前端要完！人工智能已经能实现自动编写 HTML 和 CSS

2018-02-25 Emil Wallner AI科技大本营

本文转载自：CSDN 资讯

【编者按】一个月前，我们曾发表过一篇标题为《三年后，人工智能将彻底改变前端开发？》的文章，其中介绍了一个彼时名列 GitHub 排行榜 TOP 1 的项目 —— Screenshot-to-code-in-Keras。在这个项目中，神经网络通过深度学习，自动把设计稿变成 HTML 和 CSS 代码，同时其作者 Emil Wallner 表示，“三年后，人工智能将彻底改变前端开发”。

这个 Flag 一立，即引起了国内外非常热烈的讨论，有喜有忧，有褒扬有反对。对此，Emil Wallner 则以非常严谨的实践撰写了系列文章，尤其是在《Turning Design Mockups Into Code With Deep Learning》一文中，详细分享了自己是如何根据 pix2code 等论文构建了一个强大的前端代码生成模型，并细讲了其利用 LSTM 与 CNN 将设计原型编写为 HTML 和 CSS 网站的过程。

以下为全文：

在未来三年内，深度学习将改变前端开发，它可以快速创建原型，并降低软件开发的门槛。

去年，该领域取得了突破性的进展，其中 Tony Beltramelli 发表了 pix2code 的论文[1]，而 Airbnb 则推出了sketch2code[2]。

目前，前端开发自动化的最大障碍是计算能力。但是，现在我们可以使用深度学习的算法，以及合成的训练数据，探索人工前端开发的自动化。

本文中，我们将展示如何训练神经网络，根据设计图编写基本的 HTML 和 CSS 代码。以下是该过程的简要概述：

提供设计图给经过训练的神经网络

神经网络把设计图转化成 HTML 代码

大图请点：

https://blog.floydhub.com/generate_html_markupb6ceec69a7c9cfd447d188648049f2a4.gif

渲染画面

我们将通过三次迭代建立这个神经网络。

首先，我们建立一个简化版，掌握基础结构。第二个版本是 HTML，我们将集中讨论每个步骤的自动化，并解释神经网络的各层。在最后一个版本——Boostrap 中，我们将创建一个通用的模型来探索 LSTM 层。

你可以通过 Github[3] 和 FloydHub[4] 的 Jupyter notebook 访问我们的代码。所有的 FloydHub notebook 都放在“floydhub”目录下，而 local 的东西都在“local”目录下。

这些模型是根据 Beltramelli 的 pix2code 论文和 Jason Brownlee 的“图像标注教程”[5]创建的。代码的编写采用了 Python 和 Keras（TensorFlow 的上层框架）。

如果你刚刚接触深度学习，那么我建议你先熟悉下 Python、反向传播算法、以及卷积神经网络。你可以阅读我之前发表的三篇文章：

开始学习深度学习的第一周[6]
通过编程探索深度学习发展史[7]
利用神经网络给黑白照片上色[8]

▌核心逻辑

我们的目标可以概括为：建立可以生成与设计图相符的 HTML 及 CSS 代码的神经网络。

在训练神经网络的时候，你可以给出几个截图以及相应的 HTML。

神经网络通过逐个预测与之匹配的 HTML 标签进行学习。在预测下一个标签时，神经网络会查看截图以及到这个点为止的所有正确的 HTML 标签。

下面的 Google Sheet 给出了一个简单的训练数据：

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1xXwarcQZAHluorveZsACtXRdmNFbwGtN3WMNhcTdEyQ/edit?usp=sharing

当然，还有其他方法[9]可以训练神经网络，但创建逐个单词预测的模型是目前最普遍的做法，所以在本教程中我们也使用这个方法。

请注意每次的预测都必须基于同一张截图，所以如果神经网络需要预测 20 个单词，那么它需要查看同一张截图 20 次。暂时先把神经网络的工作原理放到一边，让我们先了解一下神经网络的输入和输出。

让我们先来看看“之前的 HTML 标签”。假设我们需要训练神经网络预测这样一个句子：“I can code。”当它接收到“I”的时候，它会预测“can”。下一步它接收到“I can”，继续预测“code”。也就是说，每一次神经网络都会接收所有之前的单词，但是仅需预测下一个单词。

神经网络根据数据创建特征，它必须通过创建的特征把输入数据和输出数据连接起来，它需要建立一种表现方式来理解截图中的内容以及预测到的 HTML 语法。这个过程积累的知识可以用来预测下个标签。

利用训练好的模型开展实际应用与训练模型的过程很相似。模型会按照同一张截图逐个生成文本。所不同的是，你无需提供正确的 HTML 标签，模型只接受迄今为止生成过的标签，然后预测下一个标签。预测从“start”标签开始，当预测到“end”标签或超过最大限制时终止。下面的 Google Sheet 给出了另一个例子：

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1yneocsAb_w3-ZUdhwJ1odfsxR2kr-4e_c5FabQbNJrs/edit#gid=0

