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1 % -*-LaTeX-*-
2
3 \documentclass{article}
4 \def\kdots{,\ldots,}
5 \title{Not the Font-En-Tja font}
6 \author{HWN \& JCN} 
7 \def\preMudelaExample{}
8 \def\postMudelaExample{}
9 \begin{document}
10 \maketitle
11
12
13 \section{Introduction}
14
15 This document are some design notes of the Feta font, and other
16 symbols related to LilyPond.  Feta (not an abbreviation of
17 Font-En-Tja) is a font of music symbols.  All MetaFont sources are
18 original.  The symbols are modelled after various editions of music,
19 notably \begin{itemize} \item B\"arenreiter \item Hofmeister \item
20 Breitkopf \item Durand \& C'ie \end{itemize}
21
22 The best references on Music engraving are Wanske\cite{wanske} and
23 Ross\cite{ross} quite some of their insights were used.  Although it
24 is a matter of taste, I'd say that B\"arenreiter has the finest
25 typography of all.
26
27
28 \section{Bezier curves for slurs}
29
30 Objective:  slurs in music are curved objects designating that notes
31 should fluently bound.  They are drawn as smooth curves, with their
32 center thicker and the endings tapered.
33
34 There are some variants: the simplest slur shape only has the width as
35 parameter.  Then we give some suggestions for tuning the shapes.  The
36 simple slur algorithm is used for drawing ties as well.
37
38
39
40 \subsection{Simple slurs}
41
42 Long slurs are flat, whereas short slurs look like small circle arcs.
43 Details are given in Wanske\cite{ross} and Ross\cite{wanske}.  The
44 shape of a slur can be given as a Bezier curve with four control
45 points:
46
47 \begin{eqnarray*}
48   B(t) &=& (1-t)^3c_1 +3(1-t)^2tc_2 + 3(1-t)t^2c_3 + t^3c_4.
49 \end{eqnarray*}
50
51 We will assume that the slur connects two notes of the same
52 pitch.  Different slurs can be created by rotating the derived shape.
53 We will also assume that the slur has a vertical axis of symmetry
54 through its center.  The left point will be the origin.     So we have
55 the following equations for the control points $c_1\kdots c_4$.
56
57 \begin{eqnarray*}
58 c_1&=& (0,0)\\
59 c_2&=& (i, h)\\
60 c_3&=& (b-i, h)\\
61 c_4&=& (b, 0)
62 \end{eqnarray*}
63
64 The quantity $b$ is given, it is the width of the slur.  The
65 conditions on the shape of the slur for small and large $b$ transform
66 to
67 \begin{eqnarray*}
68  h \to h_{\infty} , &&\quad b \to \infty\\
69  h \approx r_{0} b, &&\quad b \to 0.
70 \end{eqnarray*}
71 To tackle  this, we  will  assume that $h   = F(b)$, for  some kind of
72 $F(\cdot)$.  One function that satisfies the above conditions is
73 $$
74 F(b) = h_{\infty} \frac{2}{\pi} \arctan \left( \frac{\pi r_0}{2
75 h_{\infty}} b \right).
76 $$
77
78 For satisfying results we choose $h_{\infty} = 2\cdot \texttt{interline}$
79 and $r_0 = \frac 13$.
80
81 \subsection{Height correction}
82
83 Aside from being a smooth curve, slurs should avoid crossing
84 enclosed notes and their stems.
85
86 An easy way to achieve this is to extend the slur's height,
87 so that the slur will curve just above any disturbing notes.
88
89 The parameter $i$ determines the flatness of the curve.  Satisfying
90 results have been obtained with $i = h$.
91
92 The formula can be generalised to allow for corrections in the shape, 
93 \begin{eqnarray*}
94 c_1&=& (0,0)\\
95 c_2&=& (i', h')\\
96 c_3&=& (b-i', h')\\
97 c_4&=& (b, 0)
98 \end{eqnarray*}
99 Where
100 $$
101 i' = h(b) (1 + i_{corr}), \quad h' = h(b) (1 + h_{corr}).
