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。
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$', r'd:\demo_1.png')
要设置字体字号，就得先导入matplotlib的font_manager字体管理模块。该模块的FontProperties类可以实例化一个字体对象传给math_to_image函数，用来设置family（字体）、size（字号）和weight（笔画轻重）等。
math_to_image函数的dpi参数用于设置分辨率（每英寸像素数）。如果应用于网页的话，建议分辨率设置为72dpi就可以了，如果用于印刷，请将dip设置为300。
>>> import matplotlib.font_manager as mfm
>>> prop = mfm.FontProperties(family='sans-serif', size=64, weight='normal')
>>> mathtext.math_to_image(r'$E=mc^2$', r'd:\demo_2.png', prop=prop, dpi=72)
如果不知道有哪些字体可用怎么办？不要担心，下面这一行代码就可以列出当前系统中全部的可用字体。在我的电脑上运行之后，找到了几百种可用的字体（重名的字体表示该字体有多个字体文件）。
>>> [item.name for item in mfm.fontManager.ttflist]
要想对图片文件做颜色处理，最好的方式是先将math_to_image的输出暂存到类文件对象中，借助于PIL和NumPy完成颜色设置后，再保存为文件。为此，要先导入io模块、pillow模块和numpy模块。
在开始写代码前，先约定使用浮点型的三元组表示颜色，比如，(0.17, 0.63, 0.17)表示亮度稍暗的绿色。如果喜欢使用其他方式表示颜色，请自行转换。下面的例子换了一个复杂的数学公式（虚构的，并无实际意义）来演示如何设置颜色。
>>> from io import BytesIO
>>> from PIL import Image
>>> import numpy as np
>>> text = r'$s(t) = \mathcal{A}\mathrm{sin}(2 \omega \sum_{i=0}^\infty t_i)$'
>>> color = (0.17, 0.63, 0.17) # 要使用的颜色
>>> bfo = BytesIO() # 创建二进制的类文件对象
>>> prop = mfm.FontProperties(family='Palatino Linotype', size=256, weight='normal')
>>> mathtext.math_to_image(text, bfo, prop=prop, dpi=72)
209.0
>>> im = Image.open(bfo) # 打开二进制的类文件对象，返回一个PIL图像对象
>>> r, g, b, a = im.split() # 分离出RGBA四个通道
>>> r, g, b = 255-np.array(r), 255-np.array(g), 255-np.array(b) # RGB通道反白
>>> a = r/3 + g/3 + b/3 # 生成新的alpha通道
>>> r, g, b = r*color[0], g*color[1], b*color[2] # RGB通道设置为目标颜色
>>> im = np.dstack((r,g,b,a)).astype(np.uint8) # RGBA四个通道合并为三维的numpy数组
>>> im = Image.fromarray(im) # numpy数组转PIL图像对象
>>> im.save(r'd:\demo_3.png') # PIL图像对象保存为文件
为了方便使用，将上面的代码封装成一个函数，完整代码如下。
# -*- coding: utf-8 -*-
import os
from io import BytesIO
from PIL import Image
import numpy as np
import matplotlib.font_manager as mfm
from matplotlib import mathtext
def latex2img(text, size=32, color=(0.1,0.1,0.1), out=None, **kwds):
'''LaTex数学公式转图片
text - 文本字符串，其中数学公式须包含在两个$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()
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