▌Hello World 版本

让我们试着创建一个“hello world”的版本。我们给神经网络提供一个显示“Hello World”的网页截图，并教它怎样生成 HTML 代码。

大图请点：

https://blog.floydhub.com/hello_world_generation-039d78c27eb584fa639b89d564b94772.gif

首先，神经网络将设计图转化成一系列的像素值，每个像素包含三个通道（红蓝绿），数值为 0-255。

我在这里使用 one-hot 编码[10]来描述神经网络理解 HTML 代码的方式。句子“I can code”的编码如下图所示：

上图的例子中加入了“start”和“end”标签。这些标签可以提示神经网络从哪里开始预测，到哪里停止预测。

我们用句子作为输入数据，第一个句子只包含第一个单词，以后每次加入一个新单词。而输出数据始终只有一个单词。

句子的逻辑与单词相同，但它们还需要保证输入数据具有相同的长度。单词的上限是词汇表的大小，而句子的上限则是句子的最大长度。如果句子的长度小于最大长度，就用空单词补齐——空单词就是全零的单词。

如上图所示，单词是从右向左排列的，这样可以强迫每个单词在每轮训练中改变位置。这样模型就能学习单词的顺序，而非记住每个单词的位置。

下图是四次预测，每行代表一次预测。等式左侧是用红绿蓝三个通道的数值表示的图像，以及之前的单词。括号外面是每次的预测，最后一个红方块代表结束。

#Length of longest sentence
max_caption_len = 3
#Size of vocabulary
vocab_size = 3
# Load one screenshot for each word and turn them into digits
images = []
for i in range(2):
images.append(img_to_array(load_img('screenshot.jpg', target_size=(224, 224))))
images = np.array(images, dtype=float)
# Preprocess input for the VGG16 model
images = preprocess_input(images)
#Turn start tokens into one-hot encoding
html_input = np.array(
[[[0., 0., 0.], #start
[0., 0., 0.],
[1., 0., 0.]],
[[0., 0., 0.], #start <HTML>Hello World!</HTML>
[1., 0., 0.],
[0., 1., 0.]]])
#Turn next word into one-hot encoding
next_words = np.array(
[[0., 1., 0.], # <HTML>Hello World!</HTML>
[0., 0., 1.]]) # end
# Load the VGG16 model trained on imagenet and output the classification feature
VGG = VGG16(weights='imagenet', include_top=True)
# Extract the features from the image
features = VGG.predict(images)
#Load the feature to the network, apply a dense layer, and repeat the vector
vgg_feature = Input(shape=(1000,))
vgg_feature_dense = Dense(5)(vgg_feature)
vgg_feature_repeat = RepeatVector(max_caption_len)(vgg_feature_dense)
# Extract information from the input seqence
language_input = Input(shape=(vocab_size, vocab_size))
language_model = LSTM(5, return_sequences=True)(language_input)
# Concatenate the information from the image and the input
decoder = concatenate([vgg_feature_repeat, language_model])
# Extract information from the concatenated output
decoder = LSTM(5, return_sequences=False)(decoder)
# Predict which word comes next
decoder_output = Dense(vocab_size, activation='softmax')(decoder)
# Compile and run the neural network
model = Model(inputs=[vgg_feature, language_input], outputs=decoder_output)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='rmsprop')
# Train the neural network
model.fit([features, html_input], next_words, batch_size=2, shuffle=False, epochs=1000)

在 hello world 版本中，我们用到了 3 个 token，分别是“start”、“<HTML><center><H1>Hello World!</H1></center></HTML>”和“end”。

token 可以代表任何东西，可以是一个字符、单词或者句子。选择字符作为 token 的好处是所需的词汇表较小，但是会限制神经网络的学习。选择单词作为 token 具有最好的性能。

接下来进行预测：

# Create an empty sentence and insert the start token
sentence = np.zeros((1, 3, 3)) # [[0,0,0], [0,0,0], [0,0,0]]
start_token = [1., 0., 0.] # start
sentence[0][2] = start_token # place start in empty sentence
# Making the first prediction with the start token
second_word = model.predict([np.array([features[1]]), sentence])
# Put the second word in the sentence and make the final prediction
sentence[0][1] = start_token
sentence[0][2] = np.round(second_word)
third_word = model.predict([np.array([features[1]]), sentence])
# Place the start token and our two predictions in the sentence
sentence[0][0] = start_token
sentence[0][1] = np.round(second_word)
sentence[0][2] = np.round(third_word)
# Transform our one-hot predictions into the final tokens
vocabulary = ["start", "<HTML><center><H1>Hello World!</H1></center></HTML>", "end"]
for i in sentence[0]:
print(vocabulary[np.argmax(i)], end=' ')

输出结果

10 epochs：start start start
100 epochs：start <HTML><center><H1>Hello World!</H1></center></HTML> <HTML><center><H1>Hello World!</H1></center></HTML>
300 epochs：start <HTML><center><H1>Hello World!</H1></center></HTML> end

