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介绍:开涛技术点滴

服务器端的图像处理 | 请召唤ImageMagick助你解忧

2018-10-31 08:22 凹凸实验室

在客户端我们可以用 PhotoShop 等 GUI 工具处理静态图片或者动态 GIF 图片,不过在服务器端对于 WEB 应用程序要处理图片格式转换,缩放裁剪,翻转扭曲,PDF解析等操作, GUI 软件就很难下手了,所以此处需要召唤命令行工具来帮我们完成这些事。

ImageMagick:是一款创建、编辑、合成,转换图像的命令行工具。支持格式超过 200 种,包括常见的 PNG, JPEG, GIF, HEIC, TIFF, DPX, EXR, WebP, Postscript, PDF, SVG 等。功能包括调整,翻转,镜像(mirror),旋转,扭曲,修剪和变换图像,调整图像颜色,应用各种特殊效果,或绘制文本,线条,多边形,椭圆和贝塞尔曲线等。

官网,https://www.imagemagick.org 下面放个小标识。

>>>>  安装 ImageMagick

支持 Linux, Windows, Mac OS X, iOS, Android OS 等平台
https://www.imagemagick.org/script/download.php

因为我是 MAC 机器,演示一下 brew 的安装方式咯:

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brew install imagemagick

>>>>  基本命令与格式

>>>>  1、基本命令

ImageMagick 包括一组命令行工具来操作图片,安装好 ImageMagick 后,终端就可以使用如下命令了。

  • magick: 创建、编辑图像,转换图像格式,以及调整图像大小、模糊、裁切、除去杂点、抖动 ( dither )、绘图、翻转、合并、重新采样等

  • convert: 等同于 magick 命令

  • identify: 输出一个或多个图像文件的格式和特征信息,如分辨率、大小、尺寸、色彩空间等

  • mogrify: 与 magick 功能一样,不过不需要指定输出文件,自动覆盖原始图像文件

  • composite: 将一个图片或多个图片组合成新图片

  • montage: 组合多个独立的图像来创建合成图像。每个图像都可以用边框,透明度等特性进行装饰

  • compare: 从数学和视觉角度比较源图像与重建图像之间的差异

  • display: 在任何 X server 上显示一个图像或图像序列

  • animate: 在任何 X server 上显示图像序列

  • import: 保存 X server 上的任何可见窗口并把它作为图像文件输出。可以捕捉单个窗口,整个屏幕或屏幕的任意矩形部分

  • conjure: 解释并执行 MSL ( Magick Scripting Language ) 写的脚本

  • stream: 一个轻量级工具,用于将图像或部分图像的一个或多个像素组件流式传输到存储设备。在处理大图像或原始像素组件时很有用

>>>>  2、命令格式

基本命令的使用,遵循 Unix 风格的标准格式:

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command [options] input_image output_image

比如我们将一张宽高 300x300 的图片 goods.png 转换成 200x200 的goods.jpg,可以这样用:

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convert -resize 200x200 goods.png goods.jpg


-resize 定义图片尺寸,ImageMagick 所有的选项参数都在这个【命令行选项手册】。

但是随着功能的复杂,命令缓慢扩大成了这样的格式:

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command [options] image1 [options] image2 [options] output_image

于是上面的命令也可以写成这样:

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convert goods.png -resize 200x200 goods.jpg

笔记:个人建议,如果转换的是一张图片,那么用第一种格式,因为像 -density 等一些选项必须放在 command 与 input_image 之间,所以为了省记都不写错,都写在 command 与 input_image 之间岂不很好。

但是如果是多张图片转换,就需要按第二种格式,正确输出命令选项了。

提示:如果上面的工具命令在计算机上不可以使用,则可以把它们当作 magick 命令的子命令使用,例如:

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magick identify goods.png

>>>>  3、指定文件格式

默认情况下 ImageMagick 会读取图像中唯一标识格式的签名来确定文件格式,如果没有,则根据文件的扩展名来确定格式,如 image.jpg 被认为 jpeg 格式文件,如果都获取不到,则需要手动指定文件的格式。命令格式为 format:input_or_output_image

输入文件一般情况应该不需要手动指定文件格式,输出文件的时候,png 格式分 png8png24 等格式,如果 png8 格式的文件能够满足需求,指定合理的格式可以缩小文件的大小,示例如下:

