電子課業(yè)手寫(xiě)批注系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

鄒 溪, 董險(xiǎn)峰

(吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

教學(xué)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展和完善[1], 已形成開(kāi)放式的多媒體教學(xué)平臺(tái)[2]。在這些平臺(tái)中, 大多數(shù)解決的是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)問(wèn)題, 而遠(yuǎn)程作業(yè)提交和批注的系統(tǒng)卻很少。筆者設(shè)計(jì)的電子課業(yè)手寫(xiě)批注系統(tǒng)就是用書(shū)寫(xiě)板、 手寫(xiě)屏等手寫(xiě)指點(diǎn)設(shè)備對(duì)其格式兼容的電子報(bào)告、 作業(yè)進(jìn)行標(biāo)注的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)不僅填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中遠(yuǎn)程作業(yè)批改的空白, 而且不失傳統(tǒng)紙質(zhì)批改“見(jiàn)字如面”的親切感。同時(shí)也為當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)的低碳辦學(xué)提供了可貴的嘗試。

1 技術(shù)路線

在電子課業(yè)手寫(xiě)批注系統(tǒng)中, 標(biāo)注是指使用手寫(xiě)指點(diǎn)設(shè)備對(duì)文檔的圈閱、 標(biāo)記、 附注和涂抹等處理的過(guò)程。其中手寫(xiě)指點(diǎn)設(shè)備包括書(shū)寫(xiě)板、 手寫(xiě)屏、 鼠標(biāo)和軌跡球等計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。

首先, 用RTF(Rich Text Format)控件以富文本格式的方式打開(kāi)Word文檔, 同時(shí)把Word的原文檔顯示在窗體中。

然后, 將Windows消息的處理方法攔截, 并處理手寫(xiě)指點(diǎn)設(shè)備等消息, 用API(Application Programming Interface)函數(shù)自定義坐標(biāo)系, 在RichTextBox場(chǎng)景[3]上批注, 保存在輔助文件中。

當(dāng)再次打開(kāi)此文檔時(shí), 讀取這些信息, 繪制出批注筆跡； 同時(shí)顯示批注筆跡的詳細(xì)信息(批注人、 時(shí)間等)。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 富文本的創(chuàng)建

運(yùn)用富文本格式(RTF： Rich Text Format)打開(kāi)(或創(chuàng)建)包含圖片、 表格、 數(shù)學(xué)公式的文檔。RTF是由微軟公司開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)文檔格式[4], 有很好的兼容性, 是通用的文件格式。

其基本元素由正文(Text)、 控制字(Control Word)、 控制符號(hào)(Control Symbol)和群組(Group)組成。

控制字是一種特定格式的命令, RTF用它作為正文格式的控制代碼, 是以反斜杠()開(kāi)頭的小寫(xiě)字母序列, 以定界符標(biāo)志一個(gè)RTF控制字的結(jié)束。

控制符號(hào)由反斜杠后跟一個(gè)單獨(dú)的非字母的字符表示一個(gè)特定的符號(hào)。

群組是大括號(hào)({})括起來(lái)的正文和控制字或控制符號(hào)組成。每個(gè)群組描述了由其修飾的正文和正文的各種屬性。

在此基礎(chǔ)上, 分離RTF控制字與正文、 分析RTF控制字語(yǔ)法、 翻譯控制字語(yǔ)義, 從而實(shí)現(xiàn)RTF閱讀器的主要功能。

該系統(tǒng)同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)窗體(見(jiàn)圖2)。圖2a是RTF文本窗體, 用于手寫(xiě)留痕批注； 圖2b是DOC文本窗體, 可依據(jù)左側(cè)的批注內(nèi)容編輯原始文本。

a RTF文本窗體 b DOC文本窗體

2.2 消息的截獲與處理

由于Windows是事件驅(qū)動(dòng)的機(jī)制, 整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)消息傳遞實(shí)現(xiàn)。其中有一個(gè)非常重要的系統(tǒng)接口----鉤子(Hook)[5], 它可攔截、 處理傳送給其他應(yīng)用程序的消息, 實(shí)現(xiàn)普通應(yīng)用程序無(wú)法完成的功能。

鉤子可監(jiān)視系統(tǒng)或進(jìn)程中的各種事件消息, 截獲發(fā)往目標(biāo)窗口的消息并進(jìn)行處理。筆者在該系統(tǒng)中安裝了自定義的鉤子, 監(jiān)視鍵盤(pán)、 鼠標(biāo)和滾動(dòng)條等。