在这之中，我犯过的错误

先做出可以运行的第一版，再收集数据。在这个项目的早期，我曾成功地下载了整个 Geocities 托管网站的一份旧的存档，里面包含了 3800 万个网站。由于神经网络强大的潜力，我没有考虑到归纳一个 10 万大小词汇表的巨大工作量。

处理 TB 级的数据需要好的硬件或巨大的耐心。在我的 Mac 遇到几个难题后，我不得不使用强大的远程服务器。为了保证工作流程的顺畅，需要做好心里准备租用一台 8 CPU 和 1G 带宽的矿机。

关键在于搞清楚输入和输出数据。输入 X 是一张截图和之前的 HTML 标签。而输出 Y 是下一个标签。当我明白了输入和输出数据之后，理解其余内容就很简单了。试验不同的架构也变得更加容易。

保持专注，不要被诱惑。因为这个项目涉及了深度学习的许多领域，很多地方让我深陷其中不能自拔。我曾花了一周的时间从头开始编写 RNN，也曾经沉迷于嵌入向量空间，还陷入过极限实现方式的陷阱。

图片转换到代码的网络只不过是伪装的图像标注模型。即使我明白这一点，但还是因为许多图像标注方面的论文不够炫酷而忽略了它们。掌握一些这方面的知识可以帮助我们加速学习问题空间。

▌在 FloydHub 上运行代码

FloydHub 是深度学习的训练平台。我在刚开始学习深度学习的时候发现了这个平台，从那以后我一直用它训练和管理我的深度学习实验。你可以在 10 分钟之内安装并开始运行模型，它是在云端 GPU 上运行模型的最佳选择。

如果你没用过 FloydHub，请参照官方的“2 分钟安装手册”或我写的“5 分钟入门教程”[11]。

克隆代码仓库：

git clone https://github.com/emilwallner/Screenshot-to-code-in-Keras.git

登录及初始化 FloydHub 的命令行工具：

cd Screenshot-to-code-in-Keras
floyd login
floyd init s2c

在 FloydHub 的云端 GPU 机器上运行 Jupyter notebook：

floyd run --gpu --env tensorflow-1.4 --data emilwallner/datasets/imagetocode/2:data --mode jupyter

所有的 notebook 都保存在“FloydHub”目录下，而 local 的东西都在“local”目录下。运行之后，你可以在如下文件中找到第一个 notebook：

floydhub/Helloworld/helloworld.ipynb

如果你想了解详细的命令参数，请参照我这篇帖子：

https://blog.floydhub.com/colorizing-b&w-photos-with-neural-networks/

▌HTML 版本

在这个版本中，我们将自动化 Hello World 模型中的部分步骤。本节我们将集中介绍如何让模型处理任意多的输入数据，以及建立神经网络中的关键部分。

这个版本还不能根据任意网站预测 HTML，但是我们将在此尝试解决关键性的技术问题，向最终的成功迈进一大步。

概述

我们可以把之前的解说图扩展为如下：

上图中有两个主要部分。首先是编码部分。编码部分负责建立图像特征和之前的标签特征。特征是指神经网络创建的最小单位的数据，用于连接设计图和 HTML 代码。在编码部分的最后，我们把图像的特征连接到之前的标签的每个单词。

另一个主要部分是解码部分。解码部分负责接收聚合后的设计图和 HTML 代码的特征，并创建下一个标签的特征。这个特征通过一个全连接神经网络来预测下一个标签。

设计图的特征

由于我们需要给每个单词添加一张截图，所以这会成为训练神经网络过程中的瓶颈。所以我们不直接使用图片，而是从中提取生成标签所必需的信息。

提取的信息经过编码后保存在图像特征中。这项工作可以由事先训练好的卷积神经网络（CNN）完成。该模型可以通过 ImageNet 上的数据进行训练。

CNN 的最后一层是分类层，我们可以从前一层提取图像特征。

最终我们可以得到 1536 个 8x8 像素的图片作为特征。尽管我们很难理解这些特征的含义，但是神经网络可以从中提取元素的对象和位置。

HTML 标签的特征

在 hello world 版本中，我们采用了 one-hot 编码表现 HTML 标签。在这个版本中，我们将使用单词嵌入（word embedding）作为输入信息，输出依然用 one-hot 编码。

我们继续采用之前的方式分析句子，但是匹配每个 token 的方式有所变化。之前的 one-hot 编码把每个单词当成一个独立的单元，而这里我们把输入数据中的每个单词转化成一系列数字，它们代表 HTML 标签之间的关系。

上例中的单词嵌入是 8 维的，而实际上根据词汇表的大小，其维度会在 50 到 500 之间。

每个单词的 8 个数字表示权重，与原始的神经网络很相似。它们表示单词之间的关系（Mikolov 等，2013[12]）。

以上就是我们建立 HTML 标签特征的过程。神经网络通过此特征在输入和输出数据之间建立联系。暂时先不用担心具体的内容，我们会在下节中深入讨论这个问题。

编码部分

我们需要把单词嵌入的结果输入到 LSTM 中，并返回一系列标签特征，再把这些特征送入 Time distributed dense 层——你可以认为这是拥有多个输入和输出的 dense 层。