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convert goods.png png8:goods_8.png

convert goods.png png24:goods_24.png

>>>>  实际案例

文中案例基于 ImageMagick 7.0.7

>>>>  1、生成缩略图

需求:将一张宽高为 900x600 的图片 goods.jpg 生成宽高为 150x100 的缩略图 thumbnail.jpg

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convert -resize 150x100 -quality 70 -strip goods.jpg thumbnail.jpg

解释:

  • -resize 150x100:定义输出的缩略图尺寸为 150x100

  • -quality 70:降低缩略图的质量为 70,取值范围 1 ( 最低图像质量和最高压缩率 ) 到 100 ( 最高图像质量和最低压缩率 ),默认值根据输出格式有 7592100,选项适用于 JPEG / MIFF / PNG

  • -strip:让缩略图移除图片内嵌的所有配置文件,注释等信息,以减小文件大小

-resize 延伸解读,如下:

上面的例子中,输入的图片和输出的图片比例是一致的,所以不会有特殊情况出现,但是遇到比例不同的时候,上面的写法并不会得到 150x100 的图像,而是会根据图像的宽高比例,取最大值,得出来的结果可能是 150 宽和更小的高,或者 100 高和更小的宽;所以 IamgeMagick 提供了几种符号来定义缩放。

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convert -resize '150x100!' goods.jpg thumbnail.jpg

convert -resize '150x100>' goods.jpg thumbnail.jpg

convert -resize '150x100<' goods.jpg thumbnail.jpg

  • !:不管图片宽高如何,都缩放成 150x100 这样的尺寸

  • >:只有宽高均大于 150x100 的图片才缩放成该尺寸 ( 按比例取最大值 ),小于的图片不做处理

  • <:与 > 功能相反


提示:因为有些字符是 Linux shell 或其他系统的特殊字符,所以需要用引号包裹起来或者用反斜线 \ 转义,另外,不同平台可能引号都是有差异的。

>>>>  2、添加水印

需求 ① :给图片居中加上透明文本水印。

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convert  -draw 'text 0,0 "JD.COM"'  -fill 'rgba(221, 34, 17, 0.25)'  -pointsize 36  \

-font 'cochin.ttc'  -gravity center  joy.jpg  watermark.jpg

解释:

  • -draw:绘图选项,text 声明绘制文本, 0,0 声明文本距离图片左上角的偏移值, JD.COM 声明绘制的文本,最好用引号包裹起来,避免输入特殊字符引起错误。绘制文本的格式为 text x,y string,当然还可以绘制其他类型,诸如圆 ( circle )、折线 ( polyline )

  • -fill:对文本填充颜色,貌似 ImageMagick 命令中前面的选项是用来控制后面的选项的,所以应该把这样的修饰选项放到 -draw 前面比较好,很重要,后面的案例就是这样的

  • -pointsize:指定文本的字体大小

  • -font:指定字体

  • -gravity:设置文本在图片里的排列方式 ( 类似 CSS 里的 align-items + justify-content ),center 表示水平垂直都居中,其他值还可以是:NorthWest, North, NorthEast, West, East, SouthWest, South, SouthEast,不记大小写

  • \:反斜线也是类 Unix 系统的续行字符,当一个命令很长时,我们可以把它写成多行,以便视觉上的美观和直观

需求 ② :给图片加上倾斜平铺透明文本水印。

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convert  -size 100x100  xc:none  \

-fill '#d90f02'  -pointsize 18  -font 'cochin.ttc'  \

-gravity center  -draw 'rotate -45 text 0,0 "JD.COM"'  \

-resize 60%  miff:-  |  composite  -tile  -dissolve 25  -  joy.jpg  watermark.jpg

解释:文本平铺水印其实是将文本画成一张 png 图片,然后用这张透明图片在目标图片上进行平铺。

  • -size:设置画布的大小

  • xc::全称 X Constant Image,是 canvas: 的别名,定义一张画布,用来绘图,常用格式为 xc:colornone 或者 transparent 设置画布为透明底,默认为白色

  • -resize:该选项还可以指定百分比,意为缩放至原图像的百分之几。貌似 -pointsize 小于 14 后,-draw 里的 rotate会不生效,所以用 -resize 来把平铺图案变得更小

