前情提要

　　在Day 25：監弒器．WebCam的陰謀中，你的室友們想要潛入女生宿舍送宵夜，還拉你下水，但當室友A──眼鏡仔破解門禁系統時，卻觸發了保護機制，結果你、眼鏡仔、毛帽男三人被困在一個女生房間裡。
　　你們發現房間裡有一個盆栽，上面的樹莓正閃爍著紅色LED亮光，裡面還有一條線連接到DHT22溫溼度感測器。你們發現如果溫度跟濕度達到一定的標準，就會觸發繼電器。你們想盡辦法成功觸發繼電器後，發現這個繼電器連接到風扇的插頭，然後風扇開始緩緩轉動。
　　你們在風扇後面找到一張紙條，是大漂亮給你們的提示。上面寫著要你們用WebCam攝影機拍照，然後用Python程式把照片轉換成ASCII碼，再用GPIO4接腳控制LED燈，讓它閃爍出ASCII碼。

Step 1：需求分析

輸入 / Input

• (1) WebCam 攝影機的影像資料
• (2) 一些 Python 模組，例如 PIL、numpy 和 cv2。

處理 / Process

• (1) 將影像資料儲存成照片檔
• (2) 調整大小和灰階化
• (3) 將灰階圖像轉換成 ASCII碼
• (4) 拼接成一個字串

輸出 / Output

• (1) 輸出ASCII圖像，可以在終端機上顯示，也可以儲存成文字檔
• (2) ASCII圖像是用不同亮度等級的ASCII字元來模擬原始影像的外觀

Step 2：演算法／流程圖

目的

• 用Python程式碼來把WebCam攝影機的照片轉換成ASCII圖像
• ASCII圖像是一種用文字符號來表示圖像的方法，就像是用字母和符號來畫出一張臉，例如：

   ,   ,
  (o,o)
   \_/
  -"-"-

Pseudo Code

• 1. 安裝一些Python模組，例如PIL、numpy和cv2，可以用pip指令來安裝。
     install PIL, numpy and cv2
• 2. 用cv2模組來開啟WebCam攝影機，並且捕捉一張照片
  • (1) 引入cv2模組
    import cv2, PIL and numpy
  • (2) 建立一個VideoCapture物件，參數0表示使用第一個攝影機
    cap <- VideoCapture(0)
  • (3) 讀取一偵影像，ret是布林值，表示是否成功讀取，frame是影像資料
    ret, frame <- cap.read()
  • (4) 釋放VideoCapture物件
    cap.release()
  • (5) 將frame影像資料儲存成image圖片檔
    write frame to "webcam.jpg"
• 3. 用PIL模組來讀取剛剛儲存的照片，並且調整大小和灰階化。
  • (1) 用PIL模組開啟image圖片檔
    img <- Image.open("webcam.jpg")
  • (2) 調整（縮小）圖片大小
    width, height <- img.size aspect_ratio <- height / width new_width <- 100 new_height <- aspect_ratio * new_width * 0.55 img <- img.resize(new_width, new_height)
  • (3) 將圖片灰階化
    img <- img.convert("L")
• 4. 用numpy模組來將灰階圖像轉換成ASCII碼，用來儲存不同亮度等級的字元
  • (1) 建立一個ASCII 字元列表，從最暗到最亮
    chars <- ["@", "#", "S", "%", "?", "*", "+", ";", ":", ",", "."]
  • (2) 將圖像的像素值轉換成 numpy 陣列
    pixels <- numpy.array(img)
  • (3) 將每個像素值對應到一個 ASCII 字元
    ascii_pixels <- numpy.array([chars[pixel / 25] for pixel in pixels.flatten()])
  • (4) 將 ASCII 陣列重塑成與圖像形狀相同
    ascii_pixels <- ascii_pixels.reshape(new_height, new_width)
  • (5) 將 ASCII 字元連接成一個字串
    ascii_image <- "\n".join("".join(row) for row in ascii_pixels)
  • (6) 印出 ASCII 圖檔
    print(ascii_image)
• 5. 將ASCII圖像儲存成文字檔
     open "ascii_image.txt" as f write ascii_image to f close f

Step 3：程式撰寫

1. 安裝一些Python模組，例如PIL、numpy和cv2，可以用pip指令來安裝

pip install PIL numpy opencv-python

• Python模組就像一個裡面有很多工具的工具箱，可以幫助使用者完成不同的任務。
• PIL模組可以協助處理圖片檔案，numpy模組可以協助處理數字和矩陣，cv2模組可以協助使用攝影機和影像處理。
• pip指令是提供解除安裝套件功能、支援Wheel格式套件。它就像是一個快遞員，可以把工具箱送到使用者的電腦。

