基于Android的數(shù)學(xué)公式編輯平臺(tái)的探究

摘 要：本文闡述了如何實(shí)現(xiàn)在Android 開發(fā)中數(shù)學(xué)公式通過自定義鍵盤輸入的形式，完成一般以及較高級(jí)的數(shù)學(xué)公式的輸入和編輯。該方式的核心內(nèi)容是Latex與公式之間的轉(zhuǎn)換，通過HTTP請(qǐng)求，正則表達(dá)式的判斷后調(diào)用已有接口來實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Android；自定義鍵盤；latex；正則表達(dá)式

中圖分類號(hào)：TP391.41

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，由Google公司和開放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開發(fā)。占主流的android系統(tǒng)則讓開發(fā)人員不斷地推出各式各樣的android程序，以供越來越多的應(yīng)用需求。

對(duì)于大學(xué)生而言，大多數(shù)都只是使用成熟的應(yīng)用，但是把移動(dòng)端應(yīng)用開發(fā)程序運(yùn)用到學(xué)術(shù)學(xué)習(xí)這個(gè)方面，似乎開發(fā)還存在著空白。目前市場上擁有問答系統(tǒng)比如說Stack Overflow，Quora系統(tǒng)嶄露頭角，估值上億。

在中國，移動(dòng)平臺(tái)的問答系統(tǒng)卻不常見。問答系統(tǒng)特別是數(shù)學(xué)類的問答系統(tǒng)中在移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的主要困難在于公式和幾何圖形的輸入。本文前期調(diào)研了國內(nèi)外的問答系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)都沒有很好的完成這一功能，并且認(rèn)為在現(xiàn)有的問答系統(tǒng)中，鮮少有手動(dòng)繪圖和公式輸入功能的應(yīng)用，本文描述的基于android的善科問答系統(tǒng)很有市場開發(fā)價(jià)值。

1 功能分析

1.1 關(guān)鍵功能及相關(guān)技術(shù)

對(duì)于該善科問答系統(tǒng)的移動(dòng)客戶端應(yīng)用的主要功能，擬從數(shù)學(xué)公式的獲取、發(fā)布、展示3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。對(duì)于各環(huán)節(jié)再從所需信息的內(nèi)容和處理方式進(jìn)行分析。

1.1.1 手機(jī)移動(dòng)客戶端數(shù)學(xué)公式的獲取

（1）獲取內(nèi)容。該善科問答系統(tǒng)的客戶端從服務(wù)端獲取的內(nèi)容一般以文本和圖片居多。善科問答客戶端采用的文本信息都是內(nèi)容實(shí)體，既可以是簡單文本，或者是JSON格式的結(jié)構(gòu)文本；而圖片信息則既可以是內(nèi)容實(shí)體也可以是網(wǎng)頁URL。實(shí)現(xiàn)功能的重點(diǎn)則是網(wǎng)頁URL的本地顯示；（2）獲取方式。在Android手機(jī)移動(dòng)客戶端，其可以使用異步任務(wù)或線程消息隊(duì)列的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的異步調(diào)用；善科問答客戶端采用的就是常用的org.apache.http包中的API通過HTTP的方式發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求，對(duì)于數(shù)學(xué)公式的圖片下載則是使用的HTTP的方式獲取服務(wù)端返回的字節(jié)流，并保存為本地文件。

1.1.2 手機(jī)移動(dòng)客戶端編輯框消息的發(fā)布

（1）發(fā)布內(nèi)容。作為數(shù)學(xué)類的問答系統(tǒng)而言，善科問答系統(tǒng)的客戶端開發(fā)案例所發(fā)布內(nèi)容包括了普通的文字信息以及圖片（數(shù)學(xué)公式Latex形式）的信息，其具備了基本的問答所需的設(shè)置；（2）發(fā)布方式。自定義的鍵盤中顯示本地存儲(chǔ)的示例公式，通過鍵盤的編輯操作后，將消息通過org.apache.http包中的API通過HTTP的方式發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求，再以HTTP的方式獲取服務(wù)端返回的字節(jié)流，并保存為本地文件，以合適的大小顯示在手機(jī)屏幕上。

1.1.3 手機(jī)移動(dòng)客戶端消息的顯示

（1）展示內(nèi)容。問答類的移動(dòng)客戶端的展示內(nèi)容無外乎文本和圖片，其中文本內(nèi)容一般映射于相應(yīng)的POJO類，而圖片內(nèi)容則是一方面來源于存儲(chǔ)好的靜態(tài)的數(shù)學(xué)公式的本地圖片文件（其路徑是POJO類的屬性），另外一方面來源于HTTP的方式獲取服務(wù)端返回的字節(jié)流，并保存為本地文件；（2）展示方式。在android應(yīng)用中對(duì)于多項(xiàng)文本列表，則使用列表視圖（ListView）或擴(kuò)展列表視圖（ExpandableListView）。在善科問答客戶端的評(píng)論顯示中，由于存在有大量的用戶評(píng)論的情況，就像微博客戶端的用戶評(píng)論一樣。因此我們采用的是列表視圖（ListView）的方式，將一條條的評(píng)論按照時(shí)間先后的順序顯示出來，并且附上數(shù)據(jù)庫接受到的時(shí)間和用戶的名 稱。如圖1所示：

