and font objects configured as desired and
11     your input buffer is filled with the characters you need to shape,
12     all you need to do is call <function>hb_shape()</function>.
13   </para>
14   <para>
15     HarfBuzz will return the shaped version of the text in the same
16     buffer that you provided, but it will be in output mode. At that
17     point, you can iterate through the glyphs in the buffer, drawing
18     each one at the specified position or handing them off to the
19     appropriate graphics library.
20   </para>
21   <para>
22     For the most part, HarfBuzz's shaping step is straightforward from
23     the outside. But that doesn't mean there will never be cases where
24     you want to look under the hood and see what is happening on the
25     inside. HarfBuzz provides facilities for doing that, too.
26   </para>
27   
28   <section id="shaping-buffer-output">
29     <title>Shaping and buffer output</title>
30     <para>
31       The <function>hb_shape()</function> function call takes four arguments: the font
32       object to use, the buffer of characters to shape, an array of
33       user-specified features to apply, and the length of that feature
34       array. The feature array can be NULL, so for the sake of
35       simplicity we will start with that case.
36     </para>
37     <para>
38       Internally, HarfBuzz looks  at the tables of the font file to
39       determine where glyph classes, substitutions, and positioning
40       are defined, using that information to decide which
41       <emphasis>shaper</emphasis> to use (<literal>ot</literal> for
42       OpenType fonts, <literal>aat</literal> for Apple Advanced
43       Typography fonts, and so on). It also looks at the direction,
44       script, and language properties of the segment to figure out
45       which script-specific shaping model is needed (at least, in
46       shapers that support multiple options).      
47     </para>
48     <para>
49       If a font has a GDEF table, then that is used for
50       glyph classes; if not, HarfBuzz will fall back to Unicode
51       categorization by code point. If a font has an AAT "morx" table,
52       then it is used for substitutions; if not, but there is a GSUB
53       table, then the GSUB table is used. If the font has an AAT
54       "kerx" table, then it is used for positioning; if not, but
55       there is a GPOS table, then the GPOS table is used. If neither
56       table is found, but there is a "kern" table, then HarfBuzz will
57       use the "kern" table. If there is no "kerx", no GPOS, and no
58       "kern", HarfBuzz will fall back to positioning marks itself.
59     </para>
60     <para>
61       With a well-behaved OpenType font, you expect GDEF, GSUB, and
62       GPOS tables to all be applied. HarfBuzz implements the
63       script-specific shaping models in internal functions, rather
64       than in the public API.
65     </para>
66     <para>
67       The algorithms
68       used for complex scripts can be quite involved; HarfBuzz tries
69       to be compatible with the OpenType Layout specification
70       and, wherever there is any ambiguity, HarfBuzz attempts to replicate the
71       output of Microsoft's Uniscribe engine. See the <ulink
72       url="https://docs.microsoft.com/en-us/typography/script-development/standard">Microsoft
73       Typography pages</ulink> for more detail.
74     </para>
75     <para>
76       In general, though, all that you need to know is that
77       <function>hb_shape()</function> returns the results of shaping
78       in the same buffer that you provided. The buffer's content type
79       will now be set to
80       <literal>HB_BUFFER_CONTENT_TYPE_GLYPHS</literal>, indicating
81       that it contains shaped output, rather than input text. You can
82       now extract the glyph information and positioning arrays:
83     </para>
84     <programlisting language="C">
85       hb_glyph_info_t *glyph_info    = hb_buffer_get_glyph_infos(buf, &amp;glyph_count);
86       hb_glyph_position_t *glyph_pos = hb_buffer_get_glyph_positions(buf, &amp;glyph_count);
87     </programlisting>
88     <para>
89       The glyph information array holds a <type>hb_glyph_info_t</type>
90       for each output glyph, which has two fields:
91       <parameter>codepoint</parameter> and
92       <parameter>cluster</parameter>. Whereas, in the input buffer,
93       the <parameter>codepoint</parameter> field contained the Unicode
94       code point, it now contains the glyph ID of the corresponding
95       glyph in the font. The <parameter>cluster</parameter> field is
96       an integer that you can use to help identify when shaping has
97       reordered, split, or combined code points; we will say more
98       about that in the next chapter.
