Image模塊應用實例之圖像字符畫

說在前面

“圖像字符畫”是浙教版《信息技術(shù)必修一數(shù)據(jù)與計算》第三章的實踐與體驗項目。教材簡要說明了字符畫的算法原理，并提供了完整源代碼。

筆者輸入并運行了教材提供的代碼，發(fā)現(xiàn)程序能正常運行。但是筆者對代碼中表達式int(gray/(255/(count-1)))的含義表示疑惑，認為這個表達式的意義不明確，恐怕是錯誤的。

因為教材是經(jīng)過專家多次審閱的，懷疑教材出錯需要莫大勇氣。更大的可能性是筆者自身水平不夠高，沒有看懂源代碼。

本文包含筆者對“圖像字符畫”項目實踐的算法分析和授課思路，有不當之處，敬請各位老師批評指正。

算法分析：

程序先構(gòu)建長度為count的字符串列表serarr，然后打開圖片"boy.jpg"，并將圖片調(diào)整到適當大小。再以追加模式打開文本文件"boy.txt"，然后調(diào)用自定義函數(shù)toText()，將圖像中的像素轉(zhuǎn)換成字符，返回字符串a(chǎn)sd，并將asd寫入到文本文件中。

自定義函數(shù)toText()的基本思路是先構(gòu)建一個空字符串a(chǎn)sd，然后逐行遍歷圖像的各像素點，提取像素點顏色值后，計算其對應灰度值（取值范圍[0,255]），然后將灰度值轉(zhuǎn)換成列表serarr的下標，得到對應的字符，將其拼接到asd中。每處理完一行后，在asd中拼接一個'\r\n'，表示回車換行（window系統(tǒng)），最后返回asd。

提出疑點：

表達式int(gray/(255/(count-1)))的含義是什么？

從自定義函數(shù)toText()的功能來看，該表達式應該是用來計算灰度值gray對應的字符在列表serarr中的下標。

因為gray的取值范圍是[0,255]，而下標的范圍是[0,count-1]，則相當于將256個數(shù)平均分成count段，那縮小的比率應該是256/count，而不是255/(count-1)。

所以，我認為教材源代碼中表達式int(gray/(255/(count-1)))是錯誤的，應該改成int(gray/(256/count))。

另外，教材中列表serarr的最后一個元素似乎有印刷錯誤，這是一個空格字符串，應該寫成' '才對。教材似乎印刷成了''，變成空字符串了——當然更大的可能是視覺差異，被眼睛騙了。

附注：運行教材源代碼程序，獲得圖像如下所示：

把asd = asd + serarr[int(gray/(255/(count-1)))]改成asd = asd + serarr[int(gray/(256/count))]后，運行程序獲得如下圖像：

附完整源代碼如下：

from PIL import Image
def to_text(img):   asd =''                             # 儲存字符串   for h in range(0, img.height):      # 垂直方向      for w in range(0, img.width):    # 水平方向         r,g,b =img.getpixel((w,h))         gray = int(r* 0.299+g* 0.587+b* 0.114)         # 根據(jù)列表長度，將灰度值按比例縮小，使其恰好可以對應列表元素的下標，以便提取對應的字符         asd = asd + serarr[int(gray/(255/(count-1)))]      asd = asd + '\r\n'   return asd    serarr = ['@','#','$','%','&','?','*','o','/','{','[','(','|','!','^','~','-','_',':',';',',','.','`',' ']count = len(serarr)image = Image.open("boy.jpg")              # 打開圖片image = image.resize((int(image.width*0.45), int(image.height*0.25)))   #調(diào)整圖片大小tmp = open('boy.txt','a')tmp.write(to_text(image))tmp.close()

授課思路：

本“實踐與體驗”課的重點有二，一是理解圖像字符畫的原理，二是學會把字符串寫入到文本文件中。

我們可以把課堂分成兩個階段，分別來完成任務。

首先是理解圖像字符畫的原理。

要理解字符畫的原理，首先要搞清楚圖片的模式：彩色圖片，灰度圖片和黑白圖片。

彩色圖像通常使用RGB色彩模式，圖像中的每個像素都分成R、G、B三個基色分量（通道），利用這3個通道的變化和相互疊加來表現(xiàn)各種顏色?；叶葓D像是每個像素只有灰度值的圖像，它只有一個通道，可以顯示為從暗黑到亮白的灰度。黑白圖像也叫二值圖像，它相當于只取灰度圖像中0和255兩種值，分別代表純黑和純白。