同时，图像特征首先需要被展开（flatten），无论数值原来是什么结构，它们都会被转换成一个巨大的数值列表；然后经过 dense 层建立更高级的特征；最后把这些特征与 HTML 标签的特征连接起来。

这可能有点难理解，下面我们逐一分解开来看看。

HTML 标签特征

首先我们把单词嵌入的结果输入到 LSTM 层。如下图所示，所有的句子都被填充到最大长度，即三个 token。

为了混合这些信号并找到更高层的模式，我们加入 TimeDistributed dense 层进一步处理 LSTM 层生成的 HTML 标签特征。TimeDistributed dense 层是拥有多个输入和输出的 dense 层。

图像特征

同时，我们需要处理图像。我们把所有的特征（小图片）转化成一个长数组，其中包含的信息保持不变，只是进行重组。

同样，为了混合信号并提取更高层的信息，我们添加一个 dense 层。由于输入只有一个，所以我们可以使用普通的 dense 层。为了与 HTML 标签特征相连接，我们需要复制图像特征。

上述的例子中我们有三个 HTML 标签特征，因此最终图像特征的数量也同样是三个。

连接图像特征和 HTML 标签特征

所有的句子经过填充后组成了三个特征。因为我们已经准备好了图像特征，所以现在可以把图像特征分别添加到各自的 HTML 标签特征。

添加完成之后，我们得到了 3 个图像-标签特征，这便是我们需要提供给解码部分的输入信息。

解码部分

接下来，我们使用图像-标签的结合特征来预测下一个标签。

在下面的例子中，我们使用三对图形-标签特征，输出下一个标签的特征。

请注意，LSTM 层的 sequence 值为 false，所以我们不需要返回输入序列的长度，只需要预测一个特征，也就是下一个标签的特征，其内包含了最终的预测信息。

最终预测

dense 层的工作原理与传统的前馈神经网络相似，它把下个标签特征的 512 个数字与 4 个最终预测连接起来。用我们的单词表达就是：start、hello、world 和 end。

其中，dense 层的 softmax 激活函数会生成 0-1 的概率分布，所有预测值的总和等于 1。比如说词汇表的预测可能是[0.1,0.1,0.1,0.7]，那么输出的预测结果即为：第 4 个单词是下一个标签。然后，你可以把 one-hot 编码[0，0，0，1]转换为映射值，得出“end”。

# Load the images and preprocess them for inception-resnet
images = []
all_filenames = listdir('images/')
all_filenames.sort()
for filename in all_filenames:
images.append(img_to_array(load_img('images/'+filename, target_size=(299, 299))))
images = np.array(images, dtype=float)
images = preprocess_input(images)
# Run the images through inception-resnet and extract the features without the classification layer
IR2 = InceptionResNetV2(weights='imagenet', include_top=False)
features = IR2.predict(images)
# We will cap each input sequence to 100 tokens
max_caption_len = 100
# Initialize the function that will create our vocabulary
tokenizer = Tokenizer(filters='', split=" ", lower=False)
# Read a document and return a string
def load_doc(filename):
file = open(filename, 'r')
text = file.read()
file.close()
return text
# Load all the HTML files
X = []
all_filenames = listdir('html/')
all_filenames.sort()
for filename in all_filenames:
X.append(load_doc('html/'+filename))
# Create the vocabulary from the html files
tokenizer.fit_on_texts(X)
# Add +1 to leave space for empty words
vocab_size = len(tokenizer.word_index) + 1
# Translate each word in text file to the matching vocabulary index
sequences = tokenizer.texts_to_sequences(X)
# The longest HTML file
max_length = max(len(s) for s in sequences)
# Intialize our final input to the model
X, y, image_data = list(), list(), list()
for img_no, seq in enumerate(sequences):
for i in range(1, len(seq)):
# Add the entire sequence to the input and only keep the next word for the output
in_seq, out_seq = seq[:i], seq[i]
# If the sentence is shorter than max_length, fill it up with empty words
in_seq = pad_sequences([in_seq], maxlen=max_length)[0]
# Map the output to one-hot encoding
out_seq = to_categorical([out_seq], num_classes=vocab_size)[0]
# Add and image corresponding to the HTML file
image_data.append(features[img_no])
# Cut the input sentence to 100 tokens, and add it to the input data
X.append(in_seq[-100:])
y.append(out_seq)
X, y, image_data = np.array(X), np.array(y), np.array(image_data)
# Create the encoder
image_features = Input(shape=(8, 8, 1536,))
image_flat = Flatten()(image_features)
image_flat = Dense(128, activation='relu')(image_flat)
ir2_out = RepeatVector(max_caption_len)(image_flat)
language_input = Input(shape=(max_caption_len,))
language_model = Embedding(vocab_size, 200, input_length=max_caption_len)(language_input)
language_model = LSTM(256, return_sequences=True)(language_model)
language_model = LSTM(256, return_sequences=True)(language_model)
language_model = TimeDistributed(Dense(128, activation='relu'))(language_model)
# Create the decoder
decoder = concatenate([ir2_out, language_model])
decoder = LSTM(512, return_sequences=False)(decoder)
decoder_output = Dense(vocab_size, activation='softmax')(decoder)
# Compile the model
model = Model(inputs=[image_features, language_input], outputs=decoder_output)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='rmsprop')
# Train the neural network
model.fit([image_data, X], y, batch_size=64, shuffle=False, epochs=2)
# map an integer to a word
def word_for_id(integer, tokenizer):
for word, index in tokenizer.word_index.items():
if index == integer:
return word
return None
# generate a description for an image
def generate_desc(model, tokenizer, photo, max_length):
# seed the generation process
in_text = 'START'
# iterate over the whole length of the sequence
for i in range(900):
# integer encode input sequence
sequence = tokenizer.texts_to_sequences([in_text])[0][-100:]
# pad input
sequence = pad_sequences([sequence], maxlen=max_length)
# predict next word
yhat = model.predict([photo,sequence], verbose=0)
# convert probability to integer
yhat = np.argmax(yhat)
# map integer to word
word = word_for_id(yhat, tokenizer)
# stop if we cannot map the word
if word is None:
break
# append as input for generating the next word
in_text += ' ' + word
# Print the prediction
print(' ' + word, end='')
# stop if we predict the end of the sequence
if word == 'END':
break
return
# Load and image, preprocess it for IR2, extract features and generate the HTML
test_image = img_to_array(load_img('images/87.jpg', target_size=(299, 299)))
test_image = np.array(test_image, dtype=float)
test_image = preprocess_input(test_image)
test_features = IR2.predict(np.array([test_image]))
generate_desc(model, tokenizer, np.array(test_features), 100)