99     </para>
100     <para>
101       The glyph positions array holds a corresponding
102       <type>hb_glyph_position_t</type> for each output glyph,
103       containing four fields: <parameter>x_advance</parameter>,
104       <parameter>y_advance</parameter>,
105       <parameter>x_offset</parameter>, and
106       <parameter>y_offset</parameter>. The advances tell you how far
107       you need to move the drawing point after drawing this glyph,
108       depending on whether you are setting horizontal text (in which
109       case you will have x advances) or vertical text (for which you
110       will have y advances). The x and y offsets tell you where to
111       move to start drawing the glyph; usually you will have both and
112       x and a y offset, regardless of the text direction.
113     </para>
114     <para>
115       Most of the time, you will rely on a font-rendering library or
116       other graphics library to do the actual drawing of glyphs, so
117       you will need to iterate through the glyphs in the buffer and
118       pass the corresponding values off.
119     </para>
120   </section>
121   
122   <section id="shaping-opentype-features">
123     <title>OpenType features</title>
124     <para>
125       OpenType features enable fonts to include smart behavior,
126       implemented as "lookup" rules stored in the GSUB and GPOS
127       tables. The OpenType specification defines a long list of
128       standard features that fonts can use for these behaviors; each
129       feature has a four-character reserved name and a well-defined
130       semantic meaning.
131     </para>
132     <para>
133       Some OpenType features are defined for the purpose of supporting
134       complex-script shaping, and are automatically activated, but
135       only when a buffer's script property is set to a script that the
136       feature supports.
137     </para>
138     <para>
139       Other features are more generic and can apply to several (or
140       any) script, and shaping engines are expected to implement
141       them. By default, HarfBuzz activates several of these features
142       on every text run. They include <literal>abvm</literal>,
143       <literal>blwm</literal>, <literal>ccmp</literal>,
144       <literal>locl</literal>, <literal>mark</literal>,
145       <literal>mkmk</literal>, and <literal>rlig</literal>.
146     </para>
147     <para>
148       In addition, if the text direction is horizontal, HarfBuzz
149       also applies the <literal>calt</literal>,
150       <literal>clig</literal>, <literal>curs</literal>,
151       <literal>dist</literal>, <literal>kern</literal>,
152       <literal>liga</literal>, <literal>rclt</literal>,
153       and <literal>frac</literal> features.
154     </para>
155     <para>
156       If the text direction is vertical, HarfBuzz applies
157       the <literal>vert</literal> feature by default.
158     </para>
159     <para>
160       Still other features are designed to be purely optional and left
161       up to the application or the end user to enable or disable as desired.
162     </para>
163     <para>
164       You can adjust the set of features that HarfBuzz applies to a
165       buffer by supplying an array of <type>hb_feature_t</type>
166       features as the third argument to
167       <function>hb_shape()</function>. For a simple case, let's just
168       enable the <literal>dlig</literal> feature, which turns on any
169       "discretionary" ligatures in the font:
170     </para>
171     <programlisting language="C">
172       hb_feature_t userfeatures[1];
173       userfeatures[0].tag = HB_TAG('d','l','i','g');
174       userfeatures[0].value = 1;
175       userfeatures[0].start = HB_FEATURE_GLOBAL_START;
176       userfeatures[0].end = HB_FEATURE_GLOBAL_END;
177     </programlisting>
178     <para>
179       <literal>HB_FEATURE_GLOBAL_END</literal> and
180       <literal>HB_FEATURE_GLOBAL_END</literal> are macros we can use
181       to indicate that the features will be applied to the entire
182       buffer. We could also have used a literal <literal>0</literal>
183       for the start and a <literal>-1</literal> to indicate the end of
184       the buffer (or have selected other start and end positions, if needed).
185     </para>
186     <para>
187       When we pass the <varname>userfeatures</varname> array to
188       <function>hb_shape()</function>, any discretionary ligature
189       substitutions from our font that match the text in our buffer
190       will get performed:
191     </para>
192     <programlisting language="C">
193       hb_shape(font, buf, userfeatures, num_features);
194     </programlisting>
195     <para>
196       Just like we enabled the <literal>dlig</literal> feature by
197       setting its <parameter>value</parameter> to
198       <literal>1</literal>, you would disable a feature by setting its
199       <parameter>value</parameter> to <literal>0</literal>. Some
200       features can take other <parameter>value</parameter> settings;
201       be sure you read the full specification of each feature tag to
202       understand what it does and how to control it.