我們可以使用convert()方法來獲取不同模式的圖像，例如下列代碼能夠?qū)⒉噬珗D像boy_RGB.jpg轉(zhuǎn)換成灰度圖像boy_L.jpg和黑白圖像boy_1.jpg（無抖動效果），效果圖如圖2和圖3所示。

#【示例程序1】from PIL import Imageimg = Image.open('boy_RGB.jpg')img2 = img.convert("L") # 轉(zhuǎn)換成“L”模式灰度圖像img2.save("boy_L.jpg")img3 = img.convert("1", dither=0) #參數(shù)dither=0表示無抖動效果img3.save("boy_1.jpg")

除了直接使用convert()方法將彩色圖像轉(zhuǎn)換成黑白圖像，我們也可以利用圖像模式轉(zhuǎn)換原理，設置自定義函rgb_bw()來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。

首先根據(jù)從“RGB”轉(zhuǎn)換為“L”模式的公式：L = R*0.299 + G*0. 587 + B*0.114，計算出每個像素點的灰度值gray，再判斷gray與閾值的關(guān)系，若gray小于閾值，設置為黑色，否則設置為白色。閾值通常取值為128，也可以根據(jù)需要設置不同的閾值。

#【示例程序2】from PIL import Image# 將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為二值黑白圖像def rgb_bw(img):    for y in range(0, img.height):    # 垂直方向        for x in range(0, img.width): # 水平方向            r, g, b = img.getpixel((x, y))            # 計算像素點顏色的灰度值            gray = r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114             if gray < 128: # 小于閾值，設置為黑色                img.putpixel((x, y), (0, 0, 0))             else:                img.putpixel((x, y), (255, 255, 255))    return img# 主函數(shù)部分img = Image.open('boy_RGB.jpg')img2 = rgb_bw(img)img2.save('boy_bw_1.jpg')

（二）黑白圖像字符畫

上述方法都是直接修改圖片的像素值，并另存為新的圖片，能否使用字符來表示圖片的像素值，然后輸出為用字符串表示的圖像呢？

我們先來看二值黑白圖像，可以用”*”表示黑色，” “表示白色。模仿將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為二值黑白圖像的算法，編寫代碼如下：

#【示例代碼3】from PIL import Imagedef show_pic(img):    for y in range(0, img.height):    # 垂直方向        asd = ""        for x in range(0, img.width): # 水平方向            r, g, b = img.getpixel((x, y))            gray = r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114            if gray < 128: # 小于閾值，設置為黑色（用”*”表示）                asd = asd + "*"            else:                asd = asd + " "        print(asd)  # 主函數(shù)部分image = Image.open("boy.jpg")              # 打開圖片image = image.resize((int(image.width*0.45), int(image.height*0.25)))   #調(diào)整圖片大小show_pic(image)

運行程序，輸出效果圖如下（可縮小字體，以便看到完整圖像）：

show_pic()函數(shù)是采用逐行輸出字符串的方法。在處理每一行時，都先設置一個空字符串a(chǎn)sd，再根據(jù)像素點的灰度值，逐個將"*"或" "拼接到字符串a(chǎn)sd后面。每處理完一行就輸出asd。

這種方法雖然簡單，但效率不高，因為每次執(zhí)行字符串拼接操作都要生成新的字符串對象。更Pythonic的方法是使用字符串列表。把要拼接的字符串插入到列表中，最后再使用join()方法把字符串列表合并為一個新的字符串。參考代碼如下：

#【示例代碼4】def show_pic2(img):    asd = []                     # 字符串列表    for y in range(0, img.height):    # 垂直方向        for x in range(0, img.width): # 水平方向            r, g, b = img.getpixel((x, y))            gray = r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114            if gray < 128: # 小于閾值，設置為黑色（用”*”表示）                asd.append("*")            else:                asd.append(" ")        asd.append('\n') # 處理完一行，記得插入換行符    print(''.join(asd))

（三）灰度圖像字符畫

既然可以使用2種字符來表示黑白圖像，那么能否使用更多的字符來表示灰度圖像呢？

當然可以。

我們知道灰度圖像中像素點灰度值的取值范圍是[0,255]，可以表示為從暗黑到亮白的灰度，黑白圖像只取了灰度圖像中0和255兩種值，分別代表純黑和純白。最簡單粗暴的方法是使用256個字符分別表示不同的灰度值，但這樣做出來的圖像視覺效果不一定好。更常用的方法是選擇若干個疏密不一的字符，按照從密到疏（或從深到淺）的順序依次表示從黑到白的不同灰度值。例如使用長度為24的字符串"@#$%&?*o/{[(|!^~-_:;,.` "就能較好地表現(xiàn)出灰度圖像的層次感。