當(dāng)窗體發(fā)生縮放、 滾動(dòng)時(shí), 都將觸發(fā)窗體的重繪事件[6]。

1) Paint事件： 在一個(gè)窗體被移動(dòng)或放大后或在一個(gè)覆蓋該對(duì)象的窗體被移開(kāi)后, 該窗體部分或全部暴露時(shí), Paint事件發(fā)生, 窗體的AutoRedraw屬性被設(shè)置為T(mén)rue, 系統(tǒng)重繪。

2) Resize事件： 當(dāng)窗體第1次顯示或窗體的狀態(tài)改變時(shí), 觸發(fā)Resize事件, 如對(duì)窗體進(jìn)行最大化、 最小化、 還原、 被鼠標(biāo)拖動(dòng)進(jìn)行放大、 縮小操作。

3) 鍵盤(pán)事件： 在窗體上操作鍵盤(pán)時(shí), 將會(huì)觸發(fā)KeyDown、 KeyUp、 KeyPress等鍵盤(pán)相關(guān)事件。

4) 鼠標(biāo)事件： 在窗體上移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí), 將觸發(fā)MouseMove事件, 按下鼠標(biāo)時(shí)將觸發(fā)MouseDown事件, 松開(kāi)鼠標(biāo)時(shí), 將觸發(fā)MouseUp事件。

依據(jù)這些消息, 批注層留痕也需要被重繪。

2.3 文本與批注的疊加

將創(chuàng)建的富文本稱為文本層(或底層)； 同時(shí)定義(多個(gè))透明的圖層, 稱為批注層。

手寫(xiě)批注是在批注層上的反饋式書(shū)寫(xiě)運(yùn)動(dòng), 利用手寫(xiě)輸入設(shè)備(如wacom Intuos3手寫(xiě)板, 采樣頻率為200點(diǎn)/s), 可以全程采集手寫(xiě)批注過(guò)程中的x,y,t等信息。

但意外斷筆等因素會(huì)導(dǎo)致手寫(xiě)批注在空間和時(shí)間上存在一定的漂移和形變, 系統(tǒng)有效地利用了手寫(xiě)批注的時(shí)序連續(xù)性和局部相關(guān)性[7], 實(shí)現(xiàn)批注筆畫(huà)的流暢[8]。

系統(tǒng)運(yùn)用API函數(shù)將文本層和(多層)批注層建立在同一坐標(biāo)系內(nèi), 沿Z軸方向?qū)⑺鼈冞壿嫰B加。當(dāng)文本層移動(dòng)、 滾動(dòng)和縮放時(shí), 批注層與其聯(lián)動(dòng), 步調(diào)一致, 便形成了留痕效果(見(jiàn)圖3)。

圖3 文本層與批注層

2.4 批注筆畫(huà)的重繪與存儲(chǔ)

在窗體的大小和位置改變時(shí), 系統(tǒng)需要重繪窗體上的批注留痕(見(jiàn)圖4)。

圖4 窗體的縮放與滾動(dòng)

手寫(xiě)批注是由筆畫(huà)的集合組成的, 對(duì)每一筆畫(huà)都有其各自的屬性。按照筆畫(huà)原本的屬性存儲(chǔ)筆畫(huà)也是保證筆畫(huà)被完整再次重繪的前提。

批注筆畫(huà)可看成是一條條的直線和曲線, 每個(gè)點(diǎn)并不是絕對(duì)隨機(jī)分布的, 而是在一定范圍內(nèi)有一定走勢(shì), 用標(biāo)量表示位置, 用矢量表示方向。這種特征決定了其重繪方法和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu), 即矢量圖形。它與位圖圖形不同, 與分辨率無(wú)關(guān), 縮放到任意尺寸, 既不丟失細(xì)節(jié), 又不降低清晰度。

這樣, 窗體縮放到不同大小時(shí), 批注筆畫(huà)的形狀、 大小和位置等屬性也隨之改變, 但都不會(huì)影響批注筆畫(huà)的整體結(jié)構(gòu)。所以, 矢量方式成為批注筆畫(huà)重繪與存儲(chǔ)的最佳選擇。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 批注功能

1) 建立筆的特征： 可選擇筆的類(lèi)型, 筆的寬度, 筆的顏色等, 并可把筆的特征值存入文件。

2) 手寫(xiě)批注： 這是系統(tǒng)中最主要的部分。系統(tǒng)在消息監(jiān)視、 處理和繪制批注筆跡等動(dòng)作的支持下, 從手寫(xiě)指點(diǎn)設(shè)備接受批注信息, 并將批注留痕信息存于輔助文件中。

