Factor out code for optimizing PUSH.
[ttfautohint.git] / doc / ttfautohint-1.pandoc
blob3c77817cf943735cea5edac5a9db85189b432063
1 % ttfautohint
2 % Werner Lemberg
5 <!--
6   Copyright (C) 2011-2014 by Werner Lemberg.
8   This file is part of the ttfautohint library, and may only be used,
9   modified, and distributed under the terms given in `COPYING'.  By
10   continuing to use, modify, or distribute this file you indicate that you
11   have read `COPYING' and understand and accept it fully.
13   The file `COPYING' mentioned in the previous paragraph is distributed
14   with the ttfautohint library.
15 -->
19 Introduction
20 ============
22 **ttfautohint** is a library written in\ C that takes a TrueType font as
23 the input, removes its bytecode instructions (if any), and returns a new
24 font where all glyphs are bytecode hinted using the information given by
25 FreeType's auto-hinting module.  The idea is to provide the excellent
26 quality of the auto-hinter on platforms that don't use FreeType.
28 The library has a single API function, `TTF_autohint`, which is described
29 [below](#the-ttfautohint-api).
31 Bundled with the library there are two front-end programs, [`ttfautohint`
32 and `ttfautohintGUI`](#ttfautohint-and-ttfautohintgui), being a command line
33 program and an application with a Graphics User Interface (GUI),
34 respectively.
37 What exactly are hints?
38 -----------------------
40 To cite [Wikipedia](http://en.wikipedia.org/wiki/Font_hinting):
42 > **Font hinting** (also known as **instructing**) is the use of
43 > mathematical instructions to adjust the display of an outline font so that
44 > it lines up with a rasterized grid.  At low screen resolutions, hinting is
45 > critical for producing a clear, legible text.  It can be accompanied by
46 > antialiasing and (on liquid crystal displays) subpixel rendering for
47 > further clarity.
49 and Apple's [TrueType Reference
50 Manual](https://developer.apple.com/fonts/TTRefMan/RM03/Chap3.html#features):
52 > For optimal results, a font instructor should follow these guidelines:
54 >  - At small sizes, chance effects should not be allowed to magnify small
55 >    differences in the original outline design of a glyph.
57 >  - At large sizes, the subtlety of the original design should emerge.
60 In general, there are three possible ways to hint a glyph.
62  1. The font contains hints (in the original sense of this word) to guide
63     the rasterizer, telling it which shapes of the glyphs need special
64     consideration.  The hinting logic is partly in the font and partly in
65     the rasterizer.  More sophisticated rasterizers are able to produce
66     better rendering results.
68     This is how Type\ 1 and CFF hints work.
70  2. The font contains exact instructions (also called *bytecode*) on how to
71     move the points of its outlines, depending on the resolution of the
72     output device, and which intentionally distort the (outline) shape to
73     produce a well-rasterized result.  The hinting logic is in the font;
74     ideally, all rasterizers simply process these instructions to get the
75     same result on all platforms.
77     This is how TrueType hints work.
79  3. The font gets auto-hinted (at run-time).  The hinting logic is
80     completely in the rasterizer.  No hints in the font are used or needed;
81     instead, the rasterizer scans and analyzes the glyphs to apply
82     corrections by itself.
84     This is how FreeType's auto-hinter works; see
85     [below](#background-and-technical-details) for more.
88 What problems can arise with TrueType hinting?
89 ----------------------------------------------
91 While it is relatively easy to specify PostScript hints (either manually or
92 by an auto-hinter that works at font creation time), creating TrueType
93 hints is far more difficult.  There are at least two reasons:
95   - TrueType instructions form a programming language, operating at a very
96     low level.  They are comparable to assembler code, thus lacking all
97     high-level concepts to make programming more comfortable.
99     Here an example how such code looks like:
101     ```
102         SVTCA[0]
103         PUSHB[ ]  /* 3 values pushed */
104         18 1 0
105         CALL[ ]
106         PUSHB[ ]  /* 2 values pushed */
107         15 4
108         MIRP[01001]
109         PUSHB[ ]  /* 3 values pushed */
110         7 3 0
111         CALL[ ]
112     ```
114     Another major obstacle is the fact that font designers usually aren't
115     programmers.
117   - It is very time consuming to manually hint glyphs.  Given that the
118     number of specialists for TrueType hinting is very limited, hinting a
119     large set of glyphs for a font or font family can become very expensive.
122 Why ttfautohint?
123 ----------------
125 The ttfautohint library brings the excellent quality of FreeType rendering
126 to platforms that don't use FreeType, yet require hinting for text to look
127 good -- like Microsoft Windows.  Roughly speaking, it converts the glyph
128 analysis done by FreeType's auto-hinting module to TrueType bytecode.
129 Internally, the auto-hinter's algorithm resembles PostScript hinting
130 methods; it thus combines all three hinting methods discussed
131 [previously](#what-exactly-are-hints).
133 The simple interface of the front-ends (both on the command line and with
134 the GUI) allows quick hinting of a whole font with a few mouse clicks or a
135 single command on the prompt.  As a result, you get better rendering results
136 with web browsers, for example.
138 Across Windows rendering environments today, fonts processed with
139 ttfautohint look best with ClearType enabled.  This is the default for
140 Windows\ 7.  Good visual results are also seen in recent MacOS\ X versions
141 and GNU/Linux systems (including Android, ChromeOS, and other mobile
142 operating systems) that use FreeType for rendering glyphs.
144 The goal of the project is to generate a 'first pass' of hinting that font
145 developers can refine further for ultimate quality.
149 `ttfautohint` and `ttfautohintGUI`
150 ==================================
152 On all supported platforms (GNU/Linux, Windows, and Mac OS\ X), the GUI
153 looks quite similar; the used toolkit is [Qt], which in turn uses the
154 platform's native widgets.