2. 用cv2模組來開啟WebCam攝影機，並且捕捉一張照片

# 引入cv2模組
import cv2 
# 建立一個VideoCapture物件，參數0表示使用第一個攝影機
cap = cv2.VideoCapture(0)
# 讀取一偵影像，ret是布林值，表示是否成功讀取，frame是影像資料
ret, frame = cap.read()
# 釋放VideoCapture物件
cap.release()
# 將frame影像資料儲存成image圖片檔
cv2.imwrite("webcam.jpg", frame)
# 用PIL模組來讀取剛剛儲存的照片，並且調整大小和灰階化
from PIL import Image

• 這個步驟就像是一個攝影師幫使用者拍下想要轉換成ASCII圖像的照片。
• 引入cv2模組，就像是打開工具箱。
• 建立一個VideoCapture物件，就像是拿出攝影機。
• 讀取一偵影像，就像是按下快門。
• 釋放VideoCapture物件，就像是關掉攝影機。
• 把frame影像資料儲存成image圖片檔，就像是把照片洗出來。

3. 用PIL模組開啟image圖片檔

img = Image.open("webcam.jpg")
# 調整 縮小 圖片大小
width, height = img.size
aspect_ratio = height / width
new_width = 100
new_height = int(aspect_ratio * new_width * 0.55)
img = img.resize((new_width, new_height))
#  圖片灰階化
img = img.convert("L")

• 這個步驟就像是一個厲害的修圖大師，可以幫使用者修照片。
• 從PIL模組中引入Image類別，就像是拿出畫筆。
• 打開image圖片檔，就像是把照片放在畫板上。
• 調整照片的大小，就像是用剪刀剪掉多餘的部分。
• 保持照片的長寬比，就像是不讓照片變形。
• 把照片的寬度設為100像素，高度根據長寬比和一個係數0.55來計算，就像是用尺量出適合的尺寸。
• 把照片轉換成灰階，就像是用黑白顏料把照片重新塗成灰色調。

4. 用numpy模組來將灰階圖像轉換成ASCII碼

import numpy as np
# 建立一個`ASCII 字元列表`，從最暗到最亮
chars = ["@", "#", "S", "%", "?", "*", "+", ";", ":", ",", "."]
# 將圖像的像素值轉換成 numpy 陣列
pixels = np.array(img)
# 將每個像素值對應到一個 ASCII 字元
ascii_pixels = np.array([chars[pixel // 25] for pixel in pixels.flatten()])
# 將 ASCII 陣列重塑成與圖像形狀相同
ascii_pixels = ascii_pixels.reshape(new_height, new_width)
# 將 ASCII 字元連接成一個字串
ascii_image = "\n".join("".join(row) for row in ascii_pixels)
# 印出 ASCII 圖檔
print(ascii_image)

• 這段程式碼就像是一個解碼專家，可以幫使用者把灰階圖像轉換成ASCII圖像。
• 引入numpy模組，就像是打開另一個工具箱。
• 建立一個從最暗到最亮的ASCII字元列表，就像是一個密碼表。
• 把灰階圖像的每個像素值轉換成一個numpy陣列，就像是把照片切割成很多小方塊。
• 把每個像素值對應到一個ASCII字元，就像是用密碼表來替換每個小方塊。
• 用25來除以每個像素值，然後取整數部分，就可以得到一個0到10的索引值，再用這個索引值來選擇ASCII字元列表中的一個字元。
• 把ASCII字元的陣列重新整理成跟圖像一樣的形狀，就像是把小方塊重新拼回原來的位置。
• 把ASCII字元連接成一個字串，並且印出來，就可以看到ASCII圖像了。

5. 把ASCII圖像儲存成文字檔

with open("ascii_image.txt", "w") as f:
    f.write(ascii_image)

• 這段程式碼就像是一個行政/文書，可以把ASCII圖像保存下來。
• 用open函數來建立一個文字檔案，並且命名為ascii_image.txt。參數"w"表示要以寫入模式打開這個檔案。
• 用with語句來管理這個檔案物件f，這樣可以確保檔案在使用完畢後會自動關閉。
• 用write方法來將ascii_image字串寫入到f中，就可以把ASCII圖像儲存起來了。

參考資料 Reference

• 超圖解Python程式設計入門（趙英傑, 2019, p.5-2, p.14-2）
• 這是由Gamez Gamera在Stack Overflow（為開發者提供問答服務的網站）上的提問：如何用Python程式碼來將WebCam攝影機拍到的照片轉換成ASCII圖像 (Python script that converts webcam image to ASCII in cmd that won't print Unicode)
  • Gamez Gamera詢問：想要在ASCII圖像中加入一個Unicode字元，但是遇到了無法正確顯示的問題。
  • jackieyang回答：如果使用者的命令列不支援Unicode字元的顯示，就會出現亂碼或方塊。
• 這是Derric Williams(2018)發表在PyPI的Python模組專案：asciisciit，可以讓使用者把圖像、影片、GIF和WebCam攝影機的輸出轉換成ASCII圖像。
  • PyPI（Python Package Index）：大量由其他程式設計師開發的程式庫，以模組或是套件的形式收錄在這個網站。