  • miff:-

    • miff: 声明输出 ImageMagick ( IM ) 自己的图像文件格式:MIFF,主要用途是以复杂的方式处理图像时当做中间保存格式,适用于从一个 IM 命令向另一个 IM 命令传递图像元数据和其他关联属性

    • - 在管道符前面意为将 IM 命令执行的结果作为标准输出,在管道符后面则表示从标准输入中读取这个数据,如在管道符后面的 composite 中使用 - 读取刚刚生成的透明图像

  • |Linux shell 管道符,用于将上一个命令的标准输出传递到下一个命令作为标准输入。这里将生成的水印图案传递给 composite 命令

  • -tile:顾名思义,让图案平铺

  • -dissolve:设置平铺图案的透明度

图释:

>>>>  3、绘制验证码

大概逻辑如下:

  1. 随机生成 4 个英文字母或数字

  2. 创建一个宽高 100x40 的画布

  3. 设置字体大小为 16,每个字符的宽高也就是 16 左右了,依次计算出每个字符的 x, y 坐标,再增加一丁点旋转

  4. 随机创建一条透明曲线,加上噪点,增加图片被破解的难度(在保证肉眼能看得清楚的用户体验下)

  5. 如果需要安全性更高的验证码,请了解验证码破解原理并做合理调整

如果加上随机计算,可能代码会比较多,所以这里写成固定值,方便理解。

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convert  'xc:[100x40!]'  -pointsize 20  -font 'cochin.ttc'  \

-gravity NorthWest  -strokewidth 1  \

-fill '#b72b36'  -stroke '#b72b36'  -draw 'translate 13,19  rotate 10  text -5,-8 "5"'  \

-fill '#821d70'  -stroke '#821d70'  -draw 'translate 36,13  rotate -8  text -8,-8 "C"'  \

-fill '#c7960a'  -stroke '#c7960a'  -draw 'translate 60,23  rotate 5   text -5,-8 "2"'  \

-fill '#03610a'  -stroke '#03610a'  -draw 'translate 85,25  rotate 13  text -8,-8 "E"'  \

-strokewidth 2  -stroke 'rgba(248, 100, 30, 0.5)'  -fill 'rgba(0, 0, 0, 0)'  \

-draw 'bezier  -20,30  -16,10  20,2    50,20'  \

-draw 'bezier  50,20   78,42   138,36  140,16'  \

+noise Impulse  \

captcha.jpg

结果:

鉴于字体比较细,可以用 strokewidth 加边框来加粗,或者使用字体的粗体版本,这里使用了第一种方式。

解释:

  • xc:[100x40!]:设置画布大小的一种简写方式,方括号里写入画布宽高,注意要加 !,否则会出乎意料哟

  • 文本定位与旋转

    1. 画布宽 100px,平均分成 4 分,每份 25px, 文字宽 16px, 得文字 x 的坐标左右摆动范围为 +0px, +9pxy 坐标同理,用于设置 translate 值

    2. 实际上字体本身并没有填充满整个 16x16 的区域,根据字体的不同,填满的区域可能各有不同,所以根据cochin 字体的特性,上面稍微将字体大小调整为 20,实际渲染出来的字母才是 16x16 左右大小,数字大概是 10x16,所以设置数字的 x,y 为 -5,-8,结合下面两个属性解释 x,y 的计算方式

    3. translate: 设置文本的横纵向偏移值

    4. rotate:设置文本旋转,单位 degrees。根据 gravity 的设置坐标系统有一丁点变化,所以请设置为 西北(NorthWest) ,表示以画布 0,0 坐标旋转,跟 HTML 5 Canvas 坐标系统一致

    5. 根据这样的坐标系统,如果要文字按自身的中心旋转,得配合 translate 和 text 的 x,y 一起使用,原理可参考这篇文章[图像旋转的实现],注意 translate 与 rotate 的顺序

  • strokewidth:设置文本的边框宽度或线条宽度

  • stroke:设置文本的边框颜色或线条颜色

  • -fill 'rgba(0, 0, 0, 0)':上面设置了文本的填充颜色,会影响下面的贝塞尔曲线,所以这里指定一个透明的填充色以覆盖上面的设定,使曲线没有填充

