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Python Pillow 套件－製作GIF動畫

HataRin
HataRin
2023/08/29閱讀時間約 20 分鐘

圖像互換格式（Graphics Interchange Format, GIF）是一種媒體格式，可以將多偵的圖像組合成一個連續的動畫。無論是在社交媒體上分享有趣的動畫，還是在網站上展示產品的動態效果，GIF都是一個絕佳的選擇。

上一篇文章說明了Pillow套件的基礎操作，例如圖像的縮放，裁減，旋轉、合併等等，而這篇文章，將介紹如何使用上一篇提到的技巧，製作出流暢的GIF動畫。

Pillow將檔案儲存成GIF格式的函式與上一章介紹的一樣，是使用 Image.save() ，而 save​有多個參數可以控制GIF的屬性，以下是常見的參數：

image.save(fp: str, 
           save_all: bool, 
           append_images: list, 
           optimize: bool,
           duration: int | list,
           loop: int)
  1. image ：GIF第一幀的圖。
  2. save_all：是否保存多幀GIF。
  3. append_images ：要追加為GIF的其他圖像串列。
  4. duration：每幀的持續時間，以毫秒為單位。可以是單一整數（對所有幀使用相同的持續時間）或整數串列（每幀的持續時間）。
  5. loop：GIF的播放次數。0表示無限循環，1表示播放一次，2表示播放兩次，依此類推

範例1－使用繪製製作動畫

先來看圖像：

square_animation.gif

square_animation.gif

這是一個200x200的圖像，中心有一個紅色矩形，從100x100，每幀邊長各增長10像素，直到填滿200x200的空間，每幀的持續時間為100ms，並且無限循環。

在說明如何製作之前，先來介紹一個可以生成新圖像的函式：

Image.new(mode: str, size: tuple | str, color)
  1. mode：圖像的顏色模式。常見的模式有：
    • 'RGB': 三通道，紅色、綠色和藍色。
    • 'RGBA': 四通道，紅色、綠色、藍色和透明度/alpha。
    • 'L': 灰度模式。
    • '1': 二值模式，只有黑和白。
  3. size：圖像的尺寸，表示為(width, height)。
  4. color：背景顏色。對於'RGB'模式，這將是一個三元組，例如(255, 255, 255)表示白色，也可以使用顏色的英文名，如 'white' 。對於'L'模式，這將是一個介於0（黑色）和255（白色）之間的整數。

例如生成一個100x100，背景顏色為藍色的圖像：

from PIL import Image
img = Image.new('RGB', (100, 100), (0, 0, 255))
img.save(r'blue_square.png')
blue.png

blue.png

介紹完 new()之後，就可以開始介紹如何製作了。

製作過程

首先，我們需要一個200x200、背景為透明的圖像：

from PIL import Image, ImageDraw
img = Image.new('RGBA', (200, 200), (255, 255, 255, 0))

接著，在圖像的中間繪製100x100的紅色矩形：

draw = ImageDraw.Draw(img)
upper_left = (100 - 50, 100 - 50)
lower_right = (100 + 50, 100 + 50)
draw.rectangle([upper_left, lower_right], fill='red')
img.save(r'red_square.png')
red_square.png

red_square.png

接下來，因為每次邊長都會增加十，也就是說，下一張圖像的矩形大小會是110x110，為了維持在圖像中央，矩形左上角的點座標會是（100 - 55, 100 - 500），右下地的點座標則是（100 + 55, 100 + 55），依此類推，下一次就是（100 - 60, 100 - 60）與（100 + 60, 100 + 60），直到（0, 0）與（200, 200）時，紅色矩形填滿整個圖像。我們利用 for 迴圈來繪製每一張圖像，並且將圖像儲存至 images​ 的列表內，程式碼如下：

# 創建一個圖像列表
images = []
for i in range(100, 201, 10):
    # 創建一個200x200的透明背景
    img = Image.new('RGBA', (200, 200), (255, 255, 255, 0))
    
    # 在正中間繪製紅色矩形
    draw = ImageDraw.Draw(img)
    upper_left = (100 - i//2, 100 - i//2)
    lower_right = (100 + i//2, 100 + i//2)
    draw.rectangle([upper_left, lower_right], fill='red')
    
    images.append(img)

