從 0 到 1 實現：AI 版你畫我猜小游戲
01、引言
近幾年AI的進化速度堪比科幻片——昨天還在調教ChatGPT寫詩，今天Sora已經能生成電影級畫面了。技術圈仿佛被AI“腌入味”了，說不定連這篇文章都是DeepSeek幫忙寫的（狗頭）。
前端er的野望：當其他行業忙著用AI造火箭時，我們這群和瀏覽器“斗智斗勇”的手藝人，該怎么蹭上這波熱度？
在深入思考如何蹭上熱度之前，首先，我們需要先簡單了解下AI模型的分類。
1.1云端模型和端側模型
從模型的部署方式上來看，AI模型可以簡單分為云端模型（Cloud Model）和端側模型（On-Device Model）兩種。
- 云端模型：將模型部署在服務集群上，提供一些API能力供端側來調用，端側無需處理計算部分，只需調用API獲取計算結果即可。比如OpenAI的官方API就是如此。
- 端側模型：直接將模型部署在終端設備上，模型的計算、推理完全依賴終端設備，具有更高的實時性、私密性、安全性，但同時對終端設備等硬件要求也較高。
對于前端來說，由于其非常依賴瀏覽器和終端設備性能，所以原本最適合前端的方式其實是直接調用云端模型API，把計算的負擔轉嫁給服務集群，頁面只需負責展示結果即可。但通常情況下，搭建集群、訓練模型、定制API有很高的資源門檻和成本，現實條件往往不允許我們這樣做。
因此，我們可以轉而考慮利用端側模型來賦能。
1.2大語言模型和特定領域模型
端側模型從概念上來區分，又可以簡單分為大語言模型和特定領域模型。
大語言模型
其中大語言模型（Large Language Model，LLM）就是我們熟知的ChatGPT、DeepSeek、Grok這類模型，它們功能強大，但對設備的性能要求很高，以DeepSeek為例，即使是最小的1.5B版本模型，也至少需要RTX 3060+級別的顯卡才能帶得動，并且模型本身的大小已經達到1.1GB，并不適合部署在前端項目中。
模型版本 | 參數量 | 模型大小 | 顯存 | GPU |
R1 1.5B | 15億 | 1.1 GB | 4–5 GB | RTX 3060 12GB |
特定領域模型
所以，最終留給我們的選項就是利用一些特定領域模型來賦能前端，它們可以用來處理某些特定領域的問題。例如，利用視覺（CNN、MobileNet）模型實現圖像分類、人臉檢測，或者利用自然語言模型（NLP）實現問答機器人、文本惡意檢測等。
這些模型等特征是尺寸較小，并且對設備性能要求不高，非常適合直接部署在前端并實現一些AI交互。
所以，接下來我們就來看看，如何從0到1訓練一個圖像分類模型（Doodle Classifier based on CNN），并將模型集成至前端頁面，實現一個經典你畫我猜小游戲-端側AI版。
02、你畫我猜AI版-玩法簡介
動手實踐之前，先來簡單介紹下你畫我猜AI版的玩法，它和普通版本你畫我猜的區別在于：玩家根據提示詞進行涂鴉，由AI來預測玩家畫的詞是什么，如果AI順利猜對玩家畫的詞，則玩家得分。
例如，提示詞是“長城”，則玩家需要通過畫板手繪一個長城，盡量畫的像一些，讓AI猜出正確答案就能得分。
了解了基礎玩法之后，接下來正片開始，詳細介紹如何從零到一開始實現它。
我們提供了簡化版的 live demo，你可以訪問鏈接試試看。同時我們也提供了相關的 demo代碼，你可以隨時訪問github倉庫，下載和嘗試運行它。
03、訓練模型
首先，第一步是訓練模型。
根據上面的玩法簡介，我們知道它本質上是一個基于視覺的圖片分類AI模型，而這個模型的功能是：輸入圖片數據后，模型可以計算出圖片的分類置信結果。例如，輸入一張小貓的圖片，模型的分類計算結果可能為：[貓 90%，狗8%，豬2%]，表示模型認為這張圖有90%的概率是只貓，8%的概率是條狗，2%概率是只豬。
這樣一來，我們通過將用戶手繪的canvas中的圖片數據丟給模型，并把模型輸出的置信概率最大的分類當作AI的猜測結果，就可以模擬出AI猜詞的互動了。
而實現這個模型也很簡單，但我們需要了解一些深度學習神經網絡的知識以及tensorflow.js的基礎用法。如果對這兩者不太熟悉，可能需要先自行google一下，做點知識儲備。
那么假設大家已經有了一些基礎的神經網絡、TensorFlow.js基礎知識，就可以利用TensorFlow.js輕松搭建一個基于CNN的圖片分類模型。
3.1獲取數據集
在進入模型訓練之前，我們需要先獲取數據集。
數據集是訓練模型的基礎，我們可以自己創建數據集（這很困難、費時），或者尋找一些開源數據集。剛好Google Lab提供了一套完整的開源涂鴉數據集（The Quick Draw Dataset），數據集中包含了345個不同類別的涂鴉數據集合，總共有5000萬份涂鴉數據，足夠我們挑選使用。
我們可以直接訪問開源涂鴉數據集（The Quick Draw Dataset）下載所需的數據。點擊頁面右上角的Get the Data 跳轉github倉庫，可以看到文檔中列出了多種數據類型：