156 ![`ttfautohintGUI` on GNU/Linux running KDE](img/ttfautohintGUI.png)
158 Both the GUI and console version share the same features, to be discussed in
159 the next subsection.
161 **Warning: ttfautohint cannot always process a font a second time.**
162 If the font contains composite glyphs, and [option `-c`](#hint-composites)
163 is used, reprocessing with ttfautohint will fail.  For this reason it is
164 strongly recommended to *not* delete the original, unhinted font so that you
165 can always rerun ttfautohint.
168 Calling `ttfautohint`
169 ---------------------
172     ttfautohint [OPTION]... [IN-FILE [OUT-FILE]]
175 The TTY binary, `ttfautohint`, works like a Unix filter, this is, it reads
176 data from standard input if no input file name is given, and it sends its
177 output to standard output if no output file name is specified.
179 A typical call looks like the following.
182     ttfautohint -v -f latn foo.ttf foo-autohinted.ttf
185 For demonstration purposes, here the same using a pipe and redirection.
186 Note that Windows's default command line interpreter, `cmd.exe`, doesn't
187 support piping with binary files, unfortunately.
190     cat foo.ttf | ttfautohint -v -f latn > foo-autohinted.ttf
194 Calling `ttfautohintGUI`
195 ------------------------
198     ttfautohintGUI [OPTION]...
201 `ttfautohintGUI` doesn't send any output to a console; however, it accepts
202 the same command line options as `ttfautohint`, setting default values for
203 the GUI.
206 Options
207 -------
209 Long options can be given with one or two dashes, and with and without an
210 equal sign between option and argument.  This means that the following forms
211 are acceptable: `-foo=`*bar*, `--foo=`*bar*, `-foo`\ *bar*, and
212 `--foo`\ *bar*.
214 Below, the section title refers to the command's label in the GUI (if
215 applicable), then comes the name of the corresponding long command line
216 option and its short equivalent, followed by a description.
218 Background and technical details on the meaning of the various options are
219 given [afterwards](#background-and-technical-details).
221 ### Hint Set Range Minimum, Hint Set Range Maximum
223 See ['Hint Sets'](#hint-sets) for a definition and explanation.
225 `--hinting-range-min=`*n*, `-l`\ *n*
226 :   The minimum PPEM value (in pixels) at which hint sets are created.  The
227     default value for *n* is\ 8.
229 `--hinting-range-max=`*n*, `-r`\ *n*
230 :   The maximum PPEM value (in pixels) at which hint sets are created.  The
231     default value for *n* is 50.
233 Increasing the range given by `-l` and `-r` normally makes the font's
234 bytecode larger.
236 ### Default Script
238 `--default-script=`*s*, `-D`\ *s*
239 :   Set default script to tag *s*, which is a string consisting of four
240     lowercase characters like `latn` or `dflt`.  It is needed to specify the
241     OpenType default script: After applying all features that are handled
242     specially (like small caps or superscript), ttfautohint uses this value
243     for the remaining features.  The default value is `latn`.  See
244     [below](#opentype-features) for more details.
246 ### Fallback Script
248 `--fallback-script=`*s*, `-f`\ *s*
249 :   Set fallback script to tag *s*, which is a string consisting of four
250     characters like `latn` or `dflt`.  It gets used for for all glyphs that
251     can't be assigned to a script automatically.  See [below](#scripts) for
252     more details.
254 ### Hinting Limit
256 `--hinting-limit=`*n*, `-G`\ *n*
257 :   The *hinting limit* is the PPEM value (in pixels) where hinting gets
258     switched off (using the `INSTCTRL` bytecode instruction, not the `gasp`
259     table data); it does not influence the file size.  The default value for
260     *n* is 200, which means that the font is not hinted for PPEM values
261     larger than 200.
263     Note that hinting in the range 'hinting-range-max' up to 'hinting-limit'
264     uses the hinting configuration for 'hinting-range-max'.
266     To omit a hinting limit, use `--hinting-limit=0` (or check the 'No
267     Hinting Limit' box in the GUI).  Since this causes internal math
268     overflow in the rasterizer for large pixel values (>\ 1500px approx.) it
269     is strongly recommended to not use this except for testing purposes.
271 ### x Height Increase Limit
273 `--increase-x-height=`*n*, `-x`\ *n*
274 :   Normally, ttfautohint rounds the x\ height to the pixel grid, with a
275     slight preference for rounding up (to use the terminology of TrueType's
276     'Super Round' bytecode instruction, the threshold is 5/8px).  If this
277     flag is set, values in the range 6\ PPEM to *n*\ PPEM are much more
278     often rounded up (setting the threshold to 13/16px).  The default value
279     for *n* is 14.  Use this flag to increase the legibility of small sizes
280     if necessary; you might get weird rendering results otherwise for glyphs
281     like 'a' or 'e', depending on the font design.
283     To switch off this feature, use `--increase-x-height=0` (or check the
284     'No x\ Height Increase' box in the GUI).  To switch off rounding the
285     x\ height to the pixel grid in general, either partially or completely,
286     see ['x Height Snapping Exceptions'](#x-height-snapping-exceptions).
288     The following images again use the font 'Mertz Bold'.
290     ![At 17px, without option `-x` and '`-w ""`', the hole in glyph 'e'
291       looks very grey in the FontForge snapshot, and the GDI ClearType
292       rendering (which is the default on older Windows versions) fills it
293       completely with black because it uses B/W rendering along the y\ axis.