102 $$
103
104 The default values for these corrections are $0$.  A $h_{corr}$ that is
105 negative, makes the curve flatter in the center.  A $h_{corr}$ that is
106 positive make the curve higher. 
107
108 At every encompassed note's x position the difference $\delta _y$ 
109 between the slur's height and the note is calculated.  The greatest 
110 $\delta _y$ is used to calculate $h_{corr}$ is by lineair extrapolation.
111
112 However, this simple method produces satisfactory results only for 
113 small and symmetric disturbances.
114
115
116 \subsection{Tangent method correction}
117
118 A somewhat more elaborate\footnote{While staying in the realm 
119 of emperic computer science} way of having a slur avoid 
120 disturbing notes is by first defining the slur's ideal shape 
121 and then using the height correction.  The ideal shape of a 
122 slur can be guessed by calculating the tangents of the disturbing 
123 notes:
124 % a picture wouldn't hurt...
125 \begin{eqnarray*}
126   y_{disturb,l} &=& \rm{rc}_l x\\
127   y_{disturb,r} &=& \rm{rc}_r + c_{3,x},
128 \end{eqnarray*}
129 where
130 \begin{eqnarray*}
131   \rm{rc}_l &=& \frac{y_{disturb,l} - y_{encompass,1}}
132     {x_{disturb,l} - x_{encompass,1}}\dot x\\
133   \rm{rc}_r &=& \frac{y_{encompass,n} - y_{disturb,r}}
134     {x_{encompass,n} - x_{disturb,r}} \dot x + c_{3,x}.
135 \end{eqnarray*}
136
137 We assume that having the control points $c_2$ and $c_3$ located 
138 on tangent$_1$ and tangent$_2$ resp. 
139 % t: tangent
140 \begin{eqnarray*}
141   y_{tangent,l} &=& \alpha \rm{rc}_l x\\
142   y_{tangent,r} &=& \alpha \rm{rc}_r + c_{3,x}.
143 \end{eqnarray*}
144
145 Beautiful slurs have rather strong curvature at the extreme
146 control points.  That's why we'll have $\alpha > 1$.
147 Satisfactory resulsts have been obtained with
148 $$
149   \alpha \approx 2.4.
150 $$
151
152 The positions of control points $c_2$ and $c_3$ are obtained
153 by solving with the height-line
154 \begin{eqnarray*}
155   y_h &=& \rm{rc}_h + c_h.
156 \end{eqnarray*}
157
158 The top-line runs through the points disturb$_{left}$ and
159 disturb$_{right}$.  In the case that 
160 $$
161 z_{disturb,l} = z_{disturb,r},
162 $$
163 we'll have 
164 $$
165   \angle(y_{tangent,l},y_h) = \angle(y_{tangent,r},y_h).
166 $$
167
168
169
170 \section{Sizes}
171
172 Traditional engraving uses a set of 9 standardised sizes for Staffs
173 (running from 0 to 8).  
174
175 We have tried to measure these (helped by a magnifying glass), and
176 found the staffsizes in  table~\ref{fonts:staff-size}.  One should note that
177 these are estimates, so I think there could be a measuring error of ~
178 .5 pt.  Moreover [Ross] states that not all engravers use exactly
179 those sizes.
180
181 \begin{table}[h]
182   \begin{center}
183     \begin{tabular}{lll}
184 Staffsize       &Numbers                &Name\\
185 \hline\\
186 26.2pt  &No. 0\\
187 22.6pt  &No. 1          &Giant/English\\
188 21.3pt  &No. 2          &Giant/English\\
189 19.9pt  &No. 3          &Regular, Ordinary, Common\\
190 19.1pt  &No. 4          &Peter\\
191 17.1pt  &No. 5          &Large middle\\
192 15.9pt  &No. 6          &Small middle\\
193 13.7pt  &No. 7          &Cadenza\\
194 11.1pt  &No. 8          &Pearl\\
195
196     \end{tabular}
197     \caption{Foo}
198     \label{fonts:staff-size}
199   \end{center}
200 \end{table}
201
202 Ross states that the dies (the stamps to make the symbols) come in
203 12 different sizes.
