【Python】フォントの文字を画像に変換して保存するコード例

"""
フォントファイルの収録文字を、
PNG 画像として保存する Python コード例です。
"""
from pathlib import Path
from io import BytesIO
from zipfile import ZipFile
import csv
from traceback import format_exception_only
from fontTools import ttLib
from PIL import Image, ImageFont, ImageDraw


def main():
    """メイン関数です。"""
    print('start')
    import datetime
    t = datetime.datetime.now()

    font_to_png()

    print('%.1f 秒で完了しました。' % (
        datetime.datetime.now() - t).total_seconds())
    print('end')
    return


def font_to_png():
    """フォントの文字を PNG 画像として保存する関数です。"""
    # (準備 1/7) 画像の保存フォルダを決めます。
    data_dir = Path(r'F:\project\font_data')

    # (準備 2/7) フォントファイルを決めます。
    font_file = r'F:\project\fonts\mplus-1m-regular.ttf'
    # font_file = r'F:\project\fonts\VL-Gothic-Regular.ttf'
    # font_file = r'F:\project\fonts\NotoSansMonoCJKjp-Regular.otf'

    # (準備 3/7) フォントサイズを決めます。
    font_size = 96

    # (準備 4/7) 画像サイズの初期値 (正方形) を決めます。
    # とりあえず、指定した font_size で、普通の全角１文字が
    # だいたい収まるくらいのサイズにしておきます。
    initial_size = 128
    print(f'initial_size: {initial_size}')

    # (準備 5/7) さて、このままでは特殊な文字が見切れてしまった
    # 場合があったので、initial_size に余白を追加していきます。

    # 余白として、left に初期サイズ 2 個分くらいのスペースを追加します。
    margin_x = initial_size * 2

    # 余白として、top に初期サイズ 2 個分くらいのスペースを追加します。
    margin_y = initial_size * 2

    # 余白の分だけ、文字の描画位置をずらします。
    position = (margin_x, margin_y)

    # 余白を追加した画像サイズを決めます。
    # right と bottom にも、それぞれ初期サイズ 2 個分
    # くらいの余白ができるようにします。
    # カッコの中身は、左に 2 個分、中央に 1 個分、右に 2 個分、
    # という意味です。
    # 正方形なので、上下方向についても同様です。
    # このくらいの余白を持たせたところで、ようやく
    # すべての文字が見切れずに描画できるようになりました。
    image_size = initial_size * (2 + 1 + 2)
    print(f'image_size: {image_size}')
    print(f'position: {position}')

    # (準備 6/7) 『PIL ライブラリ』で、フォントファイルを読み込みます。
    # image_font は、フォントの文字を描画するために使用しました。
    # ※ もし『.ttc (TrueType Collection) 形式』のフォントを使うときは、
    # index= に 0 以上の整数を指定して、中身のフォントを選びます。
    image_font = ImageFont.truetype(font=font_file, size=font_size, index=0)
    print(f'font: {image_font.getname()}')

    # (準備 7/7) 結果を入れるリストを用意します。
    ims = [] # PIL 画像を入れるリスト。最後に PNG 画像に置き換えます。
    bboxes = [] # 余白を除いた領域の座標 (bbox) を入れるリストです。
    infos = [] # (デバッグ用) 各文字の情報を入れるリストです。

    print('描画中 ...')

    # 『fontTools ライブラリ』で、フォントファイルを開きます。
    # fontTools は、フォントの中の文字を列挙するために使用しました。
    # あと、デバッグ用として、文字の幅や高さを取得するためにも使用しました。
    # ※ もし『.ttc (TrueType Collection) 形式』のフォントを使うときは、
    # fontNumber= に 0 以上の整数を指定して、中身のフォントを選びます。
    with ttLib.ttFont.TTFont(font_file, fontNumber=0) as font:
        # フォントで使用できる文字を取得します。
        cmap = font.getBestCmap()

        # (デバッグ) 文字の形の集合 (グリフの集合) を取得します。
        glyph_set = font.getGlyphSet()

        # フォントに収録されている文字を 1 つずつ取得します。
        for (n, c) in enumerate(cmap, start=1):
            # Unicode コードポイントの整数から、文字を取得します。
            # chr() は Python の組み込み関数です。
            letter = chr(c)

