用 TikZ 实现带箭头的注释效果

有时候，我们需要对文中的内容做进一步的解释；有时候，我们会想在文章边注的区域内，给特定的内容加上一个俏皮话（如下图）。

这篇文章，我们将用 TikZ 实现这个效果。

TikZ 的知识

我们知道，在 tikzpicture 环境中，类似上面的效果，很容易就能实现。

tikzpicture_sample.tex

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning}
\tikzset{>=stealth}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[node distance = 1.5cm]
    \node (test) {I'm a soldier!};
    \node (testDesc) [above right = of test] {Yes, you are!};
    \draw [->,thick] (testDesc) to [in = 60, out = -120] (test);
\end{tikzpicture}
\end{document}

在这里，我们引入了 tikz 宏包，以及它的 positioning 库，用来绘制和定位 nodes。在 tikzpicture 中，我们建立了两个 node: test 和 testDesc，后者的位于前者的右上方。最后，我们用绘制了从 testDesc 到 test 的曲线箭头，其样式由之前的 \tikzset{>=stealth} 指定。

这是 TikZ 的基本应用，不必多言。然而我们的需求，是将位于正文中的文字（它应该是一个 node）和正文外 tikzpicture 中的 node 连起来。如果能解决这一点，那么我们就能将未知问题转换为已知问题。

我们从 TeX 的执行过程和 TikZ 出发，思考一下，为了解决这个问题，需要如何操作。首先，我们需要记录 test 和 testDesc 的位置。由于我们不可能将这个位置信息直接写入输出的 PDF 文件中，所以我们需要将它写入辅助文件中。这意味着，为了正确实现我们需要的效果，我们至少应该编译两次源文件。其次，对于连接 test 和 testDesc 的箭头来说，它的边界（bounding box）需要特别处理——如果按照正常的方式处理，那么箭头和正文部分就不能重叠。

所幸，TikZ 已经为我们做好了这些工作。我们需要它提供的 remember picture 和 overlay 连个选项。它们的作用是：

remember picture: 将位置信息写入辅助文件，供后续使用；
overlay: 不计算边界，允许与其它内容重叠。

实际实现看看

首先，我们来实现 test 的部分。这部分比较通用，本质上就是用 TikZ 给几个单词打上 node 标记的过程。于是我们可以定义一个命令

1
2
3

\newcommand{\tikzmark}[3][]
  {\tikz[remember picture, baseline]
    \node [anchor=base,#1](#2) {#3};}

注意，这里我们用了 remember picture 选项，确保 \tikzmark 的位置会被保存下来。之后，在写注释的时候，就可以引用 \tikzmark 的位置了。这里有一个简单的实现

tikz_comment_sample.tex

\documentclass{article}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning}
\tikzset{>=stealth}

\newcommand{\tikzmark}[3][]
  {\tikz[remember picture, baseline]
    \node [anchor=base,#1](#2) {#3};}

\usepackage{mwe}
\begin{document}
\blindtext
\tikzmark{test}{I'm a soldier!}
\blindtext

\begin{tikzpicture}[overlay, remember picture, node distance = 1.5cm]
    \node (testDesc) [above left = of test, xshift = -1cm] {Yes, you are!};
    \draw [->,thick] (testDesc) to [in = 120, out = -60] (test);
\end{tikzpicture}
\end{document}

在写注释的时候，我们给 tikzpicture 环境加上了 overlay 选项。这是因为从 testDesc 到 test 的箭头应该可以与其它正文重叠。这段代码的效果，就是文章开头的那个样子。

还能用在数学公式里？

是的，\tikzmark 也可以写在数学公式里。

comment_to_equation.tex

\documentclass{article}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning}
\tikzset{>=stealth}

\newcommand{\tikzmark}[3][]
  {\tikz[remember picture, baseline]
    \node [anchor=base,#1](#2) {#3};}

\begin{document}
\[
    \mathcal{A} = (\tikzmark{identity}{\texttt{I}} -\tikzmark[red]{G}{\texttt{G}}
    \tikzmark[blue]{L}{\texttt{L}} - \tikzmark[purple]{C}{\texttt{C }})
\]
\begin{tikzpicture}[overlay, remember picture,node distance =1.5cm]
    \node (identitydescr) [below left=of identity ]{words};
    \draw[,->,thick] (identitydescr) to [in=-90,out=90] (identity);
    \node[red] (Gdescr) [below =of G]{other words};
    \draw[red,->,thick] (Gdescr) to [in=-90,out=90] (G);
    \node[blue,xshift=1cm] (Ldescr) [above right =of L]{some words};
    \draw[blue,->,thick] (Ldescr) to [in=45,out=-90] (L.north);
    \node[purple] (Cdescr) [below right =of C]{more words};
    \draw[purple,->,thick] (Cdescr) to [in=-90,out=90] (C.south);
\end{tikzpicture}
\end{document}

你可以试着编译上面的代码，将得到以下效果

期待你能做出更多有趣的效果。:)