204
205 \section{Beams}
206
207 \subsection{Slope}
208
209 Traditionally, beam slopes are computed by following a large and hairy
210 set of rules.  Some of these are talked-about in Wanske, a more
211 recipy-like description can be found in Ross.
212
213 There are some problems when trying to follow these rules:
214 \begin{itemize}
215
216 \item the set is not complete
217
218 \item they are not formulated as a general rule with exceptions, but
219 rather as a huge case of individual rules\cite{ross}
220
221 \item in some cases, the result is wrong or ugly (or both)
222
223 \item they try to solve a couple of problems at a time (e.g. Ross
224 handles ideal slope and slope-quantisation as a paired problem)
225 \end{itemize}
226 Reading Ross it is clear that the rules presented there are certainly
227 not the ultimate idea of what beam(slope)s should look like, but
228 rather a (very much) simplified hands-on recipy for a human engraver.
229
230 There are good reasons not to follow those rules:
231
232 \begin{itemize}
233 \item One cannot expect a human engraver to solve least-squares
234 problems for every beam
235   
236 \item A human engravers will allways trust themselves in judging the
237 outcome of the applied recipy.  If, in a complicated case, the result
238 "doesn't look good", they will ignore the rules and draw their own
239 beams, based on experience.
240
241 \item The exact rules probably don't "really exist" but in the minds
242   of good engravers, in the form of experience
243 \end{itemize}
244
245 We'll propose to do a least-squares solve.  This seems to be the best
246 way to calculate the slope for a computerised engraver such as Lily.
247
248 It would be nice to have some rules to catch and handle "ugly" cases,
249 though.  In general, the slope of the beam should mirror the pitches
250 of the notes.  If this can't be done because there simply is no
251 uniform trend, it would probably be best to set the slope to zero.
252
253
254 \subsection{Quantising}
255
256 The beams should be prevented to conflict with the stafflines,
257 especially at small slopes.  Traditionally, poor printing techniques
258 imposed rather strict rules for quantisation.  In modern (post 1955)
259 music printing we see that quality has improved substantially and
260 obsoleted the technical justification for following some of these
261 strict rules, notably the avoiding of so-called wedges.
262
263
264 \subsection{Thickness and spacing}
265
266 The spacing of double and triple beams (sixteenth and thirtysecond beams)
267 is the same, quadruple and quintuple (thirtyfourth and hundredtwentyeighth
268 beams) is wider.
269 All beams are equally thick.  Using the layout of triple beams and the 
270 beam-thickness $bt$ we can calculate the inter-beam spacing $ib$.
271
272 Three beams span two interlines, including stafflines:
273 \begin{eqnarray*}
274  2 ib + bt &=& 2 il\\
275  ib &=& (2 il - bt) / 2
276 \end{eqnarray*}
277
278 We choose
279 \begin{eqnarray*}
280   bt &=& 0.48(il - st)
281 \end{eqnarray*}
282
283 \subsubsection{Quadruple beams}
284
285 If we have more than three beams they must open-up
286 in order to not collide with staff lines.  The only valid
287 position that remains is for the upper beam to hang.
288
289 \begin{eqnarray*}
290  3 ib_{4+} + bt &=& 3 il\\
291  ib_{4+} &=& (3 il - bt) / 3
292 \end{eqnarray*}
293
294
295 \section{Layout of the source files}
296
297 The main font (with the fixed size music glyphs) uses a the \TeX\
298 logfile as a communication device.  Use the specialised macros to
299 create and export glyphs.
300
301 \bibliographystyle{plain}
302 \bibliography{engraving}
303
304
305
306 \end{document}