接下來，我們只要將圖像利用 save 輸出成GIF就完成了，第一幀圖像是 images列表的第一個元素，因此使用 images[0].save() 來製作GIF，按照上面的格式依序填入參數：

images[0].save(r'square_animation.gif',
                save_all = True, 
                append_images = images[1:], 
                optimize = False, 
                duration = 100, 
                loop = 0)

值得注意的是 append_images = images[1:]，使用列表分割使得 images[0] 不會出現兩幀。以下是完整的程式碼：

from PIL import Image, ImageDraw

# 創建一個圖像列表
images = []
for i in range(100, 201, 10):
    # 創建一個200x200的透明背景
    img = Image.new('RGBA', (200, 200), (255, 255, 255, 0))
    
    # 在正中間繪製紅色正方形
    draw = ImageDraw.Draw(img)
    upper_left = (100 - i//2, 100 - i//2)
    lower_right = (100 + i//2, 100 + i//2)
    draw.rectangle([upper_left, lower_right], fill='red')
    
    images.append(img)

# 將圖像列表保存為GIF
images[0].save(r'square_animation.gif',
               save_all = True, 
               append_images = images[1:], 
               optimize = False, 
               duration = 100, 
               loop = 0)

範例二－圖像旋轉

接下來用上一篇文章提到的 rotate() 製作如下動畫：

rotated_animation,gif

rotated_animation,gif


這是一個100x100的水藍色矩形，以逆時針每次旋轉10度，無限循環，每幀的持續時間為100ms。

首先一樣使用 new() 來製作一個100x100的水藍色圖像：


from PIL import Image
base_img = Image.new('RGB', (100, 100), color = 'aqua')
base_img.save(r'aqua.png')
aqua.png

aqua.png

來看看轉五十度的圖像：

rotated.png

rotated.png

旋轉成功，那我們就可以使用 for 迴圈來快速製作旋轉10度到350度的圖像，由於旋轉0度等於360度， save 的 loop 參數會自動幫我們回到第一幀圖像，因此我們 for 迴圈只要到 350 就行了。

rotated_images = []
# 旋轉圖像
for angle in range(10, 360, 10):
    rotated_images.append(base_img.rotate(angle))

將圖像列表合併成GIF動畫：

# 將旋轉的圖像保存為GIF
rotated_images[0].save(r'rotated_animation.gif',
                      save_all = True, 
                      append_images = rotated_images[1:], 
                      optimize = False, 
                      duration = 100, 
                      loop = 0)

製作旋轉圖像也可以使用Python的生成式，完整程式碼如下：

from PIL import Image
# 創建一個水藍色圖像
base_img = Image.new('RGB', (100, 100), color = 'aqua')

# 旋轉圖像
rotated_images = [base_img.rotate(angle) for angle in range(0, 360, 10)]

# 將旋轉的圖像保存為GIF
rotated_images[0].save(r'rotated_animation.gif',
                      save_all = True, 
                      append_images = rotated_images[1:], 
                      optimize = False, 
                      duration = 100, 
                      loop = 0)

範例三－圖像裁剪

現在有一張風景圖：

landscape.png

landscape.png

我們希望能擁有以下效果：

sliding_window.gif

sliding_window.gif

這張gif的大小為640x300，每幀擷取的部份的會往下5像素，到最底後會回彈，並以每幀往上5巷素的方式移動，直到回到圖像的最頂端，無限循環，每幀的持續時間為50ms。

一開始，我們先讀入 landscape.png，並顯示其大小：

from PIL import Image
img = Image.open(r'landscape.png')
width, height = img.size
print(f'大小：{width}x{height}')
大小：640x640

先擷取（0, 0）到（640, 300）的範圍：

cropped = img.crop((0, 0, 640, 300))
cropped.save(r'cropped.png')
cropped.png

cropped.png

接著只要一路以每幀5像素的速度向下裁剪，直到碰到底部，也就是裁剪到（0, 340, 640, 640）：

for step in range(0, height - 300 + 1, 5):
    box = (0, 0 + step, width, 300 + step)
    cropped = img.crop(box)
    images.append(cropped)