圖1 ListView視圖

在編輯評(píng)論框則采用的是將String類型的純文本內(nèi)容利用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的方式，將其轉(zhuǎn)換成spannableString的格式，這樣在listview的視圖中，既可以顯示文本，亦可以顯示圖片的內(nèi)容，比較方便。大致的步驟如下：（1）對(duì)自定義鍵盤中的數(shù)學(xué)公式圖片賦予相關(guān)的Latex字符串；（2）在評(píng)論的編輯框內(nèi)進(jìn)行輸入，需要用到數(shù)學(xué)符號(hào)時(shí)，選擇插入的“笑臉”按鈕，插入相關(guān)的數(shù)學(xué)公式；（3）選擇預(yù)覽按鈕，判斷對(duì)公式中可變參數(shù)的修改是否正確。在該過程中，僅僅做的是將插入的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行圖片的下載顯示，而最后的發(fā)布到listview中的評(píng)論，則是文字和圖片的混合顯示，比較復(fù)雜。示例見圖2；（4）發(fā)布評(píng)論的過程中，通過對(duì)輸入內(nèi)容中屬于Latex字符串進(jìn)行篩選判斷；然后將該部分內(nèi)容通過HTTP的方式發(fā)送請(qǐng)求；（5）通過返回的值獲取數(shù)學(xué)公式對(duì)應(yīng)的bitmap，采用imagespan的展現(xiàn)形式，將該部分長度的文字內(nèi)容替換為相應(yīng)的圖片，變成HTTP 獲取的服務(wù)端返回的圖片的形式；（6）根據(jù)手機(jī)屏幕的大小進(jìn)行比例放大或者縮小，以達(dá)到對(duì)有效的顯示結(jié)果，見圖3；（7）如果發(fā)布成功則彈出提示為成功，否則提示不成功。在成功的前提下清空所有編輯框，預(yù)覽框中的內(nèi)容為下一次發(fā)布做好準(zhǔn)備；（8）若評(píng)論框中內(nèi)容為空，點(diǎn)擊了發(fā)送按鈕，則提示“請(qǐng)輸入評(píng)論內(nèi)容”。如圖4。

圖2 自定義鍵盤使用示例

圖3 發(fā)布評(píng)論展示 圖4 評(píng)論為空提示

1.2 自定義鍵盤功能結(jié)構(gòu)

圖5 自定義鍵盤程序結(jié)構(gòu)

圖5中顯示的是自定義鍵盤在程序中的java包，以及相應(yīng)的.java文件，其中expression.java是對(duì)本地的靜態(tài)數(shù)學(xué)符號(hào)圖片的相關(guān)屬性的聲明和設(shè)置。

圖6 自定義鍵盤初始化聲明

圖6中的變量聲明是用來處理自定義鍵盤中的圖片滑動(dòng)的顯示，一共是4個(gè)page，每個(gè)page上放置一定量的圖片，形成如QQ鍵盤的模式，由于數(shù)學(xué)公式的常用性和相關(guān)的性以及數(shù)量上的不同，將基本的公式符號(hào)分成四類，放在四個(gè)page上，每個(gè)page上的圖片按照數(shù)組矩陣的方式排列好，滑動(dòng)到每一頁上時(shí)，相應(yīng)頁下方的圓點(diǎn)表現(xiàn)為白色，其余的3個(gè)圓點(diǎn)顯示為灰色，表明所在的頁數(shù)。并且數(shù)學(xué)公式的圖片對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的Latex字符串5，如圖4所示；通過對(duì)于圖片的選擇，在編輯框?qū)?shù)進(jìn)行修改后，選擇預(yù)覽，判斷其符合自己所需的公式后，再按評(píng)論按鈕，將消息發(fā)布出去。

