寫個網頁更簡單了！讓AI根據手繪原型生成HTML - 教程+代碼

小新編譯自 Insight Data Blog

量子位出品 | 公眾號 QbitAI

寫個網頁能有多麻煩？在大多數公司里，這項工作分為三步：

1. 產品經理完成用戶調研任務后，列出一系列技術要求；

2. 設計師根據這些要求來設計低保真原型，逐漸修改得到高保真原型和UI設計圖；

3. 工程師將這些設計圖實現為代碼，最終變成用戶使用的產品。

這么多環節，任何地方出一點問題，都會拉長開發周期。因此，不少公司，比如Airbnb已經開始用機器學習來提高這個過程的效率。

△ Airbnb內部的AI工具，從圖紙到代碼一步到位

看起來很美好，但Airbnb還沒公開該模型中端到端訓練的細節，以及手工設計的圖像特征對該模型的貢獻度。這是該公司特有的閉源解決方案專利，可能不會進行公開。

好在，一個叫Ashwin Kumar的程序員創建了一個開源版本，讓開發者/設計師的工作變得更簡單。

以下內容翻譯自他的博客：

理想上，這個模型可以根據網站設計的簡單手繪原型，很快地生成一個可用的HTML網站：

△ SketchCode模型利用手繪線框圖來生成HTML網站

事實上，上面例子就是利用訓練好的模型在測試集上生成的一個實際網站，代碼請訪問：https://github.com/ashnkumar/sketch-code。

從圖像標注中獲取靈感

目前要解決的問題屬于一種更廣泛的任務，叫做程序綜合（program synthesis），即自動生成工作源代碼。盡管很多程序綜合研究通過自然語言規范或執行追蹤法來生成代碼，但在當前任務中，我會充分利用源圖像，即給出的手繪線框圖來展開工作。

在機器學習中有一個十分熱門的研究領域，稱為圖像標注（image caption），目的是構建一種把圖像和文本連接在一起的模型，特別是用于生成源圖像內容的描述。

△ 圖像標注模型生成源圖像的文本描述

我從一篇pix2code論文和另一個應用這種方法的相關項目中獲得靈感，決定把我的任務按照圖像標注方式來實現，把繪制的網站線框圖作為輸入圖像，并將其相應的HTML代碼作為其輸出內容。

注：上段提到的兩個參考項目分別是

pix2code論文：https://arxiv.org/abs/1705.07962

floydhub教程：https://blog.floydhub.com/turning-design-mockups-into-code-with-deep-learning/?source=techstories.org

獲取合適的數據集

確定圖像標注方法后，理想中使用的訓練數據集會包含成千上萬對手繪線框圖和對應的HTML輸出代碼。但是，目前還沒有我想要的相關數據集，我只好為這個任務來創建數據集。

最開始，我嘗試了pix2code論文給出的開源數據集，該數據集由1750張綜合生成網站的截圖及其相應源代碼組成。

△ pix2code數據集中的生成網站圖片和源代碼

這是一個很好的數據集，有幾個有趣的地方：

該數據集中的每個生成網站都包含幾個簡單的輔助程序元素，如按鈕、文本框和DIV對象。盡管這意味著這個模型受限于將這些少數元素作為它的輸出內容，但是這些元素可通過選擇生成網絡來修改和擴展。這種方法應該很容易地推廣到更大的元素詞匯表。
每個樣本的源代碼都是由領域專用語言（DSL）的令牌組成，這是該論文作者為該任務所創建的。每個令牌對應于HTML和CSS的一個片段，且加入編譯器把DSL轉換為運行的HTML代碼。

彩色網站圖像變手繪圖

為了修改我的任務數據集，我要讓網站圖像看起來像手工繪制出的。我嘗試使用Python中的OpenCV庫和PIL庫等工具對每張圖像進行修改，包括灰度轉換和輪廓檢測。

最終，我決定直接修改原始網站的CSS樣式表，通過執行以下操作：

1. 更改頁面上元素的邊框半徑來平滑按鈕和DIV對象的邊緣；

2. 模仿繪制的草圖來調整邊框的粗細，并添加陰影；

3. 將原有字體更改為類似手寫的字體；

最終實現的流程中還增加了一個步驟，通過添加傾斜、移動和旋轉來實現圖像增強，來模擬實際繪制草圖中的變化。

使用圖像標注模型架構

現在，我已經處理好數據集，接下來是構建模型。

我利用了圖像標注中使用的模型架構，該架構由三個主要部分組成：

1. 一種使用卷積神經網絡（CNN）的計算機視覺模型，從源圖像提取圖像特征；

2. 一種包含門控單元GRU的語言模型，對源代碼令牌序列進行編碼；

3. 一個解碼器模型，也屬于GRU單元，把前兩個步驟的輸出作為輸入，并預測序列中的下一個令牌。

△ 以令牌序列為輸入來訓練模型

為了訓練模型，我將源代碼拆分為令牌序列。模型的輸入為單個部分序列及它的源圖像，其標簽是文本中的下一個令牌。該模型使用交叉熵函數作為損失函數，將模型的下個預測令牌與實際的下個令牌進行比較。

在模型從頭開始生成代碼的過程中，該推理方式稍有不同。圖像仍然通過CNN網絡進行處理，但文本處理開始時僅采用一個啟動序列。在每個步驟中，模型對序列中輸出的下個預測令牌將會添加到當前輸入序列，并作為新的輸入序列送到模型中；重復此操作直到模型的預測令牌為，或該過程達到每個文本中令牌數目的預定義值。