這里我們直接選擇下載Numpy bitmap files。
注意：這里的數據集有345種類別，如果全部進行訓練的話，訓練時間會很長并且最終的模型大小較大，因此，我們可以視情況挑選其中的部分詞匯，例如選擇80個詞匯進行訓練，對于一款小游戲來說，詞匯量也足夠了。
3.2搭建模型和訓練模型
下載完訓練數據之后，接下來我們需要搭建模型結構并進行模型訓練。
如果我們下載了demo代碼，可以看到項目結構如下，主要內容為3個部分：
項目目錄/
├── ?? src/
│ ├── ?? index.ts # 程序入口文件
│ ├── ?? data/ # 數據集
│ │ ├── ?? Apple.npy
│ │ ├── ?? The Great Wall.npy
│ │ └── ?? ...
│ └── ?? model/ # 訓練模型相關
│ ├── ?? doodle-data.model.ts # 數據加載
│ └── ?? classifier.model.ts # 模型結構
├── ?? package.json-data目錄：存放訓練數據集
-model目錄：
- doodle-data.model.ts：數據加載預處理
- classifier.model.ts：定義模型結構
-index.ts：訓練程序入口
先來看項目的index.ts入口文件，功能非常簡單，主要邏輯就是四步：
- 加載訓練數據
- 創建模型
- 訓練模型
- 保存模型參數
import { Classifier } from './model/classifier.model';
import { DoodleData } from './model/doodle-data.model';
async function main(){
const data = new DoodleData({
directoryData: 'src/data',
maxImageClass: 20000
});
// 1. 加載訓練數據
data.loadData();
// 2. 創建模型
const model = new Classifier(data);
// 3. 訓練模型
await model.train();
// 4. 保存模型參數
await model.save();
}
main();了解了核心流程之后，再來詳細看下model目錄下的兩個核心文件：doodle-data.model.ts和classifier.model.ts。
首先是doodle-data.model.ts ，它的核心代碼如下，主要是加載data目錄下的數據，并將數據預處理為tensor張量，后續可于訓練模型。
// 加載data目錄下的數據
loadData() {
this.classes = fs.readdirSync(this.directoryData)
.filter((x) => x.endsWith('.npy'))
.map((x) => x.replace('.npy', ''));
}
// 數據生成器，預處理數據為tensor張量
*dataGenerator() {
// ...
for (let j = 0; j < bytes.length; j = j + this.IMAGE_SIZE) {
const singleImage = bytes.slice(j, j + this.IMAGE_SIZE);
const image = tf
.tensor(singleImage)
.reshape([this.IMAGE_WIDTH, this.IMAGE_HEIGHT, 1])
.toFloat();
const xs = image.div(offset);
const ys = tf.tensor(this.classes.map((x) => (x === label ? 1 : 0)));
yield { xs, ys };
}
}其次是，classifier.model.ts。它的核心代碼如下，代碼的主要功能是：
構建了一個基于CNN的圖像分類模型。通過tf.layers.conv3d()構造了卷積神經網絡結構。
提供了train()方法，用于訓練模型。這里定義了模型訓練的迭代次數（epochs）、訓練的批次大小（batchSize），這些參數會影響模型訓練的最終結果，就是通常我們所說的“模型調參”，當你覺得模型訓練效果不佳時，可以調整這些參數重新訓練，直到達成不錯的準確率。
提供了save()方法，用于保存模型參數。
import * as tf from "@tensorflow/tfjs-node";
import { DoodleData } from "./doodle-data.model";
exportclassClassifier {
// ...