输出结果

生成网站的链接：

250 epochs： https://emilwallner.github.io/html/250_epochs/
350 epochs：https://emilwallner.github.io/html/350_epochs/
450 epochs：https://emilwallner.github.io/html/450_epochs/
550 epochs：https://emilwallner.github.io/html/450_epochs/

如果点击上述链接看不到页面的话，你可以选择“查看源代码”。下面是原网站的链接，仅供参考：

https://emilwallner.github.io/html/Original/

我犯过的错误

与 CNN 相比，LSTM 远比我想像得复杂。为了更好的理解，我展开了所有的 LSTM。关于 RNN 你可以参考这个视频（http://course.fast.ai/lessons/lesson6.html）。另外，在理解原理之前，请先搞清楚输入和输出特征。
从零开始创建词汇表比削减大型词汇表更容易。词汇表可以包括任何东西，如字体、div 大小、十六进制颜色、变量名以及普通单词。
大多数的代码库可以很好地解析文本文档，却不能解析代码。因为文档中所有单词都用空格分开，但是代码不同，所以你得自己想办法解析代码。
用 Imagenet 训练好的模型提取特征也许不是个好主意。因为 Imagenet 很少有网页的图片，所以它的损失率比从零开始训练的 pix2code 模型高 30%。如果使用网页截图训练 inception-resnet 之类的模型，不知结果会怎样。

▌Bootstrap 版本

在最后一个版本——Bootstrap 版本中，我们使用的数据集来自根据 pix2code 论文生成的 bootstrap 网站。通过使用 Twitter 的 bootstrap（https://getbootstrap.com/），我们可以结合 HTML 和 CSS，并减小词汇表的大小。

我们可以提供一个它从未见过的截图，训练它生成相应的 HTML 代码。我们还可以深入研究它学习这个截图和 HTML 代码的过程。

抛开 bootstrap 的 HTML 代码，我们在这里使用 17 个简化的 token 训练它，然后翻译成 HTML 和 CSS。这个数据集[13]包括 1500 个测试截图和 250 个验证截图。每个截图上平均有 65 个 token，包含 96925 个训练样本。

通过修改 pix2code 论文的模型提供输入数据，我们的模型可以预测网页的组成，且准确率高达 97%（我们采用了 BLEU 4-ngram greedy search，稍后会详细介绍）。

端到端的方法

图像标注模型可以从事先训练好的模型中提取特征，但是经过几次实验后，我发现 pix2code 的端到端的方法可以更好地为我们的模型提取特征，因为事先训练好的模型并没有用网页数据训练过，而且它本来的作用是分类。

在这个模型中，我们用轻量级的卷积神经网络替代了事先训练好的图像特征。我们没有采用 max-pooling 增加信息密度，但我们增加了步长（stride），以确保前端元素的位置和颜色。

有两个核心模型可以支持这个方法：卷积神经网络（CNN)和递归神经网络（RNN）。最常见的递归神经网络就是 LSTM，所以我选择了 RNN。

关于 CNN 的教程有很多，我在别的文章里有介绍。此处我主要讲解 LSTM。

理解 LSTM 中的 timestep

LSTM 中最难理解的内容之一就是 timestep。原始的神经网络可以看作只有两个 timestep。如果输入是“Hello”（第一个 timestep），它会预测“World”（第二个 timestep），但它无法预测更多的 timestep。下面的例子中输入有四个 timestep，每个词一个。

