最完美的数学公式转图片：纯Python实现，可设置字体字号颜色和分辨率

Posted 2021-06-30 天元浪子

写数学公式，功能最强大的当然是LaTex了。不过，强大不代表易用，驾驭LaTex绝不是一件容易的事儿。这也不难理解：毕竟数学公式不是孤立存在的，必然要作为文档、网页或者程序输出的元素，如何无缝地让LaTex关联到文档、网页或程序，的确是个棘手的难题。

既然直接使用LaTex有难度，那就退而求其次：借助于工具将数学公式转为图片，然后就可以方便地应用到文档、网页或者程序中了。这样的工具，除了在线式的，基本上都是重量级的，安装和使用极不方便。我曾经花了11个C币从CSDN买过一个数学公式转图片的工具，下载之后发现，竟然只是封装了一个http请求，图片仍然是在线生成的！一气之下，自己写了个离线的，只是功能比较简单，不能方便地设置输出图像的大小和颜色。

最近工作中又用到了LaTex，几经尝试，终于在matplotlib源码中发现了一个处理LaTex数学公式的好东西。稍加改造，增加了字体、字号、颜色和分辨率的设置，最终完美解决了LaTex数学公式转图片的问题。

1. 核心代码

先从最简单的开始吧。matplotlib有个mathtext子模块，提供了math_to_image函数可以直接将LaTex数学公式生成图片。下面的代码，仅仅两行，就将质能方程转成了图片。请注意，LaTex数学公式一定要包含在两个$符号之间。

>>> from matplotlib import mathtext
>>> mathtext.math_to_image(r'$E=mc^2$', r'd:\\demo_1.png')

生成的图片宽度55个像素，高度15个像素，分辨率为100dpi。这么迷你，看上去可怜巴巴的。

虽然指定了png格式，也确实存在透明通道，其背景却是不透明的。除了png格式外，math_to_image函数还支持eps, pdf, pgf, png, ps, raw, rgba, svg, svgz等格式，但不支持jpg格式。

2. 设置字体、字号、分辨率

要设置字体字号，就得先导入matplotlib的font_manager字体管理模块。该模块的FontProperties类可以实例化一个字体对象传给math_to_image函数，用来设置family（字体）、size（字号）和weight（笔画轻重）等。

math_to_image函数的dpi参数用于设置分辨率（每英寸像素数）。如果应用于网页的话，建议分辨率设置为72dpi就可以了，如果用于印刷，请将dip设置为300。

>>> import matplotlib.font_manager as mfm
>>> prop = mfm.FontProperties(family='sans-serif', size=64, weight='normal')
>>> mathtext.math_to_image(r'$E=mc^2$', r'd:\\demo_2.png', prop=prop, dpi=72)

输出结果如下。这次生成的图片终于不那么可怜了，宽度250个像素，高度59个像素。

如果不知道有哪些字体可用怎么办？不要担心，下面这一行代码就可以列出当前系统中全部的可用字体。在我的电脑上运行之后，找到了几百种可用的字体（重名的字体表示该字体有多个字体文件）。

>>> [item.name for item in mfm.fontManager.ttflist]

3. 设置颜色

要想对图片文件做颜色处理，最好的方式是先将math_to_image的输出暂存到类文件对象中，借助于PIL和NumPy完成颜色设置后，再保存为文件。为此，要先导入io模块、pillow模块和numpy模块。

在开始写代码前，先约定使用浮点型的三元组表示颜色，比如，(0.17, 0.63, 0.17)表示亮度稍暗的绿色。如果喜欢使用其他方式表示颜色，请自行转换。下面的例子换了一个复杂的数学公式（虚构的，并无实际意义）来演示如何设置颜色。

>>> from io import BytesIO
>>> from PIL import Image
>>> import numpy as np
>>> text = r'$s(t) = \\mathcal{A}\\mathrm{sin}(2 \\omega \\sum_{i=0}^\\infty t_i)$'
>>> color = (0.17, 0.63, 0.17) # 要使用的颜色
>>> bfo = BytesIO() # 创建二进制的类文件对象
>>> prop = mfm.FontProperties(family='Palatino Linotype', size=256, weight='normal')
>>> mathtext.math_to_image(text, bfo, prop=prop, dpi=72)
209.0
>>> im = Image.open(bfo) # 打开二进制的类文件对象，返回一个PIL图像对象
>>> r, g, b, a = im.split() # 分离出RGBA四个通道
>>> r, g, b = 255-np.array(r), 255-np.array(g), 255-np.array(b) # RGB通道反白
>>> a = r/3 + g/3 + b/3 # 生成新的alpha通道
>>> r, g, b = r*color[0], g*color[1], b*color[2] # RGB通道设置为目标颜色
>>> im = np.dstack((r,g,b,a)).astype(np.uint8) # RGBA四个通道合并为三维的numpy数组
>>> im = Image.fromarray(im) # numpy数组转PIL图像对象
>>> im.save(r'd:\\demo_3.png') # PIL图像对象保存为文件

来看看最终的输出结果是什么样的呢？最终生成了2451x653的一张大图，公式内容、字体、字号、颜色等，正如期望的那样。大功告成！

4. 封装成函数

为了方便使用，将上面的代码封装成一个函数，完整代码如下。

# -*- coding: utf-8 -*-

import os
from io import BytesIO
from PIL import Image
import numpy as np
import matplotlib.font_manager as mfm
from matplotlib import mathtext

def latex2img(text, size=32, color=(0.1,0.1,0.1), out=None, **kwds):
    """LaTex数学公式转图片
        
        text        - 文本字符串，其中数学公式须包含在两个$符号之间
        size        - 字号，整型，默认32
        color       - 颜色，浮点型三元组，值域范围[0,1]，默认深黑色
        out         - 文件名，仅支持后缀名为.png的文件名。若维None，则返回PIL图像对象
        kwds        - 关键字参数
                        dpi         - 输出分辨率（每英寸像素数），默认72
                        family      - 系统支持的字体，None表示当前默认的字体
                        weight      - 笔画轻重，可选项包括：normal（默认）、light和bold
        """
        
    assert out is None or os.path.splitext(out)[1].lower() == '.png', '仅支持后缀名为.png的文件名'
    
    for key in kwds:
        if key not in ['dpi', 'family', 'weight']:
            raise KeyError('不支持的关键字参数：%s'%key)
    
    dpi = kwds.get('dpi', 72)
    family = kwds.get('family', None)
    weight = kwds.get('weight', 'normal')
    
    bfo = BytesIO() # 创建二进制的类文件对象
    prop = mfm.FontProperties(family=family, size=size, weight=weight)
    mathtext.math_to_image(text, bfo, prop=prop, dpi=dpi)
    im = Image.open(bfo)
    
    r, g, b, a = im.split()
    r, g, b = 255-np.array(r), 255-np.array(g), 255-np.array(b)
    a = r/3 + g/3 + b/3
    r, g, b = r*color[0], g*color[1], b*color[2]
    
    im = np.dstack((r,g,b,a)).astype(np.uint8)
    im = Image.fromarray(im)
    
    if out is None:
        return im
    else:
        im.save(out)
        print('生成的图片已保存为%s'%out)

if __name__  == '__main__':
    text = r'$\\sum_{i=0}^\\infty x_i$'
    latex2img(text, size=48, color=(0.1,0.8,0.8), out=r'd:\\demo.png')
    
    text = r'$\\sum_{n=1}^\\infty\\frac{-e^{i\\pi}}{2^n}$'
    im = latex2img(text, size=48, color=(0.9,0.1,0.1))
    im.show()