294       FreeType's 'light' autohint mode (which corresponds to ttfautohint's
295       'smooth' stem width algorithm) intentionally aligns horizontal lines
296       to non-integer (but still discrete) values to avoid large glyph shape
297       distortions.](img/e-17px-x14.png)
299     ![The same, this time with option `-x 17` (and
300       '`-w ""`').](img/e-17px-x17.png)
302 ### x Height Snapping Exceptions
304 `--x-height-snapping-exceptions=`*string*, `-X`\ *string*
305 :   A list of comma separated PPEM values or value ranges at which no
306     x\ height snapping shall be applied.  A value range has the form
307     *value1*`-`*value2*, meaning *value1*\ <= PPEM <=\ *value2*.  *value1*
308     or *value2* (or both) can be missing; a missing value is replaced by the
309     beginning or end of the whole interval of valid PPEM values,
310     respectively (6\ to 32767).  Whitespace is not significant; superfluous
311     commas are ignored, and ranges must be specified in increasing order.
312     For example, the string `"7-9, 11, 13-"` means the values 7, 8, 9, 11,
313     13, 14, 15, etc.  Consequently, if the supplied argument is `"-"`, no
314     x\ height snapping takes place at all.  The default is the empty string
315     (`""`), meaning no snapping exceptions.
317     Normally, x\ height snapping means a slight increase in the overall
318     vertical glyph size so that the height of lowercase glyphs gets aligned
319     to the pixel grid (this is a global feature, affecting *all* glyphs of a
320     font).  However, having larger vertical glyph sizes is not always
321     desired, especially if it is not possible to adjust the `usWinAscent`
322     and `usWinDescent` values from the font's `OS/2` table so that they are
323     not too tight.  See ['Windows Compatibility'](#windows-compatibility)
324     for more details.
326 ### Fallback Stem Width
328 `--fallback-stem-width=`*n*, `-H`\ *n*
329 :   Set the horizontal stem width (hinting) value for all scripts that lack
330     proper standard characters in the font.  The value is given in font
331     units and must be a positive integer.  If not set, ttfautohint uses a
332     hard-coded default (50\ units at 2048 units per EM, and linearly scaled
333     for other UPEM values, for example 24\ units at 1000 UPEM).
335     For symbol fonts, you need option `--fallback-script` too (to set up a
336     script at all).
338     In the GUI, uncheck the 'Default Fallback Stem Width' box to activate
339     this feature.
341 ### Windows Compatibility
343 `--windows-compatibility`, `-W`
344 :   This option makes ttfautohint add two artificial blue zones, positioned
345     at the `usWinAscent` and `usWinDescent` values (from the font's `OS/2`
346     table).  The idea is to help ttfautohint so that the hinted glyphs stay
347     within this horizontal stripe since Windows clips everything falling
348     outside.
350     There is a general problem with tight values for `usWinAscent` and
351     `usWinDescent`; a good description is given in the [Vertical Metrics
352     How-To](http://typophile.com/node/13081).  Additionally, there is a
353     special problem with tight values if used in combination with
354     ttfautohint because the auto-hinter tends to slightly increase the
355     vertical glyph dimensions at smaller sizes to improve legibility.  This
356     enlargement can make the heights and depths of glyphs exceed the range
357     given by `usWinAscent` and `usWinDescent`.
359     If ttfautohint is part of the font creation tool chain, and the font
360     designer can adjust those two values, a better solution instead of using
361     option `-W` is to reserve some vertical space for 'padding': For the
362     auto-hinter, the difference between a top or bottom outline point before
363     and after hinting is less than 1px, thus a vertical padding of 2px is
364     sufficient.  Assuming a minimum hinting size of 6ppem, adding two pixels
365     gives an increase factor of 8÷6 = 1.33.  This is near to the default
366     baseline-to-baseline distance used by TeX and other sophisticated text
367     processing applications, namely 1.2×designsize, which gives satisfying
368     results in most cases.  It is also near to the factor 1.25 recommended
369     in the abovementioned how-to.  For example, if the vertical extension of
370     the largest glyph is 2000 units (assuming that it approximately
371     represents the designsize), the sum of `usWinAscent` and `usWinDescent`
372     could be 1.25×2000 = 2500.
374     In case ttfautohint is used as an auto-hinting tool for fonts that can
375     be no longer modified to change the metrics, option `-W` in combination
376     with '`-X "-"`' to suppress any vertical enlargement should prevent
377     almost all clipping.
379 ### Adjust Subglyphs
381 `--adjust-subglyphs`, `-p`
382 :   *Adjusting subglyphs* makes a font's original bytecode be applied to all
383     glyphs before it is replaced with bytecode created by ttfautohint.  This
384     makes only sense if your font already has some hints in it that modify
385     the shape even at EM size (normally 2048px); in particular, some CJK
386     fonts need this because the bytecode is used to scale and shift
387     subglyphs (hence the option's long name).  For most fonts, however, this
388     is not the case.
390 ### Hint Composites
392 `--composites`, `-c`
393 :   By default, the components of a composite glyph get hinted separately.
394     If this flag is set, the composite glyph itself gets hinted (and the
395     hints of the components are ignored).  Using this flag increases the
396     bytecode size a lot, however, it might yield better hinting results.
398     If this option is used (and a font actually contains composite glyphs),
399     ttfautohint currently cannot reprocess its own output for technical
400     reasons, see [below](#the-.ttfautohint-glyph).
402 ### Symbol Font
404 `--symbol`, `-s`
405 :   Process a font that ttfautohint would refuse otherwise because it can't
406     find a single standard character for any of the supported scripts.
408     For all scripts that lack proper standard characters, ttfautohint uses a
409     default (hinting) value for the standard stem width instead of deriving
410     it from a script's set of standard characters (for the latin script, one
411     of them is character 'o').
413     Use this option (usually in combination with option `--fallback-script`)
414     to hint symbol or dingbat fonts or math glyphs, for example, at the
415     expense of possibly poor hinting results at small sizes.
417 ### Dehint
419 `--dehint`, `-d`
420 :   Strip off all hints without generating new hints.  Consequently, all
421     other hinting options are ignored.  This option is intended for testing
422     purposes.
424 ### Add ttfautohint Info
426 `--no-info`, `-n`
427 :   Don't add ttfautohint version and command line information to the
428     version string or strings (with name ID\ 5) in the font's `name` table.