LSTM 适用于包含 timestep 的输入，这种神经网络专门处理有序的信息。模型展开后你会发现，下行的每一步所持有的权重保持不变。另外，前一个输出和新的输入需要分别使用相应的权重。

接下来，输入和输出乘以权重之后相加，再通过激活函数得到该 timestep 的输出。由于权重不随 timestep 变化，所以它们可以从多个输入中获得信息，从而掌握单词的顺序。

下图通过简单图例描述了一个 LSTM 中每个 timestep 的处理过程。

为了更好地理解这个逻辑，我建议你跟随 Andrew Trask 的这篇精彩的教程[14]，尝试从头创建一个 RNN。

理解 LSTM 层中的单元

LSTM 层中的单元（unit）数量决定了它的记忆能力，以及每个输出特征的大小。再次强调，特征是一长列的数值，用于在层与层之间的信息传递。

LSTM 层中的每个单元负责跟踪语法中的不同信息。下图描述了一个单元的示例，其内保存了布局行“div”的信息。我们简化了 HTML 代码，并用于训练 bootstrap 模型。

每个 LSTM 单元拥有一个单元状态（cell state）。你可以把单元状态看作单元的记忆。权重和激活函数可以用各种方式改变状态。因此 LSTM 层可以微调每个输入所需要保存和丢弃的信息。

向输入传递输出特征的同时，还需传递单元状态，LSTM 的每个单元都需要传递自己的单元状态值。为了理解 LSTM 各部分的交互方式，我建议你可以阅读：

Colah 的教程：
https://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/
Jayasiri 的 Numpy 实现：
http://blog.varunajayasiri.com/numpy_lstm.html
Karphay 的讲座和文章：
https://www.youtube.com/watch?v=yCC09vCHzF8； https://karpathy.github.io/2015/05/21/rnn-effectiveness/

dir_name = 'resources/eval_light/'
# Read a file and return a string
def load_doc(filename):
file = open(filename, 'r')
text = file.read()
file.close()
return text
def load_data(data_dir):
text = []
images = []
# Load all the files and order them
all_filenames = listdir(data_dir)
all_filenames.sort()
for filename in (all_filenames):
if filename[-3:] == "npz":
# Load the images already prepared in arrays
image = np.load(data_dir+filename)
images.append(image['features'])
else:
# Load the boostrap tokens and rap them in a start and end tag
syntax = '<START> ' + load_doc(data_dir+filename) + ' <END>'
# Seperate all the words with a single space
syntax = ' '.join(syntax.split())
# Add a space after each comma
syntax = syntax.replace(',', ' ,')
text.append(syntax)
images = np.array(images, dtype=float)
return images, text
train_features, texts = load_data(dir_name)
# Initialize the function to create the vocabulary
tokenizer = Tokenizer(filters='', split=" ", lower=False)
# Create the vocabulary
tokenizer.fit_on_texts([load_doc('bootstrap.vocab')])
# Add one spot for the empty word in the vocabulary
vocab_size = len(tokenizer.word_index) + 1
# Map the input sentences into the vocabulary indexes
train_sequences = tokenizer.texts_to_sequences(texts)
# The longest set of boostrap tokens
max_sequence = max(len(s) for s in train_sequences)
# Specify how many tokens to have in each input sentence
max_length = 48
def preprocess_data(sequences, features):
X, y, image_data = list(), list(), list()
for img_no, seq in enumerate(sequences):
for i in range(1, len(seq)):
# Add the sentence until the current count(i) and add the current count to the output
in_seq, out_seq = seq[:i], seq[i]
# Pad all the input token sentences to max_sequence
in_seq = pad_sequences([in_seq], maxlen=max_sequence)[0]
# Turn the output into one-hot encoding
out_seq = to_categorical([out_seq], num_classes=vocab_size)[0]
# Add the corresponding image to the boostrap token file
image_data.append(features[img_no])
# Cap the input sentence to 48 tokens and add it
X.append(in_seq[-48:])
y.append(out_seq)
return np.array(X), np.array(y), np.array(image_data)
X, y, image_data = preprocess_data(train_sequences, train_features)
#Create the encoder
image_model = Sequential()
image_model.add(Conv2D(16, (3, 3), padding='valid', activation='relu', input_shape=(256, 256, 3,)))
image_model.add(Conv2D(16, (3,3), activation='relu', padding='same', strides=2))
image_model.add(Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same'))
image_model.add(Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same', strides=2))
image_model.add(Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same'))
image_model.add(Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same', strides=2))
image_model.add(Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same'))
image_model.add(Flatten())
image_model.add(Dense(1024, activation='relu'))
image_model.add(Dropout(0.3))
image_model.add(Dense(1024, activation='relu'))
image_model.add(Dropout(0.3))
image_model.add(RepeatVector(max_length))
visual_input = Input(shape=(256, 256, 3,))
encoded_image = image_model(visual_input)
language_input = Input(shape=(max_length,))
language_model = Embedding(vocab_size, 50, input_length=max_length, mask_zero=True)(language_input)
language_model = LSTM(128, return_sequences=True)(language_model)
language_model = LSTM(128, return_sequences=True)(language_model)
#Create the decoder
decoder = concatenate([encoded_image, language_model])
decoder = LSTM(512, return_sequences=True)(decoder)
decoder = LSTM(512, return_sequences=False)(decoder)
decoder = Dense(vocab_size, activation='softmax')(decoder)
# Compile the model
model = Model(inputs=[visual_input, language_input], outputs=decoder)
optimizer = RMSprop(lr=0.0001, clipvalue=1.0)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=optimizer)
#Save the model for every 2nd epoch
filepath="org-weights-epoch-{epoch:04d}--val_loss-{val_loss:.4f}--loss-{loss:.4f}.hdf5"
checkpoint = ModelCheckpoint(filepath, monitor='val_loss', verbose=1, save_weights_only=True, period=2)
callbacks_list = [checkpoint]
# Train the model
model.fit([image_data, X], y, batch_size=64, shuffle=False, validation_split=0.1, callbacks=callbacks_list, verbose=1, epochs=50)

