最完美的數學公式轉圖片：純Python實現，可設置字體、字號、顏色和分辨率

寫數學公式，功能最強大的當然是LaTex了。不過，強大不代表易用，駕馭LaTex絕不是一件容易的事兒。這也不難理解：畢竟數學公式不是孤立存在的，必然要作為文檔、網頁或者程序輸出的元素，如何無縫地讓LaTex關聯到文檔、網頁或程序，的確是個棘手的難題。

既然直接使用LaTex有難度，那就退而求其次：借助于工具將數學公式轉為圖片，然后就可以方便地應用到文檔、網頁或者程序中了。這樣的工具，除了在線式的，基本上都是重量級的，安裝和使用極不方便。我曾經花了11個C幣從CSDN買過一個數學公式轉圖片的工具，下載之后發現，竟然只是封裝了一個http請求，圖片仍然是在線生成的！一氣之下，自己寫了個離線的，只是功能比較簡單，不能方便地設置輸出圖像的大小和顏色。

最近工作中又用到了LaTex，幾經嘗試，終于在matplotlib源碼中發現了一個處理LaTex數學公式的好東西。稍加改造，增加了字體、字號、顏色和分辨率的設置，最終完美解決了LaTex數學公式轉圖片的問題。

1. 核心代碼

先從最簡單的開始吧。matplotlib有個mathtext子模塊，提供了math_to_image函數可以直接將LaTex數學公式生成圖片。下面的代碼，僅僅兩行，就將質能方程轉成了圖片。請注意，LaTex數學公式一定要包含在兩個$符號之間。

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

生成的圖片寬度55個像素，高度15個像素，分辨率為100dpi。這么迷你，看上去可憐巴巴的。

雖然指定了png格式，也確實存在透明通道，其背景卻是不透明的。除了png格式外，math_to_image函數還支持eps, pdf, pgf, png, ps, raw, rgba, svg, svgz等格式，但不支持jpg格式。

2. 設置字體、字號、分辨率

要設置字體字號，就得先導入matplotlib的font_manager字體管理模塊。該模塊的FontProperties類可以實例化一個字體對象傳給math_to_image函數，用來設置family（字體）、size（字號）和weight（筆畫輕重）等。

math_to_image函數的dpi參數用于設置分辨率（每英寸像素數）。如果應用于網頁的話，建議分辨率設置為72dpi就可以了，如果用于印刷，請將dip設置為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)

輸出結果如下。這次生成的圖片終于不那么可憐了，寬度250個像素，高度59個像素。

如果不知道有哪些字體可用怎么辦？不要擔心，下面這一行代碼就可以列出當前系統中全部的可用字體。在我的電腦上運行之后，找到了幾百種可用的字體（重名的字體表示該字體有多個字體文件）。

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

3. 設置顏色

要想對圖片文件做顏色處理，最好的方式是先將math_to_image的輸出暫存到類文件對象中，借助于PIL和NumPy完成顏色設置后，再保存為文件。為此，要先導入io模塊、pillow模塊和numpy模塊。

在開始寫代碼前，先約定使用浮點型的三元組表示顏色，比如，(0.17, 0.63, 0.17)表示亮度稍暗的綠色。如果喜歡使用其他方式表示顏色，請自行轉換。下面的例子換了一個復雜的數學公式（虛構的，并無實際意義）來演示如何設置顏色。

>>> 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) # 要使用的顏色 >>> bfo = BytesIO() # 創建二進制的類文件對象 >>> 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) # 打開二進制的類文件對象，返回一個PIL圖像對象 >>> r, g, b, a = im.split() # 分離出RGBA四個通道 >>> 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通道設置為目標顏色 >>> im = np.dstack((r,g,b,a)).astype(np.uint8) # RGBA四個通道合并為三維的numpy數組 >>> im = Image.fromarray(im) # numpy數組轉PIL圖像對象 >>> im.save(r'd:\demo_3.png') # PIL圖像對象保存為文件

來看看最終的輸出結果是什么樣的呢？最終生成了2451x653的一張大圖，公式內容、字體、字號、顏色等，正如期望的那樣。大功告成！

4. 封裝成函數

為了方便使用，將上面的代碼封裝成一個函數，完整代碼如下。

# -*- 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數學公式轉圖片 text - 文本字符串，其中數學公式須包含在兩個$符號之間 size - 字號，整型，默認32 color - 顏色，浮點型三元組，值域范圍[0,1]，默認深黑色 out - 文件名，僅支持后綴名為.png的文件名。若維None，則返回PIL圖像對象 kwds - 關鍵字參數 dpi - 輸出分辨率（每英寸像素數），默認72 family - 系統支持的字體，None表示當前默認的字體 weight - 筆畫輕重，可選項包括：normal（默認）、light和bold """ assert out is None or os.path.splitext(out)[1].lower() == '.png', '僅支持后綴名為.png的文件名' for key in kwds: if key not in ['dpi', 'family', 'weight']: raise KeyError('不支持的關鍵字參數：%s'%key) dpi = kwds.get('dpi', 72) family = kwds.get('family', None) weight = kwds.get('weight', 'normal') bfo = BytesIO() # 創建二進制的類文件對象 prop = mfm.FontProperties(family=family, size=size, weight=weight) mathtext.math_to_image(text, bfo, prop=prop, dpi=dpi) im = Image.open(bfo) r, g, b, a = im.split() r, g, b = 255-np.array(r), 255-np.array(g), 255-np.array(b) a = r/3 + g/3 + b/3 r, g, b = r*color[0], g*color[1], b*color[2] im = np.dstack((r,g,b,a)).astype(np.uint8) im = Image.fromarray(im) if out is None: return im else: im.save(out) print('生成的圖片已保存為%s'%out) if __name__ == '__main__': text = r'$\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()

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