429     In the GUI it is similar: If you uncheck the 'Add ttfautohint info' box,
430     information is not added to the `name` table.  Except for testing and
431     development purposes it is strongly recommended to not use this option.
433 ### Strong Stem Width and Positioning
435 `--strong-stem-width=`*string*, `-w`\ *string*
436 :   ttfautohint offers two different routines to handle (horizontal) stem
437     widths and stem positions: 'smooth' and 'strong'.  The former uses
438     discrete values that slightly increase the stem contrast with almost no
439     distortion of the outlines, while the latter snaps both stem widths and
440     stem positions to integer pixel values as much as possible, yielding a
441     crisper appearance at the cost of much more distortion.
443     These two routines are mapped onto three possible rendering targets:
445     - grayscale rendering, with or without optimization for subpixel
446       positioning (e.g. Android)
448     - 'GDI ClearType' rendering: the rasterizer version, as returned by the
449       GETINFO bytecode instruction, is in the range 36\ <= version <\ 38 and
450       ClearType is enabled (e.g. Windows XP)
452     - 'DirectWrite ClearType' rendering: the rasterizer version, as returned
453       by the GETINFO bytecode instruction, is >=\ 38, ClearType is enabled,
454       and subpixel positioning is enabled also (e.g. Internet Explorer\ 9
455       running on Windows\ 7)
457     GDI ClearType uses a mode similar to B/W rendering along the vertical
458     axis, while DW ClearType applies grayscale rendering.  Additionally,
459     only DW ClearType provides subpixel positioning along the x\ axis.  For
460     what it's worth, the rasterizers version\ 36 and version\ 38 in
461     Microsoft Windows are two completely different rendering engines.
463     The command line option expects *string* to contain up to three letters
464     with possible values '`g`' for grayscale, '`G`' for GDI ClearType, and
465     '`D`' for DW ClearType.  If a letter is found in *string*, the strong
466     stem width routine is used for the corresponding rendering target (and
467     smooth stem width handling otherwise).  The default value is '`G`', which
468     means that strong stem width handling is activated for GDI ClearType
469     only.  To use smooth stem width handling for all three rendering
470     targets, use the empty string as an argument, usually connoted with
471     '`""`'.
473     In the GUI, simply set the corresponding check box to select the strong
474     width routine for a given rendering target.  If you unset the check box,
475     the smooth width routine gets used.
477     The following FontForge snapshot images use the font ['Mertz
478     Bold'](http://code.newtypography.co.uk/mertz-sans/) (still under
479     development) from [Vernon Adams].
481     ![The left part shows the glyph 'g' unhinted at 26px, the right part
482      with hints, using the 'smooth' stem algorithm.](img/ff-g-26px.png)
484     ![The same, but this time using the 'strong'
485      algorithm.  Note how the stems are aligned to the pixel
486      grid.](img/ff-g-26px-wD.png)
488 ### Miscellaneous
490 Watch input file (GUI only)
491 :   If this checkbox is set, automatically regenerate the output file as
492     soon as the input file gets modified.
494     Pressing the 'Run' button starts watching.  If an error occurs, watching
495     stops and must be restarted with the 'Run' button.
497 `--ignore-restrictions`, `-i`
498 :   By default, fonts that have bit\ 1 set in the 'fsType' field of the
499     `OS/2` table are rejected.  If you have a permission of the font's legal
500     owner to modify the font, specify this command line option.
502     If this option is not set, `ttfautohintGUI` shows a dialogue to handle
503     such fonts if necessary.
505 `--help`, `-h`
506 :   On the console, print a brief documentation on standard output and exit.
507     This doesn't work with `ttfautohintGUI` on MS Windows.
509 `--version`, `-v`
510 :   On the console, print version information on standard output and exit.
511     This doesn't work with `ttfautohintGUI` on MS Windows.
513 `--debug`
514 :   Print *a lot* of debugging information on standard error while
515     processing a font (you should redirect stderr to a file).  This
516     doesn't work with `ttfautohintGUI` on MS Windows.
520 Background and Technical Details
521 ================================
523 [Real-Time Grid Fitting of Typographic
524 Outlines](http://www.tug.org/TUGboat/tb24-3/lemberg.pdf) is a scholarly
525 paper that describes FreeType's auto-hinter in some detail.  Regarding the
526 described data structures it is slightly out of date, but the algorithm
527 itself hasn't changed in general.
529 The next few subsections are mainly based on this article, introducing some
530 important concepts.  Note that ttfautohint only does hinting along the
531 vertical direction (modifying y\ coordinates only).
534 Segments and Edges
535 ------------------
537 A glyph consists of one or more *contours* (this is, closed curves).  For
538 example, glyph 'O' consists of two contours, while glyph 'I' has only one.
540 ![The letter 'O' has two contours, an inner and an outer one, while letter
541   'I' has only an outer contour.](img/o-and-i)
543 A *segment* is a series of consecutive points of a contour (including its
544 Bézier control points) that are approximately aligned along a coordinate
545 axis.
547 ![A serif.  Contour and control points are represented by squares and
548   circles, respectively.  The bottom 'line' DE is approximately aligned
549   along the horizontal axis, thus it forms a segment of 7\ points.  Together
550   with the two other horizontal segments, BC and FG, they form two edges
551   (BC+FG, DE).](img/segment-edge)
553 An *edge* corresponds to a single coordinate value on the main dimension
554 that collects one or more segments (allowing for a small threshold).  While
555 finding segments is done on the unscaled outline, finding edges is bound to
556 the device resolution.  See [below](#hint-sets) for an example.
558 The analysis to find segments and edges is specific to a writing
559 system, see [below](#writing-systems).
562 Feature Analysis
563 ----------------
565 The auto-hinter analyzes a font in two steps.  Right now, everything
566 described here happens for the horizontal axis only, providing vertical
567 hinting.