// 定義模型結構
constructor(data: DoodleData) {
this.data = data;
this.model = tf.sequential();
this.model.add(
tf.layers.conv2d({
inputShape: [data.IMAGE_WIDTH, data.IMAGE_HEIGHT, 1],
kernelSize: 3,
filters: 16,
strides: 1,
activation: "relu",
kernelInitializer: "varianceScaling",
})
);
this.model.add(
tf.layers.maxPooling2d({
poolSize: [2, 2],
strides: [2, 2],
})
);
this.model.add(
tf.layers.conv2d({
kernelSize: 3,
filters: 32,
strides: 1,
activation: "relu",
kernelInitializer: "varianceScaling",
})
);
this.model.add(
tf.layers.maxPooling2d({
poolSize: [2, 2],
strides: [2, 2],
})
);
this.model.add(tf.layers.flatten());
this.model.add(
tf.layers.dense({
units: this.data.totalClasses,
kernelInitializer: "varianceScaling",
activation: "softmax",
})
);
const optimizer = tf.train.adam();
this.model.compile({
optimizer,
loss: "categoricalCrossentropy",
metrics: ["accuracy"],
});
}
// 模型訓練
async train(){
const trainingData = tf.data
.generator(() => this.data.dataGenerator("train"))
.shuffle(this.data.maxImageClass * this.data.totalClasses)
.batch(64);
const testData = tf.data
.generator(() => this.data.dataGenerator("test"))
.shuffle(this.data.maxImageClass * this.data.totalClasses)
.batch(64);
await this.model.fitDataset(trainingData, {
epochs: 5,
validationData: testData,
callbacks: {
onEpochEnd: async (epoch, logs) => {
this.logger.debug(
`Epoch: ${epoch} - acc: ${logs?.acc.toFixed(
3
)} - loss: ${logs?.loss.toFixed(3)}`
);
},
onBatchBegin: async (epoch, logs) => {
console.log("onBatchBegin" + epoch + JSON.stringify(logs));
},
},
});
}
// 保存模型
async save(){
fs.mkdirSync("doodle-model", { recursive: true });
fs.writeFileSync(
"doodle-model/classes.json",
JSON.stringify({ classes: this.data.classes })
);
await this.model.save("file://./doodle-model");
}
}如果我們從github倉庫下載了demo代碼，在根目錄下執行：
npm run start開啟模型訓練過程，會有一些輸出如下，表示當前的訓練輪次、識別準確率、損失等。
onBatchBegin0{"batch":0,"size":512}
onBatchBegin1{"batch":1,"size":512}
onBatchBegin2{"batch":2,"size":512}
onBatchBegin3{"batch":3,"size":512}
onBatchBegin4{"batch":4,"size":192}
...