圖7 自定義鍵盤展示

預(yù)覽按鈕的功能（分步驟表示）：（1）根據(jù)插入編輯框中的內(nèi)容，傳送到HTTP進(jìn)行交互，請(qǐng)求的網(wǎng)站是\"http：//latex.codecogs.com/gif.latex？\"+key，key的值就是相關(guān)的數(shù)學(xué)符號(hào)圖片對(duì)應(yīng)的Latex字符串參數(shù)，設(shè)為（a，b，c等用戶可以自行根據(jù)所需修改，此時(shí)光標(biāo)可以自己改動(dòng)）；（2）對(duì)插入編輯框中的屬于Latex字符串參數(shù)的部分，利用正則表達(dá)式進(jìn)行循環(huán)判斷，直到字符串的結(jié)束，最后在預(yù)覽顯示框內(nèi)顯示出相關(guān)的圖片；（3）在符合用戶所需求的圖片之后，用戶點(diǎn)擊評(píng)論按鈕，編輯框的內(nèi)容全部交互，文本還是以文本顯示，相關(guān)的Latex字符串則轉(zhuǎn)換為圖片；（4）清空編輯框預(yù)覽框的內(nèi)容；將評(píng)論顯示在listview中，完成評(píng)論的功能。（3、4兩步驟已經(jīng)闡述過，不再詳細(xì)論述）。

2 界面設(shè)計(jì)及接口定義

作為一款用戶可以評(píng)論的數(shù)學(xué)問答軟件，我們不僅僅需要完成相關(guān)的評(píng)論工作，并且要考慮到用戶不同，需要像QQ、微博等待一樣，進(jìn)行用戶的注冊和登錄。進(jìn)行測試時(shí)，還需利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行不同用戶的記錄，分辨出問題、評(píng)論的來源，同時(shí)也可以滿足像當(dāng)下的社交網(wǎng)絡(luò)一樣，進(jìn)行“贊”、“收藏”的功能。

2.1 歡迎界面

歡迎界面為用戶每次打開“善科問答”APP時(shí)出現(xiàn)的首個(gè)界面，它持續(xù)3000ms，然后進(jìn)入主界面，見圖8。

2.2 主程序界面

這個(gè)是程序進(jìn)入的主界面，每個(gè)listview中，顯示著一道題目，其中包括了，問題的題干，問題內(nèi)容的闡述，問題所在的園區(qū)，以及數(shù)據(jù)庫對(duì)該問題投票數(shù)量和回答數(shù)目的統(tǒng)計(jì)顯示，見圖9。

圖8 歡迎界面 圖9 主界面

2.3 登錄界面

在登錄界面中，用戶輸入用戶名和密碼，由于密碼的形式是“******”式樣，所以可以通過顯示密碼的按鈕，將“******”式樣的密碼顯示出來，如圖10所示，目的是方便用戶核對(duì)密碼是否填寫正確。如果該用戶經(jīng)常登錄，則通過數(shù)據(jù)庫SQLite的方式，選擇記住密碼，方便多次使用。

2.4 注冊界面

注冊界面，如圖11所示，輸入用戶名時(shí)，查詢數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有的名稱，進(jìn)行判斷是否存在重名現(xiàn)象。若有，則提示重新填寫，否則，繼續(xù)下一個(gè)步驟；密碼的輸入兩次需要一直，否則提示出錯(cuò)，需要重新填寫；三個(gè)框內(nèi)不能為空，否則彈出提示，讓用戶填寫內(nèi)容。

圖10 登錄界面 圖11 注冊界面

2.5 “更多”界面多個(gè)按鈕功能簡述

（1）用戶可以實(shí)現(xiàn)登錄，進(jìn)入登錄的界面，見圖13；（2）可以退出當(dāng)前帳號(hào)，彈出退出帳號(hào)成功的提示，見圖12；（3）查詢關(guān)于自定義鍵盤的Tips也有相關(guān)的教程，其目的是幫助用戶理解較為復(fù)雜的Latex字符串的數(shù)學(xué)公式的使用方法；（4）意見反饋的作用是，通過短信的方式向我們開發(fā)者提供他們的使用意見，讓APP軟件更加的方便使用。

圖12成功退出 圖13 “更多”界面

3 公式平臺(tái)的未來與展望

隨著手機(jī)由于其便攜性獲得愈來愈多的用戶青睞，安卓系統(tǒng)各方面的應(yīng)用也將被逐漸開發(fā)出。該應(yīng)用涵蓋了教育平臺(tái)搭建，用戶注冊登錄數(shù)據(jù)庫，以及公式預(yù)覽編輯等等。對(duì)于公式編輯與識(shí)別，這是一個(gè)全新的亟待開發(fā)的領(lǐng)域，這對(duì)于以后教育類數(shù)學(xué)類平臺(tái)的研發(fā)創(chuàng)造以及安卓上文檔編輯都是一個(gè)奠基。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪永松 Android 手機(jī)應(yīng)用開發(fā)之信息平臺(tái)移動(dòng)客戶端.

[2]劉銳 Android 開發(fā)的性能優(yōu)化 新華網(wǎng)股份有限公司.北京，100162

[3]王楠 基于Android手機(jī)平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探析 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司河南省分公司.河南 鄭州，450000

作者簡介：徐婧（1992.08-），女，江蘇淮安人，現(xiàn)本科在讀；陳雨晨（1993.08- ），女，江蘇常熟人，現(xiàn)本科在讀。

作者單位：東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189