569   * Global Analysis
571     This affects the hinting of all glyphs, trying to give them a uniform
572     appearance.
574       + Compute standard horizontal stem width of the font.  The value
575         is normally taken from glyphs that resemble letter 'o'.
577       + Compute blue zones, see [below](#blue-zones).
579     If the stem widths of single glyphs differ by a large value, or if
580     ttfautohint fails to find proper blue zones, hinting becomes quite poor,
581     possibly leading even to severe shape distortions.
584 Table: script-specific standard characters of the 'latin' writing system
586     Script    Standard characters
587   ----------  ---------------------
588   `cyrl`      'о', U+043E, CYRILLIC SMALL LETTER O
589               'О', U+041E, CYRILLIC CAPITAL LETTER O
590   `grek`      'ο', U+03BF, GREEK SMALL LETTER OMICRON
591               'Ο', U+039F, GREEK CAPITAL LETTER OMICRON
592   `hebr`      'ם', U+05DD, HEBREW LETTER FINAL MEM
593   `latn`      'o', U+006F, LATIN SMALL LETTER O
594               'O', U+004F, LATIN CAPITAL LETTER O
595               '0', U+0030, DIGIT ZERO
598   * Glyph Analysis
600     This is a per-glyph operation.
602       + Find segments and edges.
604       + Link edges together to find stems and serifs.  The abovementioned
605         paper gives more details on what exactly constitutes a stem or a
606         serif and how the algorithm works.
609 Blue Zones
610 ----------
612 ![Two blue zones relevant to the glyph 'a'.  Vertical point coordinates of
613   *all* glyphs within these zones are aligned, provided the blue zone is
614   active (this is, its vertical size is smaller than
615   3/4\ pixels).](img/blue-zones)
617 Outlines of certain characters are used to determine *blue zones*.  This
618 concept is the same as with Type\ 1 fonts: All glyph points that lie in
619 certain small horizontal zones get aligned vertically.
621 Here a series of tables that show the blue zone characters of the latin
622 writing system's available scripts; the values are hard-coded in the source
623 code.  Since the auto-hinter takes mean values it is not necessary that all
624 characters of a zone are present.
627 Table: `latn` blue zones
629   ID    Blue zone                              Characters
630   ----  -----------                            ------------
631   1     top of capital letters                 THEZOCQS
632   2     bottom of capital letters              HEZLOCUS
633   3     top of 'small f' like letters          fijkdbh
634   4     top of small letters                   xzroesc
635   5     bottom of small letters                xzroesc
636   6     bottom of descenders of small letters  pqgjy
639 The 'round' characters (e.g. 'OCQS') from Zones 1, 2, and 5 are also used to
640 control the overshoot handling; to improve rendering at small sizes, zone\ 4
641 gets adjusted to be on the pixel grid; cf. the [`--increase-x-height`
642 option](#x-height-increase-limit).
645 Table: `grek` blue zones
647   ID    Blue zone                              Characters
648   ----  -----------                            ------------
649   1     top of capital letters                 ΓΒΕΖΘΟΩ
650   2     bottom of capital letters              ΒΔΖΞΘΟ
651   3     top of 'small beta' like letters       βθδζλξ
652   4     top of small letters                   αειοπστω
653   5     bottom of small letters                αειοπστω
654   6     bottom of descenders of small letters  βγημρφχψ
657 Table: `cyrl` blue zones
659   ID    Blue zone                              Characters
660   ----  -----------                            ------------
661   1     top of capital letters                 БВЕПЗОСЭ
662   2     bottom of capital letters              БВЕШЗОСЭ
663   3     top of small letters                   хпншезос
664   4     bottom of small letters                хпншезос
665   5     bottom of descenders of small letters  руф
668 Table: `hebr` blue zones
670   ID    Blue zone                              Characters
671   ----  -----------                            ------------
672   1     top of letters                         בדהחךכםס
673   2     bottom of letters                      בטכםסצ
674   3     bottom of descenders of letters        קךןףץ
677 ![This image shows the relevant glyph terms for vertical blue zone
678   positions.](img/glyph-terms)
681 Grid Fitting
682 ------------
684 Aligning outlines along the grid lines is called *grid fitting*.  It doesn't
685 necessarily mean that the outlines are positioned *exactly* on the grid,
686 however, especially if you want a smooth appearance at different sizes.
687 This is the central routine of the auto-hinter; its actions are highly
688 dependent on the used writing system.  Currently, only one writing system is
689 available (latin), providing support for scripts like Latin or Greek.
691   * Align edges linked to blue zones.
693   * Fit edges to the pixel grid.
695   * Align serif edges.
697   * Handle remaining 'strong' points.  Such points are not part of an edge
698     but are still important for defining the shape.  This roughly
699     corresponds to the `IP` TrueType instruction.
701   * Everything else (the 'weak' points) is handled with an `IUP`
702     instruction.
704 The following images illustrate the hinting process, using glyph 'a' from
705 the freely available font ['Ubuntu Book'](http://font.ubuntu.com).  The
706 manual hints were added by [Dalton Maag Ltd], the used application to create
707 the hinting debug snapshots was [FontForge].
709 ![Before hinting.](img/a-before-hinting.png)
711 ![After hinting, using manual hints.](img/a-after-hinting.png)
713 ![After hinting, using ttfautohint.  Note that the hinting process
714   doesn't change horizontal positions.](img/a-after-autohinting.png)
717 Hint Sets
718 ---------
720 In ttfautohint terminology, a *hint set* is the *optimal* configuration for
721 a given PPEM (pixel per EM) value.
723 In the range given by the `--hinting-range-min` and `--hinting-range-max`
724 options, ttfautohint creates hint sets for every PPEM value.  For each
725 glyph, ttfautohint automatically determines whether a new set should be
726 emitted for a PPEM value if it finds that it differs from a previous one.