3) 結(jié)束批注： 確定不再監(jiān)視系統(tǒng)消息。

4) 批注保存： 保存批注的各種信息。

3.2 監(jiān)視功能

1) 監(jiān)視鼠標(biāo)消息： 包括鼠標(biāo)的按下、 移動(dòng)和抬起等。在按下的動(dòng)作中, 判斷鼠標(biāo)的位置是否在批注區(qū)域內(nèi), 若在, 設(shè)置自定義坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)； 若不在, 繼續(xù)監(jiān)視； 在鼠標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中, 首先判斷鼠標(biāo)是否在批注區(qū)域內(nèi), 根據(jù)結(jié)果改變鼠標(biāo)的形狀, 然后繪制出批注筆跡, 并把批注的各種信息保存于輔助文件中, 以供顯示批注時(shí)使用； 在鼠標(biāo)抬起的過(guò)程中, 設(shè)置標(biāo)志表明一個(gè)批注的結(jié)束和另一個(gè)批注的開(kāi)始。

2) 監(jiān)視滾動(dòng)條消息： 當(dāng)有滾動(dòng)條的消息發(fā)生時(shí), 首先通過(guò)自定義的API函數(shù)得到Thumb的位置, 然后設(shè)置自定義坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn), 最后刷新并重新顯示批注留痕。

3) 監(jiān)視鍵盤(pán)消息： 監(jiān)視鍵盤(pán)各鍵的狀態(tài), 設(shè)置是否批注的標(biāo)志。

3.3 顯示功能

1) 判斷是否有批注筆跡： 如果有批注筆跡, 利用File System Object和API函數(shù)繪制出批注筆跡, 建立批注區(qū)域, 顯示批注筆跡和批注的詳細(xì)信息(批注人和批注日期)。在此過(guò)程中用到的函數(shù)有： MoveToEx(移動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)到指定的點(diǎn)), LineTo(在兩點(diǎn)之間畫(huà)線), DptoLp(設(shè)備坐標(biāo)到邏輯坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化)和SetViewportOrgEx(自定義坐標(biāo)系統(tǒng))等。

2) 批注顯示： 可根據(jù)批注人的權(quán)限, 選擇全部(或部分)批注層, 或指定人的批注留痕。

3) 顯示批注的詳細(xì)信息： 利用自制的VB(Visual Basic)控件顯示批注人和批注日期。

3.4 編輯功能

1) 識(shí)別身份： 確認(rèn)批注人的身份及權(quán)限, 確保系統(tǒng)的安全。

2) 新建文檔： 調(diào)用Word的新建對(duì)話框建立新的Word文檔。

3) 打開(kāi)文檔： 調(diào)用Word的打開(kāi)對(duì)話框打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)存在的文檔, 為批注做準(zhǔn)備。

4) 編輯原文檔： 可對(duì)照批注筆跡修改原文檔, 修改后調(diào)用Word的另存為對(duì)話框保存原文件, 最后可刪除批注的所有信息。

3.5 技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)經(jīng)對(duì)350人次學(xué)生的電子作業(yè)進(jìn)行批注, 取得了很好效果, 在確保流暢顯示的基礎(chǔ)上, 形成以下指標(biāo)：

1) A4滿版手寫(xiě)批注, 平均948 kByte/頁(yè), 可進(jìn)一步壓縮；

2) 最大打開(kāi)頁(yè)數(shù)20頁(yè)(A4幅面)；

3) 最大批注層數(shù)量6層。

所描述的極限參數(shù)都在intel E5200、 1 GByte RAM、 Windows XP環(huán)境中得到, 不同機(jī)型配置有所不同。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程作業(yè)批改和電子稿件評(píng)審中得到了很好的應(yīng)用, 對(duì)于教師, 改善或替代了傳統(tǒng)紙質(zhì)方式的批改。該系統(tǒng)可作為電子課業(yè)手寫(xiě)批注的公共平臺(tái), 具有很好的教學(xué)效果和推廣價(jià)值。與此同時(shí), 該系統(tǒng)在政府機(jī)關(guān), 可用于電子政務(wù)的公文扭轉(zhuǎn)[9]； 在工商企業(yè), 可用于電子商務(wù)的信息交流； 在衛(wèi)生醫(yī)療, 可用于電子病案[10]的真跡保留。未來(lái)還可引入云存儲(chǔ)系統(tǒng)[11], 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給用戶動(dòng)態(tài)資源, 得到授權(quán)的用戶可瀏覽使用這些資源, 實(shí)現(xiàn)資源共享。

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