如何实现PNG图像像素完美绘图、展示并保留原分辨率保存？

问题概述 #

需求：

• 读取本地PNG格式图像
• 在图像上绘制矩形等形状
• 在Jupyter Notebook中展示处理后的图像并保存回文件

使用matplotlib时遇到分辨率丢失问题：输入图像为1200x800像素，保存后的输出图像仅为496x330像素。本质原因是matplotlib基于物理单位（英寸）绘图，依赖屏幕dpi等参数，无法直接实现像素完美的绘制与原分辨率保存。

当前使用的代码：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.image as mpimg
import matplotlib.patches as patches

# Read the image.
image_path = 'input_image.png'
output_image_path = 'output_image.png'
image = mpimg.imread(image_path)

# Create a figure.
fig, ax = plt.subplots(1)
ax.axis('off')

# Create a rectangle patch and add it.
rect = patches.Rectangle((100, 100), 20, 20, linewidth=1, edgecolor='r', facecolor='none')
ax.add_patch(rect)
ax.imshow(image)

# Save result.
plt.savefig(output_image_path, bbox_inches='tight', pad_inches=0)

# Input image: (1200x800)
# Output image: (496x330)

解决方案 #

方案1：调整matplotlib参数实现原分辨率保存 #

通过手动匹配图像像素尺寸与matplotlib的figure尺寸、dpi参数，强制输出与原图一致的分辨率：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.image as mpimg
import matplotlib.patches as patches

image_path = 'input_image.png'
output_image_path = 'output_image.png'
image = mpimg.imread(image_path)

# 获取图像的像素高度与宽度
h, w = image.shape[:2]

# 设定dpi值，前后保持一致即可
dpi = 100
# 计算figure尺寸：像素数 / dpi，得到英寸单位的尺寸
fig, ax = plt.subplots(figsize=(w/dpi, h/dpi), dpi=dpi)
ax.axis('off')

# 绘制矩形，坐标为像素级，与原图完全对应
rect = patches.Rectangle((100, 100), 20, 20, linewidth=1, edgecolor='r', facecolor='none')
ax.add_patch(rect)
ax.imshow(image)

# 保存时指定相同dpi，同时消除边距
plt.savefig(output_image_path, bbox_inches='tight', pad_inches=0, dpi=dpi)
plt.show()  # 在Jupyter Notebook中展示图像

方案2：使用Pillow（推荐，更适合像素级操作） #

Pillow是专门的图像处理库，完全基于像素逻辑操作，无需考虑物理单位，直接实现像素完美绘制与原分辨率保存：

from PIL import Image, ImageDraw
from IPython.display import display

# 读取本地PNG图像
image_path = 'input_image.png'
output_image_path = 'output_image.png'
img = Image.open(image_path)

# 创建绘图对象
draw = ImageDraw.Draw(img)

# 绘制矩形：参数为左上角坐标与右下角坐标，outline指定边框颜色，width指定边框宽度
draw.rectangle([(100, 100), (120, 120)], outline='red', width=1)

# 在Jupyter Notebook中展示处理后的图像
display(img)

# 保存回原分辨率的PNG文件
img.save(output_image_path)

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user2623674