727 For some glyphs it is possible that one set covers, say, the range
728 8px-1000px, while other glyphs need 10 or more such sets.
730 In the PPEM range below `--hinting-range-min`, ttfautohint always uses just
731 one set, in the PPEM range between `--hinting-range-max` and
732 `--hinting-limit`, it also uses just one set.
734 One of the hinting configuration parameters is the decision which segments
735 form an edge.  For example, let us assume that two segments get aligned on a
736 single horizontal edge at 11px, while two edges are used at 12px.  This
737 change makes ttfautohint emit a new hint set to accomodate this situation.
738 The next images illustrate this, using a Cyrillic letter (glyph 'afii10108')
739 from the 'Ubuntu book' font, processed with ttfautohint.
741 ![Before hinting, size 11px.](img/afii10108-11px-before-hinting.png)
743 ![After hinting, size 11px.  Segments 43-27-28 and 14-15 are aligned on a
744   single edge, as are segments 26-0-1 and
745   20-21.](img/afii10108-11px-after-hinting.png)
747 ![Before hinting, size 12px.](img/afii10108-12px-before-hinting.png)
749 ![After hinting, size 12px.  The segments are not aligned.  While
750   segments 43-27-28 and 20-21 now have almost the same horizontal position,
751   they don't form an edge because the outlines passing through the segments
752   point into different directions.](img/afii10108-12px-after-hinting.png)
754 Obviously, the more hint sets get emitted, the larger the bytecode
755 ttfautohint adds to the output font.  To find a good value\ *n* for
756 `--hinting-range-max`, some experimentation is necessary since *n* depends
757 on the glyph shapes in the input font.  If the value is too low, the hint
758 set created for the PPEM value\ *n* (this hint set gets used for all larger
759 PPEM values) might distort the outlines too much in the PPEM range given
760 by\ *n* and the value set by `--hinting-limit` (at which hinting gets
761 switched off).  If the value is too high, the font size increases due to
762 more hint sets without any noticeable hinting effects.
764 Similar arguments hold for `--hinting-range-min` except that there is no
765 lower limit at which hinting is switched off.
767 An example.  Let's assume that we have a hinting range 10\ <= ppem <=\ 100,
768 and the hinting limit is set to 250.  For a given glyph, ttfautohint finds
769 out that four hint sets must be computed to exactly cover this hinting
770 range: 10-15, 16-40, 41-80, and 81-100.  For ppem values below 10ppem, the
771 hint set covering 10-15ppem is used, for ppem values larger than 100 the
772 hint set covering 81-100ppem is used.  For ppem values larger than 250, no
773 hinting gets applied.
776 Composite Glyphs
777 ----------------
779 The ttfautohint library (and programs) supports two solutions for handling
780 composite glyphs, to be controlled with [option
781 `--composites`](#hint-composites).  This section contains some general
782 information, then covers the case where the option if off, while the next
783 section describes how ttfautohint behaves if this option is activated.
785 Regardless of the `--composites` option, ttfautohint performs a scan over
786 all composite glyphs to assure that components of a composite glyph inherit
787 its style, as described [later](#opentype-features).  However, components
788 that are shifted vertically will be skipped.  For example, if the glyph
789 'Agrave' uses a shifted 'grave' accent glyph, the accent is ignored.  On the
790 other hand, if there is a glyph 'agrave' that uses the same 'grave' glyph
791 vertically unshifted, 'grave' does inherit the style.
793 If `--composites` is off, components are hinted separately, then put
794 together.  Separate hinting implies that the current style's blue zones are
795 applied to all subglyphs in its original, unshifted positions.
798 The '\.ttfautohint' Glyph
799 -------------------------
801 If [option `--composites`](#hint-composites) is used, ttfautohint doesn't
802 hint subglyphs of composite glyphs separately.  Instead, it hints the whole
803 glyph, this is, composites get recursively expanded internally so that they
804 form simple glyphs, then hints are applied -- this is the normal working
805 mode of FreeType's auto-hinter.
807 One problem, however, must be solved: Hinting for subglyphs (which usually
808 are used as normal glyphs also) must be deactivated so that nothing but the
809 final bytecode of the composite gets executed.
811 The trick used by ttfautohint is to prepend a composite element called
812 '\.ttfautohint', a dummy glyph with a single point, and which has a single
813 job: Its bytecode increases a variable (to be more precise, it is a CVT
814 register called `cvtl_is_subglyph` in the source code), indicating that we
815 are within a composite glyph.  The final bytecode of the composite glyph
816 eventually decrements this variable again.
818 As an example, let's consider composite glyph 'Agrave' ('À'), which has the
819 subglyph 'A' as the base and 'grave' as its accent.  After processing with
820 ttfautohint it consists of three components: '\.ttfautohint', 'A', and
821 'grave' (in this order).
823   Bytecode of    Action
824   -------------  --------
825   .ttfautohint   increase `cvtl_is_subglyph` (now: 1)
826   A              do nothing because `cvtl_is_subglyph` > 0
827   grave          do nothing because `cvtl_is_subglyph` > 0
828   Agrave         decrease `cvtl_is_subglyph` (now: 0)\
829                  apply hints because `cvtl_is_subglyph` == 0
831 Some technical details (which you might skip): All glyph point indices get
832 adjusted since each '\.ttfautohint' subglyph shifts all following indices by
833 one.  This must be done for both the bytecode and one subformat of
834 OpenType's `GPOS` anchor tables.
836 While this approach works fine on all tested platforms, there is one single
837 drawback: Direct rendering of the '\.ttfautohint' subglyph (this is,
838 rendering as a stand-alone glyph) disables proper hinting of all glyphs in
839 the font!  Under normal circumstances this never happens because
840 '\.ttfautohint' doesn't have an entry in the font's `cmap` table.  (However,
841 some test and demo programs like FreeType's `ftview` application or other
842 glyph viewers that are able to bypass the `cmap` table might be affected.)