测试准确度

很难找到合理的方式测量准确度。你可以逐个比较单词，但如果预测结果中有一个单词出现了错位，那准确率可能就是 0%了；如果为了同步预测而删除这个词，那么准确率又会变成 99/100。

我采用了 BLEU 分数，它是测试机器翻译和图像标记模型的最佳选择。它将句子分成四个 n-grams，从 1 个单词的序列逐步扩展为 4 个单词。下例，预测结果中的“cat”实际上应该是“code”。

为了计算最终分数，首先需要让每个 n-grams 的得分乘以 25%并求和，即(4/5) * 0.25 + (2/4) * 0.25 + (1/3) * 0.25 + (0/2) * 0.25 = 02 + 1.25 + 0.083 + 0 = 0.408；得出的总和需要乘以句子长度的惩罚因子。由于本例中预测句子的长度是正确的，因此这就是最终的分数。

增加 n-grams 的数量可以提高难度。4 个 n-grams 的模型最适合人类翻译。为了进一步了解 BLEU，我建议你可以用下面的代码运行几个例子，并阅读这篇 wiki 页面[15]。

#Create a function to read a file and return its content
def load_doc(filename):
file = open(filename, 'r')
text = file.read()
file.close()
return text
def load_data(data_dir):
text = []
images = []
files_in_folder = os.listdir(data_dir)
files_in_folder.sort()
for filename in tqdm(files_in_folder):
#Add an image
if filename[-3:] == "npz":
image = np.load(data_dir+filename)
images.append(image['features'])
else:
# Add text and wrap it in a start and end tag
syntax = '<START> ' + load_doc(data_dir+filename) + ' <END>'
#Seperate each word with a space
syntax = ' '.join(syntax.split())
#Add a space between each comma
syntax = syntax.replace(',', ' ,')
text.append(syntax)
images = np.array(images, dtype=float)
return images, text
#Intialize the function to create the vocabulary
tokenizer = Tokenizer(filters='', split=" ", lower=False)
#Create the vocabulary in a specific order
tokenizer.fit_on_texts([load_doc('bootstrap.vocab')])
dir_name = '../../../../eval/'
train_features, texts = load_data(dir_name)
#load model and weights
json_file = open('../../../../model.json', 'r')
loaded_model_json = json_file.read()
json_file.close()
loaded_model = model_from_json(loaded_model_json)
# load weights into new model
loaded_model.load_weights("../../../../weights.hdf5")
print("Loaded model from disk")
# map an integer to a word
def word_for_id(integer, tokenizer):
for word, index in tokenizer.word_index.items():
if index == integer:
return word
return None
print(word_for_id(17, tokenizer))
# generate a description for an image
def generate_desc(model, tokenizer, photo, max_length):
photo = np.array([photo])
# seed the generation process
in_text = '<START> '
# iterate over the whole length of the sequence
print('\nPrediction---->\n\n<START> ', end='')
for i in range(150):
# integer encode input sequence
sequence = tokenizer.texts_to_sequences([in_text])[0]
# pad input
sequence = pad_sequences([sequence], maxlen=max_length)
# predict next word
yhat = loaded_model.predict([photo, sequence], verbose=0)
# convert probability to integer
yhat = argmax(yhat)
# map integer to word
word = word_for_id(yhat, tokenizer)
# stop if we cannot map the word
if word is None:
break
# append as input for generating the next word
in_text += word + ' '
# stop if we predict the end of the sequence
print(word + ' ', end='')
if word == '<END>':
break
return in_text
max_length = 48
# evaluate the skill of the model
def evaluate_model(model, descriptions, photos, tokenizer, max_length):
actual, predicted = list(), list()
# step over the whole set
for i in range(len(texts)):
yhat = generate_desc(model, tokenizer, photos[i], max_length)
# store actual and predicted
print('\n\nReal---->\n\n' + texts[i])
actual.append([texts[i].split()])
predicted.append(yhat.split())
# calculate BLEU score
bleu = corpus_bleu(actual, predicted)
return bleu, actual, predicted
bleu, actual, predicted = evaluate_model(loaded_model, texts, train_features, tokenizer, max_length)
#Compile the tokens into HTML and css
dsl_path = "compiler/assets/web-dsl-mapping.json"
compiler = Compiler(dsl_path)
compiled_website = compiler.compile(predicted[0], 'index.html')
print(compiled_website )
print(bleu)