  • bezier:绘制贝塞尔曲线,一两句话我怕解释不清楚,所以请大家参考一下维基百科的解释或者这篇中文文章的解释,最后再参考一下 IM 官方示例的描述。上面两条三次贝塞尔曲线的坐标分别表示 起始点起始点的控制点结束点的控制点结束点

  • +noise:增加噪点,可以使用 convert -list noise 查看当前系统支持哪些算法的噪点,大概有 Gaussian, Impulse, Laplacian, Multiplicative, Poisson, Random, Uniform

>>>>  4、克隆及拼合图像

这个案例主要了解几个基本操作的 API

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convert  \

\(  -crop 300x300+10+25  joy.jpg  \)  \

\(  -resize 400x400  -crop 300x300+50+0  logo:  \)  -swap 0,1  +append  \

\(  -clone 0  -flop  -flip  \)  -append  \

-resize 200x200  combined.jpg

结果如下:

解释:

  • 圆括号 \( ... \):图像堆栈 ( image stack ),相当于创建了一个独立作用域处理图像,这个可以使图像之前的处理互不干扰。圆括号需用反斜杠转义,才能不被 Shell 当做特殊字符处理,并且每个圆括号两边需要用空格隔开。不必要的圆括号会使 IM 增加少许额外的工作,但是却让命令更清晰不容易出错

  • -crop:裁剪出图像的一个或多个矩形区域,格式为 {size}{+-}x{+-}y,如果不指定偏移值 x,y,则会被解释为按指定宽高切割图像成多少份(多图像)

  • logo:IM 内置图像,这个就是上图中拿着魔法棒的主人公了,本身宽高 640x480,其他内置图像还有:rose:granite:等,看这里

  • -swap

    1. 交换图像的位置,格式 -swap index,index

    2. IM 在图像处理操作时,实际上很可能是在处理一个图像列表,当新图像被读入或者创建时,IM 会将该新图像添加到当前图像列表的末尾

    3. 如上,本来我们的图像列表里有 2 张图,第一张是 joy,但是 -swap 0,1 的意思是交换第一张图与第二张图的位置,所以 joy 变成跑到后面了

  • +append:水平连接当前图像列表的图像来创建单个较长的图像

  • -append:垂直连接当前图像列表的图像来创建单个较长的图像

  • -clone:克隆图像,格式为 -clone {index_range_list}

    • -clone 0:表示克隆图像列表里的第一张图像

    • -clone 1-2:表示克隆图像列表里的第二张到第三张图像

    • -clone 0--10 表示第一张图像,-1 表示最后一张图像,所以整句命令则表示克隆整个图像列表

    • -clone 2,0,1:表示克隆第三张,第一张,第二张图像,顺序根据指定的索引决定,用逗号分隔

  • -flop:将图像水平翻转

  • -flip:将图像垂直翻转

笔记:

  1. 选项之间的顺序很重要

  2. 与 -clone 雷同的选项还有诸如:-delete, -insert, -reverse, -duplicate,用于操作图像列表,功能与单词意思相同

>>>>  5、GIF 与图片互转

5.1、GIF 转图片

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convert  -coalesce  rain.gif  frame.jpg

-coalesce:根据图像 -dispose 元数据的设置覆盖图像序列中的每个图像,以重现动画序列中每个点的动画效果。下面用一张结果对比图来解释这句话:

原始图 ( rain.gif ) :

结果对比:

5.2、定义输出文件名

上面默认输出的文件名为:frame-0.jpg, frame-1.jpg, frame-2.jpg ...
如果想使用下划线作为符号,输出为 frame_0.jpg, frame_1.jpg, frame_2.jpg ...,则可以如下设置:

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convert  -coalesce  rain.gif  frame_%d.jpg

或者

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convert  -coalesce  -set filename:n '%p'  rain.gif  'frame_%[filename:n].jpg'

解释:

  1. 第一种方式 %d 是 C 语言 printf() 中表示输出一个整数,参考 -adjoin 选项

  2. 第二种为常规方式

    • -set:设置图像属性,格式为 -set key value

    • filename:n '%p':以 filename: 开头的 key 用于设置输出文件名的相关信息,如这里使用 filename:n,在输出文件名时,则可以使用 %[filename:n] 拿到刚刚的设置,而设置的内容则是 '%p''%p' 表示图像在图像列表中的索引值,更多百分比选项 ( Percent Escapes ) 参考