            # 文字を『描画』します。
            (im, bbox, msg) = draw_letter(
                letter, image_font, image_size, position)

            if im:
                # PIL 画像をリストに追加します。
                ims.append([c, im])

                # 余白を除いた領域の座標 (bbox) をリストに追加します。
                bboxes.append(bbox)

            # (デバッグ) bbox が無かったときは None を設定します。
            if bbox is None:
                bb_left = None
                bb_top = None
                bb_right = None
                bb_bottom = None
            else:
                (bb_left, bb_top, bb_right, bb_bottom) = bbox

            # (デバッグ) 文字の形を取得します。
            glyph = glyph_set[cmap[c]]

            # (デバッグ) 文字情報をリストに追加します。
            # getattr() は Python の組み込み関数です。
            # フォントによっては属性が存在しなかったので使用しました。
            infos.append([
                n, # 列挙できた文字の連番です。
                len(ims), # 実際に描画できた文字の連番です。
                c, chr(c), cmap[c],
                getattr(glyph, 'width', None),
                getattr(glyph, 'height', None),
                getattr(glyph, 'lsb', None),
                getattr(glyph, 'tsb', None),
                bb_left, bb_top, bb_right, bb_bottom,
                msg, # 描画が失敗したときのエラーメッセージです。
            ])

    print(f'文字の数: {n}')
    print(f'画像枚数: {len(ims)}')

    if ims:
        print('保存中 ...')

        # ちょうどすべての文字がおさまる共通の bbox を取得します。
        common_bbox = get_common_bbox(bboxes)
        print(f'common_bbox: {common_bbox}')
        print('png_size: ({width}, {height})'.format(
            width=common_bbox[2] - common_bbox[0],
            height=common_bbox[3] - common_bbox[1],
        ))

        # (デバッグ) bbox の座標は image_size におさまっているはず。
        assert common_bbox[0] >= 0 # left
        assert common_bbox[1] >= 0 # top
        assert common_bbox[2] <= image_size # right
        assert common_bbox[3] <= image_size # bottom

        # ims リストの中身を png データに変更します。
        # 余白についても、common_bbox で除去します。
        ims = make_pngs(ims, common_bbox)

        # zip ファイルのパスを決めます。
        png_zip = data_dir.joinpath('png.zip')

        # 文字画像を zip ファイルに保存します。
        with ZipFile(png_zip, 'w') as z:
            for (c, png) in ims:
                z.writestr(f'{c}.png', png)

    # (デバッグ) 文字情報を CSV に保存します。
    csv_file = data_dir.joinpath('font.csv')
    head = [[
        'n',
        'im',
        'c', 'chr', 'cmap',
        'width',
        'height',
        'lsb',
        'tsb',
        'bb_left', 'bb_top', 'bb_right', 'bb_bottom',
        'msg',
    ]]
    to_csv(csv_file, head + infos)

    # 以上です。
    return


def draw_letter(letter, image_font, image_size, position):
    """文字を描画します。"""
    # (描画 1/3) 画像 (Image) オブジェクトを作ります。
    # 背景色は黒 (color=0) です。
    # 画像は 1 bit のモノクロ画像形式 (2 値画像形式) です (mode='1')。
    im = Image.new(mode='1', size=(image_size, image_size), color=0)

    # (描画 2/3) 描画 (ImageDraw) オブジェクトを作ります。
    draw = ImageDraw.Draw(im)

    # (描画 3/3) 文字 (letter) を書きます。
    try:
        # 文字は白 (fill=1) で塗りつぶします。
        draw.text(xy=position, text=letter, font=image_font, fill=1)
    except AttributeError as e:
        # (デバッグ) エラーメッセージの最後の行を取得します。
        msg = format_exception_only(type(e), e)[0].rstrip('\n')
        bbox = None
        im = None
    else:
        # 何のエラーも発生しなかった。
        msg = None
        # 余白を除いた領域の座標 (bbox) を取得します。
        bbox = im.getbbox()
    return (im, bbox, msg)


def get_common_bbox(bboxes):
    """すべての文字がおさまる共通の bbox を取得します。"""
    # bbox の座標の最小と最大を入れる辞書です。
    limits = {}

