数学公式转图片：纯Python实现，可设置字体、字号、颜色和分辨率

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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dpi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。若为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()