845 Writing Systems
846 ---------------
848 In FreeType terminology, a writing system is a set of functions that
849 provides auto-hinting for certain scripts.  Right now, only two writing
850 systems from FreeType's auto-hinter are available in ttfautohint: 'dummy'
851 and 'latin'.  The former handles the 'no-script' case; details to 'latin'
852 follow in the next section.
855 Scripts
856 -------
858 ttfautohint needs to know which script should be used to hint a specific
859 glyph.  To do so, it checks a glyph's Unicode character code whether it
860 belongs to a given script.
862 Here is the hardcoded list of character ranges that are used for scripts in
863 the 'latin' writing system.  As you can see, this also covers some non-latin
864 scripts (in the Unicode sense) that have similar typographical properties.
866 In ttfautohint, scripts are identified by four-character tags.  The value
867 `none` indicates 'no script'.
870 Table: `latn` character ranges
872      Character range     Description
873   ---------------------  -------------
874   `0x0020` - `0x007F`    Basic Latin (no control characters)
875   `0x00A0` - `0x00FF`    Latin-1 Supplement (no control characters)
876   `0x0100` - `0x017F`    Latin Extended-A
877   `0x0180` - `0x024F`    Latin Extended-B
878   `0x0250` - `0x02AF`    IPA Extensions
879   `0x02B0` - `0x02FF`    Spacing Modifier Letters
880   `0x0300` - `0x036F`    Combining Diacritical Marks
881   `0x1D00` - `0x1D7F`    Phonetic Extensions
882   `0x1D80` - `0x1DBF`    Phonetic Extensions Supplement
883   `0x1DC0` - `0x1DFF`    Combining Diacritical Marks Supplement
884   `0x1E00` - `0x1EFF`    Latin Extended Additional
885   `0x2000` - `0x206F`    General Punctuation
886   `0x2070` - `0x209F`    Superscripts and Subscripts
887   `0x20A0` - `0x20CF`    Currency Symbols
888   `0x2150` - `0x218F`    Number Forms
889   `0x2460` - `0x24FF`    Enclosed Alphanumerics
890   `0x2C60` - `0x2C7F`    Latin Extended-C
891   `0x2E00` - `0x2E7F`    Supplemental Punctuation
892   `0xA720` - `0xA7FF`    Latin Extended-D
893   `0xFB00` - `0xFB06`    Alphabetical Presentation Forms (Latin Ligatures)
894   `0x1D400` - `0x1D7FF`  Mathematical Alphanumeric Symbols
895   `0x1F100` - `0x1F1FF`  Enclosed Alphanumeric Supplement
898 Table: `grek` character ranges
900      Character range     Description
901   ---------------------  -------------
902   `0x0370` - `0x03FF`    Greek and Coptic
903   `0x1F00` - `0x1FFF`    Greek Extended
906 Table: `cyrl` character ranges
908      Character range     Description
909   ---------------------  -------------
910   `0x0400` - `0x04FF`    Cyrillic
911   `0x0500` - `0x052F`    Cyrillic Supplement
912   `0x2DE0` - `0x2DFF`    Cyrillic Extended-A
913   `0xA640` - `0xA69F`    Cyrillic Extended-B
916 Table: `hebr` character ranges
918      Character range     Description
919   ---------------------  -------------
920   `0x0590` - `0x05FF`    Hebrew
921   `0xFB1D` - `0xFB4F`    Alphabetic Presentation Forms (Hebrew)
924 If a glyph's character code is not covered by a script range, it is not
925 hinted (or rather, it gets hinted by the 'dummy' auto-hinting module that
926 essentially does nothing).  This can be changed by specifying a *fallback
927 script*; see [option `--fallback-script`](#fallback-script).
930 OpenType Features
931 -----------------
933 (Please read the [OpenType specification] for details on *features*, `GSUB`,
934 and `GPOS` tables, and how they relate to scripts.)
936 For modern OpenType fonts, character ranges are not sufficient to handle
937 scripts.
939   * Due to glyph substitution in the font (as specified in a font's `GSUB`
940     table), which handles ligatures and similar typographic features, there
941     is no longer a one-to-one mapping from an input Unicode character to a
942     glyph index.  Some ligatures, like 'fi', actually do have Unicode values
943     for historical reasons, but most of them don't.  While it is possible to
944     map ligature glyphs into Unicode's Private Use Area (PUA), code values
945     from this area are arbitrary by definition and thus unusable for
946     ttfautohint.
948   * Some features like `sups` (for handling superscript) completely change
949     the appearance and even vertical position of the affected glyphs.
950     Obviously, the blue zones for 'normal' glyphs no longer fit, thus the
951     auto-hinter puts them into a separate group (called *style* in FreeType
952     speak), having its own set of blue zones.
955 Table: OpenType features handled specially by ttfautohint
957     Feature tag    Description
958   ---------------  -------------
959   `c2cp`           petite capitals from capitals
960   `c2sc`           small capitals from capitals
961   `ordn`           ordinals
962   `pcap`           petite capitals
963   `sinf`           scientific inferiors
964   `smcp`           small capitals
965   `subs`           subscript
966   `sups`           superscript
967   `titl`           titling
970 There are two conditions to get a valid style for a feature in a given
971 script.
973  1. One of the script's standard characters must be available in the
974     feature.
976  2. The feature must provide characters to form at least one blue zone; see
977     [above](#blue-zones).
979 An additional complication is that features from the above table might use
980 data not only from the `GSUB` but also from the `GPOS` table, containing
981 information for glyph positioning.  For example, the `sups` feature for
982 superscripts might use the same glyphs as the `subs` feature for subscripts,
983 simply moved up.  ttfautohint skips such vertically shifted glyphs (except
984 for accessing standard characters) because glyph positioning happens after
985 hinting.  Continuing our example, the `sups` feature wouldn't form a style,
986 contrary to `subs`, which holds the unshifted glyphs.