5.3、解析特定帧

如果只想拿到 GIF 的第一帧,可以这样设置:

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convert  -coalesce  'rain.gif[0]'  first_frame.jpg

拿到某些帧,如同 -clone 的写法:

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convert  -coalesce  'rain.gif[0-2]'  some_frames_%d.jpg

5.4、获取页数

通过 identify 命令我们可以简要得到文件的信息,如下:

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identify  rain.gif

通过换行符分割,简单封装一个 Node.js 函数获取页数:

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// parser.js

const util = require('util')

const exec = util.promisify(require('child_process').exec)

exports.numberOfPages = async (filePath) => {

try {

const { stdout } = await exec(`identify '${filePath}'`)

return stdout.trim().split('\n').length

} catch (err) {

throw new Error(err)

}

}

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// main.js

const { numberOfPages } = require('./parser')

;(async function start () {

const pages = await numberOfPages('rain.gif')

console.log('pages:', pages)

}())

5.5、图片转 GIF

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convert  -loop 0  'frame-*.jpg'  rain_animation.gif

将所有与 frame-*.jpg 模式匹配的图像转换成一张 GIF 图像,如 frame-0.jpgframe-1.jpg等。

-loop 设置动画循环次数,0 表示无限循环。

设置每张图像的播放速度可以使用 -delay 选项。

笔记: 在 IM 读取系列文件时,frame-10.jpg 会排在 frame-2.jpg 前面,为获得图像正确的读取顺序,可以为文件名设置前导零 ( leading zeros )。如:frame-000.jpg, frame-001.jpg, frame-002.jpg ... frame-010.jpg

所以在生成图像时,我们可以使用 %03d 获得三位前导零:

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convert  -coalesce  rain.gif  frame-%03d.jpg

>>>>  6、PDF 与图片互转

PDF 与图片互转跟 GIF 很相似,稍微有些格式自身需要注意的区别。

IM 本身是不具备解析 PDF 的功能的,需要依赖专门解析这种格式的外部程序,如官方指明的 ghostscript 解析程序。

首先安装 gs,还是演示 Mac OS 安装:brew install ghostscript

以 这个PDF 为例,把它转换成图片,有两种方式达到我们想要的结果:

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① convert  -density 150  -flatten  'download.pdf[0]'  first_page.jpg

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convert  -density 150  -background white  -alpha remove  download.pdf  download.jpg

解释:

  1. 当转换 PDF 成 JPG 格式图像时,某些情况得到的 JPG 图片会出现黑色背景(转换成 PNG 不会),所以可以使用 -flatten选项让其保持白色背景,但加上这个选项,多页 PDF 不会分成多个 JPG 图像,第二种方式 -background white -alpha remove 则可以一次命令转换多页 PDF 成多个图像并保持白色背景

  2. 第二种方式 IM 内部应该是一页一页的转换,所以一个 10 页的 PDF 耗时会比较久,采用第一种方式让 Node.js 多进程同时转换该 PDF 可以提升速率

  3. -density:指定输出图像的分辨率 ( DPI ),在 Mac OS 上,默认的分辨率 ( 72 ) 输出的图像字迹不清,需要更高分辨率获得清晰的图像

>>>>  在 Node.js 中应用

直接通过 child_process 模块执行相应的命令即可,如下。

只需要结果可以使用 exec

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const util = require('util')

const exec = util.promisify(require('child_process').exec)

;(async function start () {

try {

await exec(`convert -resize '150x100!' -strip goods.jpg thumbnail.jpg`)

console.log('convert completed.')

} catch (err) {

console.log('convert failed.', err)

}

}())

流式输入输出可以使用 spawn

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const cp = require('child_process')

const fs = require('fs')

const args = [

'-',  // 使用标准输入

'-resize', '150x100!',

'-strip',

'jpg:-',  // 输出到标准输出

]

const streamIn = fs.createReadStream('/path/to/goods.jpg')

const proc = cp.spawn('convert', args)

streamIn.pipe(proc.stdin)

proc.stdout.pipe(HttpResponse)


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