[Classifier] Epoch: 0 - acc: 0.078 - loss: 2.632
...耐心等待日志打完，模型訓練完成之后，我們的項目目錄下就會產出一個額外的目錄，存放模型的訓練結果。
- classes.json：圖片的所有分類，根據data目錄中的數據文件名稱生成
- model.json：模型的描述文件
- weights.bin：模型的參數文件
項目目錄/
├── ?? doodle-model/ # 訓練結果（最終模型）
│ │ ├── ?? classes.json # 圖片分類
│ │ ├── ?? model.json # 模型描述文件
│ │ └── ?? weights.bin # 模型參數這樣，我們的模型就訓練完成了。
接下來看看如何在頁面中集成模型，實現從繪制canvas圖片到模型分類預測的效果。
04、集成至頁面
在頁面中的集成模型也非常簡單，我們只需要創建一個可以繪圖的canvas，每隔一段時間就將當前canvas的圖像數據傳輸給模型，觸發一次模型預測即可。
先來看下項目的核心目錄結構：
項目目錄/
├── ?? public/assets/doodle-modle/ # 將訓練生成的模型放置在public目錄下
│ │ ├── ?? classes.json # 圖片分類
│ │ ├── ?? model.json # 模型描述文件
│ │ └── ?? weights.bin # 模型參數
├── ?? src
│ ├── ?? models/
│ │ └── ?? DoodleClassifier.js # 圖片分類器
│ ├── ?? views/
│ │ └── ?? DoodleView.vue # 頁面視圖（canvas畫布）其中，DoodleClassifier.js的核心代碼如下：
- loadModel：加載模型，包括model.json、classes.json，在model.json中會自動加載weights.bin
- predictTopN：輸入圖片數據，調用model.predict() 預測最有可能的TopN個分類結果，并按照置信度排序
import * as tf from "@tensorflow/tfjs";
import apiClient from "@/services/http";
// 加載模型
async loadModel(){
this.model = await tf.loadLayersModel("assets/doodle-model/model.json");
const response = await apiClient.get("assets/doodle-model/classes.json");
this.classes = response.data.classes;
}
// 預測最有可能的TopN個分類，并按照置信度排序
async predictTopN(data, n){
const predictions = Array.from(await this.model.predict(data).data());
const indexedPredictions = predictions.map((probability, index) => ({
probability,
index,
}));
indexedPredictions.sort((a, b) => b.probability - a.probability);
const topNPredictions = indexedPredictions.slice(0, n);
return topNPredictions.map((p) => ({
label: this.classes[p.index],
accuracy: p.probability,
}));
}
// 預測分類結果
async predict(data){
const argMax = await this.model.predict(data).argMax(-1).data();
returnthis.classes[argMax[0]];
}DoodleView.vue的核心代碼如下：
- 調用new DoodleClassifier()構造圖片分類器
- 調用loadModel()加載模型
- 預處理canvas的圖片數據
- 將預處理的數據傳輸給model.predictTopN()，預測圖片分類
// 構造圖片分類器
this.model = new DoodleClassifier()
// 加載模型
this.model.loadModel()
// 預處理canvas圖片數據
const tensor = tf.browser.fromPixels(imgData, 1);
const resized = tf.image
.resizeBilinear(tensor, [28, 28])
.reshape([1, 28, 28, 1]) // Reshape to [1, 28, 28, 1] for batch and single channel
.toFloat();
const normalized = tf.scalar(1.0).sub(resized.div(tf.scalar(255.0)));
// 預測圖片分類
this.model.predictTopN(normalized, 5).then((predictions) => {
if (predictions) {
this.predictions = predictions;
}
});到這為止，你畫我猜-AI版就已經基本搭建完成了。實現起來并不復雜。
如果一切順利，并且你按照我們提供的demo構建頁面，就可以直接在項目中運行：
npm run serve一個簡易版本的你畫我猜AI版就運行成功了，試試看吧。
05、優化措施
通過上面的步驟，我們完成了模型訓練和canvas圖片分類預測的全流程，成功實現了你畫我猜AI版。但實際上可能會遇到兩個比較關鍵的問題。
5.1數據標準化
當我們去調整canvas畫布大小、畫筆粗細后，可能會出現預測結果不準確的情況，此時從canvas獲取的圖像數據和我們喂給模型的訓練數據產生了差異。
這時候我們需要在獲取到canvas數據后，額外做一些數據預處理，將數據標準化，例如：
- 將畫布的內容區域裁剪為正方形，并居中顯示
- 將畫布的線條適當變粗，使模型更容易識別
5.2利用 webworker 優化性能
模型的計算過程是十分耗時的，將計算過程放在主線程會導致頁面卡頓，因此我們可以將整個模型的預測部分放入webworker中，以此來提升計算性能，不影響頁面渲染。
06、總結
你畫我猜-端側AI版是前端結合AI的一個簡單案例，為我們提供了前端利用AI賦能的大致思路和基本實現邏輯。條件允許的情況下，我們可以利云端模型來拓展前端業務。但如果缺乏資源，我們則轉而考慮使用端側的特定領域模型來產出一些新玩法、新交互。相比之下，端側AI具有更強的靈活性、安全性和更低的集成成本。大家可以試著在各自的業務中探索和使用端側AI，或許無法產出太大的效益，但也是在全民AI時代下，一些積極的嘗試和沉淀。
07、參考
部分代碼參考自：