由於碰到底部要回彈，也就是將剛剛的過程反著再來一遍，我們可以直接複製 images內倒數第二個元素到第二個的元素，也就是去掉頭尾，然後連接到原本 images的後面，程式碼如下：

images += images[-2:0:-1]

接著將圖像列表轉為GIF並儲存：

images[0].save(r'example3\sliding_window.gif',
                save_all = True, 
                append_images = images[1:], 
                optimize = False, 
                duration = 50, 
                loop = 0)

完整程式碼如下：

from PIL import Image

img = Image.open(r'landscape.png')
images = []
width, height = img.size

for step in range(0, height - 300 + 1, 5):
    box = (0, 0 + step, width, 300 + step)
    cropped = img.crop(box)
    images.append(cropped)

images += images[-2:0:-1]

images[0].save(r'sliding_window.gif',
                save_all = True, 
                append_images = images[1:], 
                optimize = False, 
                duration = 50, 
                loop = 0)

範例四－圖像合併

有三張風景圖：

0.png

0.png

1.png

1.png

2.png

2.png

我們可以直接使用 blend()來達成如下效果：

blend.gif

blend.gif

利用Python的生成式將圖像依序讀入並存於 images列表中 ：

from PIL import Image

images = [Image.open(f'{img}.png') for img in range(3)]

將 images列表存為GIF：

images[0].save(r'blend.gif', 
               save_all = True,
               append_images = images[1:],
               optimize = False,
               duration = 500,
               loop = 0)

但這樣轉場過於單調，我們可以透過調整 alpha參數來製作淡出的效果，淡出的過程每幀持續時間100ms，每次淡出圖像的透明度增加10%，圖像每幀持續時間300​ms：

fade_out.gif

fade_out.gif

一樣先讀入圖像，不過為了等等製作淡出動畫方便， base_images的最後我們再增加一張開頭的圖像：

from PIL import Image

base_images = [Image.open(f'{img}.png') for img in range(3)]
base_images.append(base_images[0])
images = []

先將目前顯示的圖像加入到 images中，接著開始製作淡出動畫，淡出圖像的透明度每幀增加10%：

for i in range(len(base_images) - 1):
    # 將目前圖像加入至images
    images.append(base_images[i])

    # 每幀淡出圖像的透明度增加10%
    for alpha in range(10):
        blend = Image.blend(base_images[i], base_images[i + 1], alpha = alpha / 10)
        images.append(blend)

淡出過程有10幀圖像，這個過程每幀100ms，而顯示完整圖像時每幀300ms，完整圖像分別位於 images[0]、 images[11]、 images[22]，也就是說，當索引值是11的倍數時，持續時間須為300ms，剩下的每幀持續時間為100ms，我們利用以下程式碼製作 durations陣列：

for i in range(len(images)):
    if i % 11:
        durtions.append(100)
    
    else:
        durtions.append(300)

最後將圖像列表儲存為GIF就成功啦：

images[0].save(r'example4\fade_out.gif', 
               save_all = True,
               append_images = images[1:],
               optimize = False,
               duration = durtions,
               loop = 0)

完整程式碼如下：

from PIL import Image

base_images = [Image.open(f'example4\\{img}.png') for img in range(3)]
base_images.append(base_images[0])
images = []

for i in range(len(base_images) - 1):
    # 將目前圖像加入至images
    images.append(base_images[i])

    # 每幀淡出圖像的透明度增加10%
    for alpha in range(10):
        blend = Image.blend(base_images[i], base_images[i + 1], alpha = alpha / 10)
        images.append(blend)

durtions = []

for i in range(len(images)):
    if i % 11:
        durtions.append(100)
    
    else:
        durtions.append(300)

images[0].save(r'example4\fade_out.gif', 
               save_all = True,
               append_images = images[1:],
               optimize = False,
               duration = durtions,
               loop = 0)

以上就是一些利用Pillow套件製作gif的範例，範例程式碼與圖片可以在此查看與下載：YukiHataRin/vocus_gif (github.com)。感謝大家的閱讀！

HataRin
HataRin
資訊工程系的學生，目前努力鑽研機器學習，在這個平台發表一些學習筆記與Python的套件介紹，以及分享一些有趣的演算法題目。
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