为人工智能应用程序设计图形用户界面

谢作如 浙江省温州科技高级中学

人工智能是一种内敛的技术，需要借助多模态交互技术，才能“具象化”。在XEdu的帮助下，学生不需要编写代码也能快速训练出计算机视觉方向的模型，如图像分类和目标检测。那么，下一步的需求就是如何呈现这一学习成果，如结合摄像头，编写出支持实时画面推理的应用程序。笔者曾经用PyWebIO、Gradio等库介绍过AI模型部署方面的案例，但更多的教师希望能编写一个类似Windows应用程序，有一个中规中矩的图形用户界面，方便学生体验。于是，笔者认真研究了Python的GUI工具选择，毕竟给中小学生使用的工具既要代码简洁，又要功能强大。

●常见的Python图形界面设计工具

图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。图形用户界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其他一些日常任务。用户界面通常包括许多视觉元素，如图标、按钮、图形、显示文本，以及多种输入控件，如复选框、文本输入框等。

Python是一种容易上手、简单方便的开源编程语言，其第三方的开发工具数不胜数，在GUI这个方向同样有很多的工具可以选择。比较常用的GUI开发工具有Tkinter、PyQt、wxPython、Gtk+、Kivy、FLTK和OpenGL等，其中最常用的是Tkinter。Tkinter的优点在于是Python内置标准库，无需额外安装，兼容性好，但缺点在于实现效果较为普通，开发体验不好。比较受程序员推崇的是PyQt和wxPython，其功能强大，界面优美，相关教程也很多，可惜学习曲线有些陡峭。在比较了多款GUI开发工具之后，笔者最终选择了PySimpleGUI。

●PySimpleGUI的安装和典型代码

顾名思义，PySimpleGUI是一个简单的GUI设计工具。PySimpleGUI的安装和其他库一样，使用pip命令即可。整个库很小，很快就能完成。参考命令如下：

pip install PySimpleGUI

一个典型的PySimpleGUI代码，大致包含导入库、设计窗体布局、创建窗体、窗体事件控制和关闭窗体等五个部分。以一个简单的输入文本并输出结果的程序为例，对核心代码的作用分析如表1所示。

表1 PySimpleGUI代码分析

在这段代码中，最核心的部分是窗体设计和窗体事件控制部分。其中在“window.read()”返回的信息中，event为按钮的名称，values则为一个字典，键名是控件的名称，如“{'in': 'XEdu'}”。仔细观察PySimpleGUI代码，会发现它和Arduino、掌控板之类开源硬件程序的运行逻辑非常类似——用一个无限循环来处理输入和输出窗体事件。该代码的运行效果如图1所示，界面样式规中矩，看起来并不丑。

图1

●用PySimpleGUI编写模型推理程序

借助这样的简单范例，就能写出带输入和输出功能的程序了。考虑到需要编写的程序需要结合摄像头，界面中得显示实时画面，那就要借助Image类型的对象，然后在窗体事件控制部分实时更新画面即可。

核心代码介绍：在定义窗口布局中增加Image类型对象，用size来定义画面的大小（如图2）。

图2

核心代码介绍：实时读取摄像头的画面内容，然后用OpenCV的tobytes功能将图片转化为字节流，并更新Image对象（如下页图3）。

图3

核心代码介绍：在事件处理代码中，调用了模型推理的函数“my_inf”，这个函数使用了BaseDeploy库。BaseDeploy库是XEdu的一个组件，支持通用的ONNX模型（如下页图4）。

图4

最终的程序非常简洁，50行左右，程序运行结果如下页图5所示。

图5

●用PySimpleGUI编写Web应用程序

笔者选择PySimpleGUI的最大原因在于其内置了多个GUI框架。目前它已经集成了tkinter、PyQt、wxPython和Remi四种。2021年，笔者曾在《用Python写一个基于Web的物联网应用程序》一文中介绍过Remi库。其支持Web界面开发，也就说用PySimpleGUI也能开发出Web应用。

如果想要将上面的代码效果以Web界面呈现，只要将前面的导入库“import PySimpleGUI as sg”一句改为“import PySimpleGUIWeb as sg”，其他代码都不需要改变，体现了“一次编写、处处运行”的理念。当运行程序后，浏览器就会自动打开一个页面，显示效果如图6所示。

图6

●结语

也许是有VB和Arduino的编程基础，笔者在用PySimpleGUI编写GUI的过程中，感觉非常顺手。可见，PySimpleGUI很适合有创客教育或者开源硬件编程基础的师生使用，毕竟在几分钟内用几行代码就可以构建自定义GUI布局，是很愉快的编程体验，再加上PySimpleGUI还内置了100多种颜色主题，适合“懒人”拿来就用。一旦能用简洁的代码设计出GUI，相信就会有更多精彩的人工智能应用程序涌现出来，让我们拭目以待吧。