203     </para>
204   </section>
205
206   <section id="shaping-shaper-selection">
207     <title>Shaper selection</title>
208     <para>
209       The basic version of <function>hb_shape()</function> determines
210       its shaping strategy based on examining the capabilities of the
211       font file. OpenType font tables cause HarfBuzz to try the
212       <literal>ot</literal> shaper, while AAT font tables cause HarfBuzz to try the
213       <literal>aat</literal> shaper. 
214     </para>
215     <para>
216       In the real world, however, a font might include some unusual
217       mix of tables, or one of the tables might simply be broken for
218       the script you need to shape. So, sometimes, you might not
219       want to rely on HarfBuzz's process for deciding what to do, and
220       just tell <function>hb_shape()</function> what you want it to try.
221     </para>
222     <para>
223       <function>hb_shape_full()</function> is an alternate shaping
224       function that lets you supply a list of shapers for HarfBuzz to
225       try, in order, when shaping your buffer. For example, if you
226       have determined that HarfBuzz's attempts to work around broken
227       tables gives you better results than the AAT shaper itself does,
228       you might move the AAT shaper to the end of your list of
229       preferences and call <function>hb_shape_full()</function>
230     </para>
231     <programlisting language="C">
232       char *shaperprefs[3] = {"ot", "default", "aat"};
233       ...
234       hb_shape_full(font, buf, userfeatures, num_features, shaperprefs);
235     </programlisting>
236     <para>
237       to get results you are happier with.
238     </para>
239     <para>
240       You may also want to call
241       <function>hb_shape_list_shapers()</function> to get a list of
242       the shapers that were built at compile time in your copy of HarfBuzz.
243     </para>
244   </section>
245   
246   <section id="shaping-plans-and-caching">
247     <title>Plans and caching</title>
248     <para>
249       Internally, HarfBuzz uses a structure called a shape plan to
250       track its decisions about how to shape the contents of a
251       buffer. The <function>hb_shape()</function> function builds up the shape plan by
252       examining segment properties and by inspecting the contents of
253       the font.
254     </para>
255     <para>
256       This process can involve some decision-making and
257       trade-offs — for example, HarfBuzz inspects the GSUB and GPOS
258       lookups for the script and language tags set on the segment
259       properties, but it falls back on the lookups under the
260       <literal>DFLT</literal> tag (and sometimes other common tags)
261       if there are actually no lookups for the tag requested.
262     </para>
263     <para>
264       HarfBuzz also includes some work-arounds for
265       handling well-known older font conventions that do not follow
266       OpenType or Unicode specifications, for buggy system fonts, and for
267       peculiarities of Microsoft Uniscribe. All of that means that a
268       shape plan, while not something that you should edit directly in
269       client code, still might be an object that you want to
270       inspect. Furthermore, if resources are tight, you might want to
271       cache the shape plan that HarfBuzz builds for your buffer and
272       font, so that you do not have to rebuild it for every shaping call.
273     </para>
274     <para>
275       You can create a cacheable shape plan with
276       <function>hb_shape_plan_create_cached(face, props,
277       user_features, num_user_features, shaper_list)</function>, where
278       <parameter>face</parameter> is a face object (not a font object,
279       notably), <parameter>props</parameter> is an
280       <type>hb_segment_properties_t</type>,
281       <parameter>user_features</parameter> is an array of
282       <type>hb_feature_t</type>s (with length
283       <parameter>num_user_features</parameter>), and
284       <parameter>shaper_list</parameter> is a list of shapers to try.
285     </para>
286     <para>
287       Shape plans are objects in HarfBuzz, so there are
288       reference-counting functions and user-data attachment functions
289       you can
290       use. <function>hb_shape_plan_reference(shape_plan)</function>
291       increases the reference count on a shape plan, while
292       <function>hb_shape_plan_destroy(shape_plan)</function> decreases
293       the reference count, destroying the shape plan when the last
294       reference is dropped.
295     </para>
296     <para>
297       You can attach user data to a shaper (with a key) using the
298       <function>hb_shape_plan_set_user_data(shape_plan,key,data,destroy,replace)</function>
299       function, optionally supplying a <function>destroy</function>
300       callback to use. You can then fetch the user data attached to a
301       shape plan with
302       <function>hb_shape_plan_get_user_data(shape_plan, key)</function>.
303     </para>
304   </section>
305   
306 </chapter>