當模型生成一組預測令牌后，編譯器就會將DSL令牌轉換為HTML代碼，這些HTML代碼可以在任何瀏覽器中運行。

用BLEU分數評估模型

我決定使用BLEU分數來評估模型。這是機器翻譯任務中常用的一種度量標準，通過在給定相同輸入的情況下，衡量機器生成的文本與人類可能產生內容的近似程度。

實際上，BLEU通過比較生成文本和參考文本的N元序列，以創建修改后的準確版本。它非常適用于這個項目，因為它會影響生成HTML代碼中的實際元素，以及它們之間的相互關系。

最棒的是，我還可以通過檢查生成的網站來比較當前的實際BLEU分數。

△ 觀察BLEU分數

當BLEU分數為1.0時，則說明給定源圖像后該模型能在正確位置設置合適的元素，而較低的BLEU分數這說明模型預測了錯誤元素或是把它們放在相對不合適的位置。我們最終模型在評估數據集上的BLEU分數為0.76。

福利：定制網頁風格

后來，我還想到，由于該模型只生成當前頁面的框架，即文本的令牌，因此我可以在編譯過程中添加一個定制的CSS層，并立刻得到不同風格的生成網站。

△ 一個手繪圖生成多種風格的網頁

把風格定制和模型生成兩個過程分開，在使用模型時帶來了很多好處：

1.如果想要將SketchCode模型應用到自己公司的產品中，前端工程師可以直接使用該模型，只需更改一個CSS文件來匹配該公司的網頁設計風格；

2. 該模型內置的可擴展性，即通過單一源圖像，模型可以迅速編譯出多種不同的預定義風格，因此用戶可以設想出多種可能的網站風格，并在瀏覽器中瀏覽這些生成網頁。

總結和展望

受到圖像標注研究的啟發，SketchCode模型能夠在幾秒鐘內將手繪網站線框圖轉換為可用的HTML網站。

但是，該模型還存在一些問題，這也是我接下來可能的工作方向：

1. 由于這個模型只使用了16個元素進行訓練，所以它不能預測這些數據以外的令牌。下一步方向可能是使用更多元素來生成更多的網站樣本，包括網站圖片，下拉菜單和窗體，可參考啟動程序組件（https://getbootstrap.com/docs/4.0/components/buttons/）來獲得思路；

2. 在實際網站構建中，存在很多變化。創建一個能更好反映這種變化的訓練集，是提高生成效果的一種好方法，可以通過獲取更多網站的HTML/CSS代碼以及內容截圖來提高；

3. 手繪圖紙也存在很多CSS修改技巧無法捕捉到的變化。解決這個問題的一種好方法是使用生成對抗網絡GAN來創建更逼真的繪制網站圖像。

準方法（The Standard Way）

一直以來，我們學習的在 JavaScript 里創建對象的方法都是創建一個構造函數，然后為函數的原型對象添加方法。

function Animal(name) {
  this.name = name;
}
Animal.prototype.getName = function() {
  return this.name;
};

對于子類的解決方案是，創建一個新的構造函數，并且設置其原型為其父類的原型。調用父類的構造函數，并將this設置為其上下文對象。

function Dog(name) {
  Animal.call(this, name);
}
Dog.prototype = Object.create(Animal.prototype);
Dog.prototype.speak = function() {
  return "woof";
};

var dog = new Dog("Scamp");
console.log(dog.getName() + ' says ' + dog.speak());

原型方法（The Prototypal Way）

如果你接觸過任何原型語言，你會覺得上面的例子看起來很奇怪。我嘗試過 IO 語言——一門基于原型的語言。在原型語言中，可以通過克隆對象并添加屬性和方法的方式創建一個原型。然后你能克隆剛才創建的原型，從而創建一個可以使用的實例，或者克隆它來創建另一個原型。上面的例子在 IO 里，看起來像下面這樣：

Animal := Object clone
Animal getName := method(name)

Dog := Animal clone
Dog speak := method("woof")

dog := Dog clone
dog name := "Scamp"
writeln(dog getName(), " says ", dog speak())

好消息（The Good News）

在JavaScript中，也可以使用這種編碼方式！Object.create 函數和 IO 里的 clone 類似。下面是在JavaScript中，純原型的實現。除了語法不同之外，和 IO 版本一樣。

Animal = Object.create(Object);
Animal.getName = function() {
  return this.name;
};

Dog = Object.create(Animal);
Dog.speak = function() {
  return "woof";
};

var dog = Object.create(Dog);
dog.name = "Scamp";
console.log(dog.getName() + ' says ' + dog.speak());

壞消息（The Bad News）

當使用構造函數時，JavaScript 引擎會進行優化。在 JSPerf 上測試兩個不同的操作，顯示基于原型的實現比使用構造函數的方式最多慢90多倍。

另外，如果你使用類似 Angular 的框架，當創建控制器和服務時，必須使用構造函數。

引入類（Enter Classes）

ES6帶來了新的 class 語法。但其只是標準構造函數方法的語法糖。新的語法看起來更像 Java 或 c#，但其幕后仍然是創建原型對象。這會讓來自基于類語言的人感到迷惑，因為當創建原型時，他們希望類和他們的語言有相同的屬性。

class Animal {
  constructor(name) {
    this.name = name;
  }
  getName() {
    return this.name;
  }
}

class Dog extends Animal {
  constructor(name) {
    super(name);
  }
  speak() {
    return "woof";
  }
}

var dog = new Dog("Scamp");
console.log(dog.getName() + ' says ' + dog.speak());

結論（Conclusion）

如果讓我選擇，我會用純原型的風格。這更具有表現力，動態和有趣。由于虛擬機會對構造函數方法進行優化，所有框架都會選擇構造函數方法，在產品代碼中，我會繼續使用構造函數。一旦 ES6 變得流行，我希望使用新的類語法代替古老的構造函數方法。

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