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1、摘要在互联网中，数学相关数据需要使用大量的符号公式来概括知识，目前盛行的公式表示方法是图片表示法。用户将表示公式的内容在客户端公式软件中编辑完成，再通过截屏软件截图，最后发布到互联网上通过图片加载的方式调用。这种公式表示方法的缺陷是耗费网络存储资源大、加载缓慢且无法再编辑。W3C 在 1998 年定义了 MathML(数学标记语言)，作为在互联网上表示公式符号的标准语言。相较于图片表示法，MathML 采用了半结构化 XML 数据结构，极大地提高了浏览器端公式的细节展现能力，保证了公式语义化。后期有人提出了与 MathML 对应 ASCIIMathML 标记语言，通过 ASCII 文本描述公式
2、的符号和结构，弥补 MathML 用于单纯描述公式代码过于冗余的缺陷。本文重点讨论了如何在 Web 页面中编辑和展示数学公式，并实现了一个叫做 SmartFormula 的系统：它是以 UEditor 为基础、MathJax 类库为渲染引擎、ASCIIMathML 为文本化描述语言、MathML 为渲染语言的数学公式编辑与展示系统。使用本文的数学公式编辑器，可以实现在网页中直接编辑与展示公式，同时还可规避图片表示法描述公式的缺陷。在实际使用中，可以为公式节省至少 50 倍存储空间，并显著提高公式渲染效率，同时使得公式的检索和复用成为可能。关键词：MathML；ASCIIMathML；UEdit
3、or；公式编辑VIIIAbstractA large amount of Mathematical knowledge are described with formulas. Formulas in Web pages were saved and displayed with images, which were edited in the client software and then published on the Internet by users.W3C defines a standard Mathematical Markup Language MathML, which
4、is used to complete the description of mathematical formulas on the Web. MathML is a half-structured data facilitating the search engine to do full-text search. Later ASCIIMathML was proposed, so we can describe the symbols and structures of formulas with ASCII text. This paper focuses on how to edi
5、t and display the mathematical formulas in Web pages, and complete such a system: using MathJax as the formula render engine in UEditor; using ASCIIMathML text to represent the local storage of formulas; using MathML as formula rendering language.Through the mathematical formula editor of this paper
6、, formulas can be edited in the Web page directly, which will make up for the lack of the traditional way of pictures 。 In fact, you can save nearly 50 times of the storage space in the formula rendering efficiency . In addition, MathML format makes the retrieval and reuse of formula possible.Key wo
7、rds:MathML;ASCIIMathML; UEditor;Formula Editing目录摘要IIIAbstractIV目录V第一章绪论1 研究背景1 教育信息化的发展1 Web 公式渲染技术的演进2 国内外研究现状6 公式编辑相关研究现状6 常见的富文本编辑器7 数学公式编辑器的新要求9 论文的研究内容、目标和意义9 论文的组织结构10第二章公式编辑基础11 公式基础11 公式定义11 公式的常见结构11 公式的描述语言13 富文本编辑器基础17 TTW (Through the Web) WYSIWYG17 富文本编辑器17 UEditor 简介18第三章数学公式编辑器的设计20
8、编辑器功能设计20 编辑器整体结构设计22 系统重点功能模块设计23 公式在编辑器中表示设计23 编辑器 GUI 设计23 公式的结构化表示方案25 光标设计26 编辑流程设计27 公式转换过滤设计30 跨平台共享公式设计31第四章数学公式编辑器的实现33 开发环境搭建33 工具与平台33 开源项目简介34 目录结构35 GUI 实现35 公式编辑的实现37 公式节点的实现37 公式的具体表示38 光标的实现39 公式可视化的实现40 公式数据转换过滤的实现41 跨平台共享公式的实现42 布署流程43 系统主要功能展示45 性能对比46第五章总结与展望50参考文献51附录531. ASCIIM