    # bbox のひだり座標について、『最小』と最大を取得します。
    # min() と max() は Python の組み込み関数です。
    left_datas = tuple(x[0] for x in bboxes if x)
    limits['left'] = (min(left_datas), max(left_datas))
    del left_datas

    # bbox のうえ座標について、『最小』と最大を取得します。
    top_datas = tuple(x[1] for x in bboxes if x)
    limits['top'] = (min(top_datas), max(top_datas))
    del top_datas

    # bbox のみぎ座標について、最小と『最大』を取得します。
    right_datas = tuple(x[2] for x in bboxes if x)
    limits['right'] = (min(right_datas), max(right_datas))
    del right_datas

    # bbox のした座標について、最小と『最大』を取得します。
    bottom_datas = tuple(x[3] for x in bboxes if x)
    limits['bottom'] = (min(bottom_datas), max(bottom_datas))
    del bottom_datas

    # あまりピッタリの bbox だと、文字が見切れているように
    # 見えてしまったので、4 px くらいの余白を追加します。
    margin = 4

    # 左座標の『最小』にマージンを追加
    left = limits['left'][0] - margin

    # 上座標の『最小』にマージンを追加
    top = limits['top'][0] - margin

    # 右座標の『最大』にマージンを追加
    right = limits['right'][1] + margin

    # 下座標の『最大』にマージンを追加
    bottom = limits['bottom'][1] + margin

    # 画像の幅と高さを 4 の倍数に揃えます。
    # 剰余をゼロにするような数を加えて調整します。
    # 別に揃えなくてもいいのですが、もしかしたら、
    # 計算上の都合が良くなるかもしれないと思ったため。
    h_padding = 4 - (right - left) % 4
    if h_padding == 1:
        right += 1
    elif h_padding == 2:
        left -= 1
        right += 1
    elif h_padding == 3:
        left -= 1
        right += 2
    elif h_padding == 4:
        pass

    v_padding = 4 - (bottom - top) % 4
    if v_padding == 1:
        bottom += 1
    elif v_padding == 2:
        top -= 1
        bottom += 1
    elif v_padding == 3:
        top -= 1
        bottom += 2
    elif v_padding == 4:
        pass

    # (デバッグ) 幅も高さも、4 の剰余(じょうよ)はゼロのはず。
    assert (right - left) % 4 == 0
    assert (bottom - top) % 4 == 0
    return (left, top, right, bottom)


def make_pngs(ims, bbox):
    """PNG 画像を生成します。"""
    # リストの中の PIL 画像を、PNG 画像に置き換えていきます。
    for i in range(len(ims)):
        # ims[i]: [0]c [1]im

        # bbox の座標で画像を切り出します。
        ims[i][1] = ims[i][1].crop(bbox)

        # 書き込み用のバッファ b を用意します。
        with BytesIO() as b:
            # バッファに PNG 形式で書き込んでもらいます。
            ims[i][1].save(b, format='PNG')

            # 最後に、バッファからデータを取り出します。
            ims[i][1] = b.getvalue()
    return ims


def to_csv(file, datas):
    """文字情報を CSV に保存します。"""
    with file.open('w', encoding='utf-8', newline='') as f:
        w = csv.writer(f)

        # 最初のラベル行は、そのまま書き込みます。
        for data in datas[:1]:
            w.writerow(data)

        # 残りの行を書き込みます。
        for data in datas[1:]:
            # data[2]: c (Unicode コードポイントの整数)
            # data[3]: chr (文字)
            if data[2] <= 127:
                # ASCII コードの範囲には制御文字が混ざっていたので、
                # 文字の部分 data[3] を None にしました。
                # これで、LibreOffice Calc で開ける CSV ができました。
                data[3] = None
            w.writerow(data)
    return


if __name__ == "__main__":
    main()

