月で絵を描く

　最近、月の絵文字で絵を描くツイートがバズっていました。

月の絵文字とは以下の8種類です。

🌑
🌒
🌓
🌔
🌘
🌗
🌖
🌕

　これらの絵文字の濃淡を利用することで何かのロゴとか、オルガさんの「止まるんじゃねぇぞ...」とかを描くというわけです。

　これは自動化できる。。。

　そう思った私は早速emacsとterminalを立ち上げ、コーディングを開始しました。思っていたより完成は早く、朝の10時にコーディングを開始しお昼12時半には完成していたと思います。それでは手法とその結果を見ていきましょう。

手法

流れ
1. 画像を読み込む
2. 画像をグレースケールにする
3. 画質を落とす
4. 前処理
5. 画像の一部と月行列でアダマール積を取る(詳細は後で)
6. 5の最大値を取る月行列に対応する月を採用する
7. 5と6を画像の隅々にわたるまで繰り返す

1.画像を読み込む

※pythonのバージョンは3.6.4です。

from PIL import Image

img = Image.open(img_file)

たったこれだけ。

2.画像をグレースケールにする

img = img.convert('L')

たったこれだけ。
python最高。

3.画質を落とす

    width = 300
    height = int(width*(img.height/img.width))
    height -= height%4

    img = img.resize((width, height))

さて、少し煩雑なコードになってしまいました。

正確に説明することが難しいので、やりたいことがわかってくれればそれでいいです。

やりたいことは比をできるだけ保ちながら、縦と横のピクセル数を4の倍数にしたいということ。理由は、この後定義する月行列にあります。

◆月行列

　当然のことながら、月を何らかの数字に置き換えないとコンピュータは演算することができません。そこで私は次のような月行列を定義しました。

行列Aを4x4の正方行列とし、

明るければ1、暗ければ-1とする。

例えば、

🌒に対応する月行列は、

🌗に対応する月行列は、

みたいな感じ。

これを事前に8種類分用意しておく。


    tsuki_0 = np.matrix([[-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1]])

    tsuki_1 = np.matrix([[-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1]])

    tsuki_2 = np.matrix([[-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1]])

    tsuki_3 = np.matrix([[-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1]])

    tsuki_4 = np.matrix([[1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1]])

    tsuki_5 = np.matrix([[1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1]])

    tsuki_6 = np.matrix([[1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1]])

    tsuki_7 = np.matrix([[1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1]])

これら月行列を用いて画像から月描画を行います。なので、画質を4の倍数に落とした方が後々得するのです。

(説明適当ですみません)

そして、月行列のindexを上から0~7としました。index→絵文字とする関数も作っておきます。

def index2tsuki(index):
    if index==0:
        return emoji.emojize(':new_moon:', use_aliases=True)
    if index==1:
        return emoji.emojize(':waxing_crescent_moon:', use_aliases=True)
    if index==2:
        return emoji.emojize(':first_quarter_moon:', use_aliases=True)
    if index==3:
        return emoji.emojize(':waxing_gibbous_moon:', use_aliases=True)
    if index==4:
        return emoji.emojize(':waning_crescent_moon:', use_aliases=True)
    if index==5:
        return emoji.emojize(':last_quarter_moon:', use_aliases=True)
    if index==6:
        return emoji.emojize(':waning_gibbous_moon:', use_aliases=True)
    else:
        return emoji.emojize(':full_moon:', use_aliases=True)

pythonでは絵文字を扱う時にはemojiというライブラリを使用するのが手っ取り早いかと思います。pipなどお手元のパッケージインストーラーでインストールしましょう。

話を戻します。

4.前処理

    img = np.matrix(img)
    img = (img/128.) - 1.

これに関してもやりたいことだけ理解してください。
やりたいことは画像のピクセルに格納されている数値を0~255から-1~1に変換したいということです。あんまり脳みそ使わずに実験的に書いたので、細かいことは放っておいて下さい。。。

さて、ここまでで月描画における準備が完了しました。これらのコードを用いて月描画を行います。上までのコードを全て、utils.pyというファイルに関数群としてまとめておきます。