用24個字符只能表示24種層次，相當于把256個灰度值分成24個不同區(qū)域，分別編號為0-23，則各區(qū)域的編號恰好與字符串元素的下標相對應，即每個區(qū)域的灰度值用同一個字符表示，每個區(qū)域包含的灰度值數(shù)量為256/24，。若某個像素點灰度值為gray，則其所在區(qū)域編號為int(gray/(256/24))，此即對應字符串元素的下標。

當然，你也不一定非得選擇上述長度的字符串。若你選擇的字符串serarr長度為count，則灰度值為gray的像素點可以字符serarr[int(gray/(256/count))]來表示。

搞清楚圖像字符畫的原理后，我們可以用如下代碼來實現(xiàn)相關(guān)功能：

#【示例代碼5】from PIL import Imagedef show_pic(img):    # 用來表示不同區(qū)域灰度值的字符串    serarr = "@#$%&?*o/{[(|!^~-_:;,.` "    count=len(serarr)    asd = []                     # 儲存字符畫字符串    for y in range(0, img.height):    # 垂直方向        for x in range(0, img.width): # 水平方向            r, g, b = img.getpixel((x, y))            gray = r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114            asd.append(serarr[int(gray/(256/count))])        asd.append('\n')    print(''.join(asd)) # 主函數(shù)部分image = Image.open("boy.jpg")              # 打開圖片image = image.resize((int(image.width*0.45), int(image.height*0.25)))   # 調(diào)整圖片大小show_pic(image)

運行程序，輸出效果圖如下（可縮小字體，以便看到完整圖像）：

（四）將字符畫存儲到文本文件

接下來我們學習如何把字符畫存儲到文本文件中。

前面我們都是直接從IDLE輸出字符畫，更多的時候我們需要將字符畫保存到文本文件中。該如何處理呢？

算法其實很簡單，只需要把從show_pic()函數(shù)中獲得的字符串寫入文本文件就行了。

我們先以寫模式打開文本文件fp，然后自定義函數(shù)to_text()返回字符畫字符串，并將其寫入到fp中即可。參考代碼如下：

#【示例代碼6】from PIL import Imagedef to_text(img):    # 用來表示不同區(qū)域灰度值的字符串    serarr = "@#$%&?*o/{[(|!^~-_:;,.` "      count=len(serarr)    asd = []                     # 儲存字符畫字符串    for y in range(0, img.height):    # 垂直方向        for x in range(0, img.width): # 水平方向            r, g, b = img.getpixel((x, y))            gray = r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114            asd.append(serarr[int(gray/(256/count))])        asd.append('\n')    return ''.join(asd)# 主函數(shù)部分image = Image.open("boy.jpg")              # 打開圖片image = image.resize((int(image.width*0.45), int(image.height*0.25)))   # 調(diào)整圖片大小tmp = open('boy.txt','w')tmp.write(to_text(image))tmp.close()

運行程序，打開文件boy.txt，效果圖如下所示：

總結(jié):

到這里，“圖像字符畫”項目的介紹就告一段落了。我們首先分析了將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為二值黑白圖像的算法，并因此得到使用2種字符來表示黑白圖像的算法，從而總結(jié)出“圖像字符畫”的原理：首先設置一個用來表示不同區(qū)域灰度值的字符串serarr，然后逐行掃描圖片，計算出各像素點的灰度值gray，再根據(jù)serarr的長度count，計算出gray所在灰度區(qū)域的編號int(gray/(256/count))，則serarr[int(gray/(256/count))]就是對應的字符。

根據(jù)循序漸進原則，我們先使用print()函數(shù)直接在IDLE中輸出字符畫，然后將字符畫存儲到文本文件中。如果屏幕不夠大，字符畫顯示不完整，可以通過縮小字體的方式調(diào)節(jié)字符畫大小，獲得最佳視覺效果。

在文章的開頭，我質(zhì)疑教材提供的源代碼中有一條語句有問題，并給出了自認為正確的語句，關(guān)于這個問題，你是怎么看的呢？

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