988 The remaining OpenType features of a script are not handled specially; the
989 affected glyphs are simply hinted together with the 'normal' glyphs of the
990 script.
992 Note that a font might still contain some features not covered yet: OpenType
993 has the concept of a *default script*; its data gets used for all scripts
994 that aren't explicitly handled in a font.  By default, ttfautohint unifies
995 all affected glyphs from default script features with the `latn` script.
996 This can be changed with [option `--default-script`](#default-script), if
997 necessary.
1000 ttfautohint uses the [HarfBuzz] library for handling OpenType features.
1003 SFNT Tables
1004 -----------
1006 ttfautohint touches almost all SFNT tables within a TrueType or OpenType
1007 font.  Note that only OpenType fonts with TrueType outlines are supported.
1008 OpenType fonts with a `CFF` table (this is, with PostScript outlines) won't
1009 work.
1011   * `glyf`: All hints in the table are replaced with new ones.  If option
1012     [`--composites`](#hint-composites) is used, one glyph gets added (namely
1013     the '\.ttfautohint' glyph) and all composites get an additional
1014     component.
1016   * `cvt`, `prep`, and `fpgm`: These tables get replaced with data
1017     necessary for the new hinting bytecode.
1019   * `gasp`: Set up to always use grayscale rendering, for all sizes, with
1020     grid-fitting for standard hinting, and symmetric grid-fitting and
1021     symmetric smoothing for horizontal subpixel hinting (ClearType).
1023   * `DSIG`: If it exists, it gets replaced with a dummy version.
1024     ttfautohint can't digitally sign a font; you have to do that afterwards.
1026   * `name`: The 'version' entries are modified to add information about the
1027     parameters that have been used for calling ttfautohint.  This can be
1028     controlled with the [`--no-info`](#add-ttfautohint-info) option.
1030   * `GPOS`, `hmtx`, `loca`, `head`, `maxp`, `post`: Updated to fit the
1031     additional '\.ttfautohint' glyph, the additional subglyphs in
1032     composites, and the new hinting bytecode.
1034   * `LTSH`, `hdmx`: Since ttfautohint doesn't do any horizontal hinting,
1035     those tables are superfluous and thus removed.
1037   * `VDMX`: Removed, since it depends on the original bytecode, which
1038     ttfautohint removes.  A font editor might recompute the necessary data
1039     later on.
1042 Problems
1043 --------
1045 ### Interaction With FreeType
1047 Recent versions of FreeType have an experimental extension for handling
1048 subpixel hinting; it is off by default and can be activated by defining the
1049 macro `TT_CONFIG_OPTION_SUBPIXEL_HINTING` at compile time.  This code has
1050 been contributed mainly by [Infinality], being a subset of his original
1051 patch.  Many GNU/Linux distributions activate this code, or provide packages
1052 to activate it.
1054 This extension changes the behaviour of many bytecode instructions to get
1055 better rendering results.  However, not all changes are global; some of them
1056 are specific to certain fonts.  For example, it contains font-specific
1057 improvements for the '[DejaVu] Sans' font family.  The list of affected
1058 fonts is hard-coded; it can be found in FreeType's source code file
1059 `ttsubpix.c`.
1061 If you are going to process such specially-handled fonts with ttfautohint,
1062 serious rendering problems might show up.  Since ttfautohint (intentionally)
1063 doesn't change the font name in the `name` table, the Infinality extension
1064 has no chance to recognize that the hints are different.  All such problems
1065 vanish if the font gets renamed in its `name` table (the name of the font
1066 file itself doesn't matter).
1068 ### Incorrect Unicode Character Map
1070 Fonts with an incorrect Unicode `cmap` table will not be properly hinted by
1071 ttfautohint.  Especially older fonts do cheat; for example, there exist
1072 Hebrew fonts that map its glyphs to character codes 'A', 'B', etc., to make
1073 them work with non-localized versions of Windows\ 98, say.
1075 Since ttfautohint needs to find both standard and blue zone characters, it
1076 relies on correct Unicode values.  If you want to handle such fonts, please
1077 fix their `cmap` tables accordingly.
1079 ### Irregular Glyph Heights
1081 The central concept of ttfautohint's hinting algorithm, as discussed
1082 [above](#segments-and-edges), is to identify horizontal segments at extremum
1083 positions, especially for blue zones.  If such a segment is missing, it
1084 cannot be associated with a blue zone, possibly leading to irregular heights
1085 for the particular glyph.
1087 If a font designer is able to adjust the outlines, such problems can be
1088 remedied by adding tiny horizontal segments at the problematic extremum
1089 positions.  Such segments should have a horizontal length of at least
1090 20\ font units (assuming 2048 units per EM)^[To be more precise, the sum of
1091 the height and width of a segment must be at least 20 font units, and the
1092 height multiplied by\ 14 must not exceed the length.  Thus (19,1) is also a
1093 valid minimum (length,height) pair, while (18,2) isn't.  The value\ 20 is
1094 heuristic and hard-coded, as is the value\ 14 (corresponding to a slope of
1095 approx. 4.1°).].
1097 ### Diagonals
1099 ttfautohint doesn't handle diagonal lines specially.  For thin outlines,
1100 this might lead to strokes that look too thick at smaller sizes.  A font
1101 designer might compensate this to a certain amount by slightly reducing the
1102 stroke width of diagonal lines.  However, in many cases the sub-optimal
1103 appearance of a stroke with borders that don't exactly fit the pixel grid is
1104 not the outline itself but an incorrect gamma value of the monitor: People
1105 tend to not properly adjust it, and the default values of most operating
1106 systems are too low, causing too much darkening of such strokes.  It is thus
1107 of vital importance to compare ttfautohint's results with similar fonts to
1108 exclude any systematic effect not related to the outlines themselves.