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

import emoji
import numpy as np
from PIL import Image

def load_tsuki_matrixs():
    """
    月行列を返す関数

    Args:
        無し
    Return:
        月行列8個, (numpyの行列のリスト)
    """
    tsuki_0 = np.matrix([[-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1],
                        [-1, -1, -1, -1]])

    tsuki_1 = np.matrix([[-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1],
                        [-1, -1, -1, 1]])

    tsuki_2 = np.matrix([[-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1],
                        [-1, -1, 1, 1]])

    tsuki_3 = np.matrix([[-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1],
                        [-1, 1, 1, 1]])

    tsuki_4 = np.matrix([[1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1],
                        [1, -1, -1, -1]])

    tsuki_5 = np.matrix([[1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1],
                        [1, 1, -1, -1]])

    tsuki_6 = np.matrix([[1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1],
                        [1, 1, 1, -1]])

    tsuki_7 = np.matrix([[1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1],
                        [1, 1, 1, 1]])

    return [tsuki_0, tsuki_1, tsuki_2, tsuki_3,
            tsuki_4, tsuki_5, tsuki_6, tsuki_7]



def index2tsuki(index):
    """
    indexから絵文字対応する絵文字を返す関数
    Args:
        index
    Return:
        絵文字
    """
    if index==0:
        return emoji.emojize(':new_moon:', use_aliases=True)
    if index==1:
        return emoji.emojize(':waxing_crescent_moon:', use_aliases=True)
    if index==2:
        return emoji.emojize(':first_quarter_moon:', use_aliases=True)
    if index==3:
        return emoji.emojize(':waxing_gibbous_moon:', use_aliases=True)
    if index==4:
        return emoji.emojize(':waning_crescent_moon:', use_aliases=True)
    if index==5:
        return emoji.emojize(':last_quarter_moon:', use_aliases=True)
    if index==6:
        return emoji.emojize(':waning_gibbous_moon:', use_aliases=True)
    else:
        return emoji.emojize(':full_moon:', use_aliases=True)


def preprocess(path, col):
    """
    画像の前処理。グレースケール、画質下げ、その他前処理。
    Args:
        path: 画像のパス
        col: 月の列の数
    Return:
        img: 前処理が完了したnumpyの行列
    """
    img = Image.open(path)
    img = img.convert('L')

    width = col*4
    height = int(width*(img.height/img.width))
    height -= height%4

    img = img.resize((width, height))
    img = np.matrix(img)
    img = (img/128.) - 1.

    return img

この関数群をmain.pyから呼び出す形式をとります。

5.画像の一部と月行列でアダマール積を取る

ここが今回の月描画の肝です。

アダマール積とは、下のような要素ごとの掛け算のことです。(Wikiより)

if __name__ == "__main__":
    tsuki_matrixs = load_tsuki_matrix()
    img = preprocess(IMAGE_URL)

先ほど定義したutils.pyの中の関数を用いてtsuki_matrix(8つの行列)とimg(1つの行列)を用意します。ここで重要なことは、どの行列も-1~1の範囲で、明るければ1に近く、暗ければ-1に近いという性質を持つ行列であるということです。つまりアダマール積と取り、その合計を取ると、互いの類似度をうまく測ることができます。tsuki_matrixは4x4の行列なので、画像内の4x4の部分のみと類似度を測り、最も類似している月を採用します。それを画像内全ての位置で繰り返せばいいのです。

for n, tk in enumerate(tsuki_matrixs):
    hadamard = np.multiply(img[row:row+4, col:col+4], tk)

6. 5の最大値をとる月行列に対応する月を採用する

max = -10000
max_tk = 0

for n, tk in enumerate(tsuki_matrixs):
    hadamard = np.multiply(img[row:row+4, col:col+4], tk)

    if max < hadamard.sum():
        max_index = n
        max = hadamard.sum()

tsuki_list.append(index2tsuki(max_index))

これで、画像内の4x4ピクセル部分の月が決定します。あとはこれを画像内全体で繰り返せばいいだけです。

7. 5と6を画像の隅々にわたるまで繰り返す

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

import sys
import numpy as np
from PIL import Image

from utils import load_tsuki_matrix, preprocess, index2tsuki

IMAGE_URL = "./images/画像名"

if __name__ == "__main__":
    tsuki_matrixs = load_tsuki_matrix()
    img = preprocess(IMAGE_URL)

    tsuki_list = []

    for i in range(int(np.shape(img)[0]/4)):
        for j in range(int(np.shape(img)[1]/4)):
            row = 4*i
            col = 4*j
            max = -10000
            max_tk = 0

            for n, tk in enumerate(tsuki_matrixs):
                hadamard = np.multiply(img[row:row+4, col:col+4], tk)

                if max < hadamard.sum():
                    max_index = n
                    max = hadamard.sum()

            tsuki_list.append(index2tsuki(max_index))
        tsuki_list.append('\n')



    for i in tsuki_list:
        sys.stdout.write(i)