Python环境下LaTeX数学公式转图像方案调研与探讨

经过调研，这种数据来源一般有两种，一是人工标注；二是合成。鉴于训练模型所需庞大的数据量，优先考虑合成这种数据。而合成这种数据集时，就需要将公式的LaTeX字符串渲染为公式的图像，如下图所示：
在这里插入图片描述
为此，我做了一些调研，寻求可以实现以上这种效果的方案。

方案一：基于LaTeX环境

该方案需要安装LaTeX环境，MacOS下的安装包大概有5.2G左右。

优点是支持所有的LaTeX文档的渲染，缺点是环境太占地了。

如果使用场景涉及到公式的复杂和多样性，则有必要安装这个环境，然后采用python调用渲染。

具体操作文档，大家可以去网上搜索一番，我这里就不在再赘述。

方案二：基于KaTeX

KaTeX 是一个快速，易于使用的JavaScript库，用于在Web上进行TeX数学渲染。支持大部分LaTeX语法。

基于KaTeX方案合成训练所用数据集的方案，只是我的构想，可以单独启动一个支持公式渲染的KaTeX的服务，然后python调用这个服务，输入公式LaTeX字符串，返回渲染后的数学公式图像。

值得说明的是，我并没有真正尝试这种方案，但是是具有可行性的，同时我在Github上并没有找到这种方案的项目。

(推荐) 方案三：基于Matplotlib

基于Matlplotib的方案，我是比较倾向这种方案的，不用额外安装LaTeX环境，因为Matplotlib 实现了一个轻量级的 TeX 表达式解析器和布局引擎，Mathtext 是该引擎支持的 Tex 标记的子集。这一部分的详细介绍，可参见官方文档：Writing mathematical expressions

使用例子：

import matplotlib.pyplot as pltfig = plt.figure(figsize=(3, 3), linewidth=1, edgecolor='black')
fig.text(.2, .7, "plain text: alpha > beta")
fig.text(.2, .5, "Mathtext: $\\alpha > \\beta$")
fig.text(.2, .3, r"raw string Mathtext: $\alpha > \beta$")

渲染结果如下：
在这里插入图片描述
不需要安装 TeX 即可使用 Mathtext，因为 Matplotlib 附带了 Mathtext 解析器和引擎。 Mathtext 布局引擎是对 Donald Knuth 的 TeX 中布局算法的相当直接的改编。

设想：可以基于matplotlib这个功能，编写一个自动合成开篇所讲的数据集的小工具。输入公式的LaTeX字符串，输出渲染后的数学公式图像。为此，我写了一个demo代码，大概思路是：

整体流程图如下：
在这里插入图片描述
相关代码如下：
借助matplotlib渲染公式部分：

from matplotlib import pyplot as pltfig = plt.figure(linewidth=1, facecolor="white", layout="tight")
fig.text(0.2, 0.5, r"$c = a^2 + b^2$")
fig.savefig("equation.png")

裁剪多余图像多余部分的代码：

import cv2
import numpy as npclass CropByProject:"""投影法裁剪"""def __init__(self, threshold: int = 250):self.threshold = thresholddef __call__(self, origin_img):image = cv2.cvtColor(origin_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 反色，将大于threshold的值置为0，小于的改为255retval, img = cv2.threshold(image, self.threshold, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV)# 使文字增长成块closed = cv2.dilate(img, None, iterations=1)# 水平投影x0, x1 = self.get_project_loc(closed, direction="width")# 竖直投影y0, y1 = self.get_project_loc(closed, direction="height")return origin_img[y0:y1, x0:x1]@staticmethoddef get_project_loc(img, direction):"""获得裁剪的起始和终点索引位置Args:img (ndarray): 二值化后得到的图像direction (str): 'width/height'Raises:ValueError: 不支持的求和方向Returns:tuple: 起始索引位置"""if direction == "width":axis = 0elif direction == "height":axis = 1else:raise ValueError(f"direction {direction} is not supported!")loc_sum = np.sum(img == 255, axis=axis)loc_range = np.argwhere(loc_sum > 0)i0, i1 = loc_range[0][0], loc_range[-1][0]return i0, i1if __name__ == "__main__":cropper = CropByProject()img_path = "equation.png"img = cv2.imread(img_path)result = cropper(img)cv2.imwrite("res.png", result)