输出

输出示例的链接

网站 1：

生成的网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/pred_1/
原网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/real_1/

网站 2：

生成的网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/pred_2/
原网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/real_2/

网站 3：

生成的网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/pred_3/
原网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/real_3/

网站 4：

生成的网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/pred_4/
原网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/real_4/

网站 5：

生成的网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/pred_5/
原网站：https://emilwallner.github.io/bootstrap/real_5/

我犯过的错误

学会理解模型的弱点，避免盲目测试模型。刚开始的时候，我随便尝试了一些东西，比如 batch normalization、bidirectional network，还试图实现 attention。看了测试数据后发现这些并不能准确地预测颜色和位置，我开始意识到这是 CNN 的弱点。因此我放弃了 maxpooling，改为增加步长。结果测试损失从 0.12 降到了 0.02，BLEU 分数从 85%提高到了 97%。
只使用相关的事先训练好的模型。在数据集很小的时候，我以为事先训练好的图像模型能够提高效率。实验结果表明，端到端的模型虽然更慢，训练也需要更多的内存，但准确率能提高 30%。

在远程服务器上运行模型时要为一些差异做好准备。在我的 Mac 上运行时，文件是按照字母顺序读取的。但在远程服务器上却是随机读取的。结果造成了截图和代码不匹配的问题。虽然依然能够收敛，但在我修复了这个问题后，测试数据的准确率提高了 50%。

务必要理解库函数。词汇表中的空 token 需要包含空格。一开始我没加空格，结果就漏了一个 token。直到看了几次最终输出结果，注意到它从来不会预测某个 token 的时候，我才发现了这个问题。检查后发现那个 token 不在词汇表里。此外，要保证训练和测试时使用的词汇表的顺序相同。

试验时使用轻量级的模型。用 GRU 替换 LSTM 可以让每个 epoch 的时间减少 30%，而且不会对性能有太大影响。

▌下一步

深度学习很适合应用在前端开发中，因为很容易生成数据，而且如今的深度学习算法可以覆盖绝大多数的逻辑。

其中一个最有意思的方面是在 LSTM 中使用 attention 机制[16]。它不仅能提高准确率，而且可以帮助我们观察 CSS 在生成 HTML 代码的时候，它的注意力在何处。

Attention 还是 HTML 代码、样式表、脚本甚至后台之间沟通的关键因素。attention 层可以追踪参数，帮助神经网络在不同编程语言之间沟通。

但是短期内，最大的难题还在于找到一个可扩展的方法用于生成数据。这样才能逐步加入字体、颜色、单词以及动画。

迄今为止，很多人都在努力实现绘制草图并将其转化为应用程序的模板。不出两年，我们就能实现在纸上绘制应用程序，并在一秒内获得相应的前端代码。Airbnb 设计团队[17]和 Uizard[18] 已经创建了两个原型。

下面是一些值得尝试的实验。

▌实验

Getting started：

运行所有的模型
尝试不同的超参数
尝试不同的 CNN 架构
加入 Bidirectional 的 LSTM 模型
使用不同的数据集实现模型[19]（你可以通过 FloydHub 的参数“--data ”挂载这个数据集：emilwallner/datasets/100k-html:data）

高级实验

创建能利用特定的语法稳定生成任意应用程序/网页的生成器
生成应用程序模型的设计图数据。将应用程序或网页的截图自动转换成设计，并使用 GAN 产生变化。
通过 attention 层观察每次预测时的图像焦点，类似于这个模型：https://arxiv.org/abs/1502.03044
创建模块化方法的框架。比如一个模型负责编码字体，一个负责颜色，另一个负责布局，并利用解码部分将它们结合在一起。你可以从静态图像特征开始尝试。
为神经网络提供简单的 HTML 组成单元，训练它利用 CSS 生成动画。如果能加入 attention 模块，观察输入源的聚焦就更完美了。

最后，非常感谢 Tony Beltramelli 和 Jon Gold 提供的研究成果和想法，以及对各种问题的解答。谢谢 Jason Brownlee 贡献他的 stellar Keras 教程（我在核心的 Keras 实现中加入了几个他的教程中介绍的 snippets），谢谢 Beltramelli 提供的数据。还要谢谢 Qingping Hou、Charlie Harrington、 Sai Soundararaj、 Jannes Klaas、 Claudio Cabral、 Alain Demenet 和 Dylan Djian 审阅本篇文章。

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