実行結果

コマンドプロンプトの表示と、PNG 画像のサムネイルです。

『文字の数』は、TTFont.getBestCmap() で取得できた数になります。

『画像枚数』は、文字の描画に成功した数です。

大きさが特殊な文字で、余白 (margin) が少なすぎると、文字の描画に失敗しました。

PNG 画像についてです。

すべての文字から共通の bbox を取得したことで、文字をほぼ中央に描画することができました。

中央寄せについては、フォントの文字情報から頑張って計算する方法も試しました。

ですが、結局『共通の bbox を取得して切り抜く方法』が一番簡単で、なおかつ、期待した通りの結果になりました。

小さな記号についても、余白を含めた位置関係を保存したまま、画像化することができました。

サムネイルには入っていませんが、半角文字などについては、左寄せになりました。

半角文字なども中央に寄せるためには、１つ１つの文字情報から文字の幅を取得するなどして、描画位置を調整する必要がありました。

mplus-1m-regular.ttf

『mplus-1m-regular.ttf』のフォントを PNG 画像にした時の結果です。

使用した PC の CPU は、Core i5-9500 です。

start
initial_size: 128
image_size: 640
position: (256, 256)
font: ('M+ 1m', 'regular')
描画中 ...
文字の数: 7761
画像枚数: 7761
保存中 ...
common_bbox: (252, 252, 356, 396)
png_size: (104, 144)
8.8 秒で完了しました。
end

文字がうまく中央にきているのは、『大きさの特殊な文字』が、１文字分のスペースに収まるようにデザインされていたためです。

たとえば、『おなじ』や『どう』で変換できる『〲』という文字です。

ひらがなの『ぐ』にそっくりな文字です。

青空文庫の本を読んでいたら、ときどき見かけました。

これは、『おどり字』と呼ばれるものでした。

参考：(Wikipedia) 踊り字（おどりじ）

この文字は、縦に２文字分くらいの長さがあって、全収録文字の bbox を作るときに、余白が広くなってしまう原因のひとつになっていました。

ですが、M+ FONTS では１文字分の高さとしてデザインされていたので、うまく描画することができました。

VL-Gothic-Regular.ttf

『VL-Gothic-Regular.ttf』のフォントを PNG 画像にした時の結果です。

start
initial_size: 128
image_size: 640
position: (256, 256)
font: ('VL Gothic', 'regular')
描画中 ...
文字の数: 16116
画像枚数: 16116
保存中 ...
common_bbox: (247, 244, 387, 388)
png_size: (140, 144)
19.4 秒で完了しました。
end

中央からズレているように見えるのは、収録文字の中に『大きさの特殊な文字』があったためです。

NotoSansMonoCJKjp-Regular.otf

『NotoSansMonoCJKjp-Regular.otf』のフォントを PNG 画像にした時の結果です。

start
initial_size: 128
image_size: 640
position: (256, 256)
font: ('Noto Sans Mono CJK JP', 'Regular')
描画中 ...
文字の数: 44683
画像枚数: 44683
保存中 ...
common_bbox: (154, 235, 494, 427)
png_size: (340, 192)
44.7 秒で完了しました。
end

余白が広かったり、中央から大きくズレているように見えるのは、収録文字の中に『大きさの特殊な文字』があったためです。

特に、縦方向の余白が広いのは、ひらがなの『ぐ』みたい形をした踊り字のせいでした。

どうやら Noto フォントは、もともとの文字の大きさに沿って、忠実にデザインされているようでした。

ほかにも、どこで使われている文字なのか分かりませんが、めちゃめちゃ左に寄ったマルとか、すごく右に長い横棒などがありました。

そういった文字も含めて共通の bbox を取得した結果、『余白の広い画像』ができていました。

この余白やズレを減らすためには、文字の幅や高さの情報を見るなどして、特殊な文字を除外する必要がありました。

しかしながら、ほかの文字との相対的な位置関係も、文字の形の一部だと思います。

なので、そこをくずしてまで余白を削ったり、中央寄せにしたりする必要があるのかどうかは、自身の目的に照らして判断する感じですね。

以上です。