9、athML 常量分类53致谢57 第一章 绪论 研究背景 教育信息化的发展面对 21 世纪信息化浪潮，世界各国都把大力发展科技和教育作为推动国家进步、提高本国竞争力的重要策略，把教育信息化作为整个教育改革的突破口， 加大政府投资力度，加快发展教育信息化1。在“互联网+”时代，各大传统行业与互联网融合激发了巨大的市场潜力，现在互联网教育也成为一个用户需求强烈的新市场。随着远程教育、网校等线上教育模式的发展，教育产业开始越来越深地与互联网结合，并激发出巨大的市场活力。2013 年在线教育市场规模达到 839.7 亿， 同比增长速度为 19.9%。图 1-1 表示了 2008 年到 2017 年中国
10、教育用户的规模增长情况，2013 年中国在线教育用户规模已达到 6720 万人，同比增长 13.8%。随着互联网普及、用户使用习惯的形成，未来几年，在线教育用户规模将保持 15%以上的速度持续增长，到 2017 年预计达到 1.2 亿人。图1-1. 2008-2017 年中国在线教育用户规模2012 年教育部印发了教育信息化十年发展规划，提出到 2020 年我国教育信息化发展的总体目标2：1. 基本建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境；2. 基本形成学习型社会的信息化支撑服务体系；3. 基本实现所有地区和各级各类学校宽带网络的全面覆盖；624. 教育管理信息化水平显著提高；5. 信息技术
11、与教育融合发展的水平显著提升。教育信息化是一个利用信息技术促进教育变革、带动教育现代化的过程。其中在线教育是以现代信息技术为支撑的新型教育形态之一。教育信息化强调了教育资源的重要性，这些资源的开发和利用是教育信息化的核心，也是关系到教育信息化建设成败的关键。教育信息化是促进教育公平、创新人才培养模式、推进终身学习的重要手段3。在教育信息化逐渐推进的大背景下，人们越来越多地通过 Web 方式发布、获取和管理知识。在这些知识的产生、传播和使用过程中，数学公式是不可或缺的内容。尤其在教育、科学技术等专业领域，人们需要使用大量的专业符号、公式和特殊标记。从人类结绳记事开始，到人类发明了语言和文字，再到
12、后来人类在科学探索中发明了公式，人类的科技文明中经历了曲折而巨大的发展。公式已经成为人类通用的语言，它对自然和科学具有高度的概括意义。在人类高速发展教育信息化的今天，尤其是理工类学科会有大量的编辑、存储、传输、显示数学符号公式的需求。公式在教学和科研过程中，对于知识的抽象和形式化描述具有无法替代的作用。而公式编辑器是整个互联网数据中公式数据的入口，其对于公式的传输和显示具有非常重要的作用。然而目前的互联网技术对数学公式的信息化处理支持非常有限，因此迫切需要研发出行之有效的数学公式处理的解决方案4。 Web 公式渲染技术的演进由于数学公式自身的复杂性，Web 技术对于数学公式的支持比较有限，无法
13、像其他多媒体内容一样便捷地在 Web 上编辑和显示。最初，人们并没有在 Web 上展示公式的理想的方法，只能借助客户端的公式编辑程序如 Microsoft Office Word 输入完整的公式之后，再通过截图软件生成公式图片，然后将这些图片上传的到互联网上并在自己网页的 HTML（HyperText Markup Language）文档中添加标签将其嵌入到页面。这些图片需根据标签的 SRC 属性指定公式在互联网中的存储路径，当用户向浏览器发起页面请求时，服务器会将 HTML 文档发送到浏览器，浏览器再下载图片，并渲染到页面上。后来人们逐渐意识到这种方式生成公式图片的步骤太多，于是 CodeC
14、ogs 开发了一套基于在线 LaTeX 的公式编辑系统，它可以进行一些简单的公式编辑， 并且将用LaTeX 表示的公式数据转换成图片。下图展示了CodeCogs 的编辑界面， 其本质是借助了 LaTeX 语言来实现公式编辑，公式最终仍然是以图片的形式展现在浏览器中。图1-2. CodeCogs LaTeX 公式编辑界面图片表示法虽然一定程度上解决了数学公式在 Web 上的编辑难题，但很明显带有一定的局限性。公式图片表示法具体存在以下缺陷：(1) 图片尺寸无法进行无损缩小或放大，在不同页面中极可能出现模糊变形；(2) 公式转换成图片后，想要编辑公式，必须要重复上述过程，费时费力；(3) 图片中的
15、公式信息无法被查询和重复利用；(4) 生成的符号公式需要以图片的形式保留在 Web 服务器上，会占用比文本高许多倍的网络存储资源。为了解决图片展示公式的不足，Design Science 开发了功能强大且易用的 MathPlayer 插件程序，用于在Microsoft Internet Explorer 浏览器中显示数学公式。 MathPlayer 提供了一套功能完善的软件让用户可以在浏览器与支持 MathML 的软件（如 Maple、Mathematica）中自由剪切公式。这是 Web 公式显示技术的一项重大改进，它让公式的高质量显示及公式数据的传播成为可能。但它也存在一 定的缺陷，除了其性能不佳外，最大的问题是对非 IE 系列浏览器支持不够完善。近几年来，越来越多的用户无法忍受 IE 系列浏览器自身性能和兼容性方面的缺陷，非 IE 系列浏览器的市场占有率逐年上升。图 1-3 和图 1-4
