TensorFlow.js 和 Brain.js 全面对比:哪款 JavaScript AI 库更适合你?

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由于篇幅较长,为方便阅读,建议按需选择章节,也可收藏备用,分段消化更高效哦!希望本文能为你的前端 AI 开发之旅提供实用参考。 😊

引言:前端 AI 的崛起

在过去的十年里,人工智能(AI)技术的飞速发展已经深刻改变了各行各业。从智能助手到自动驾驶,从图像识别到自然语言处理,AI 的应用场景几乎无处不在。而对于前端开发者来说,AI 的魅力不仅在于其强大的功能,更在于它已经走进了浏览器,让客户端也能够轻松承担起机器学习的任务。

试想一下,当你开发一个 Web 应用,需要进行图像识别、文本分析、语音识别或其他 AI 任务时,你是否希望直接在浏览器中处理这些数据,而无需依赖远程服务器?如果能在用户的设备上本地运行这些任务,不仅可以大幅提升响应速度,还能减少服务器资源的消耗,为用户提供更流畅的体验。

这正是 TensorFlow.jsBrain.js 两款库所带来的变革。它们使开发者能够在浏览器中轻松实现机器学习任务,甚至支持训练和推理深度学习模型。虽然这两款库在某些功能上有相似之处,但它们的定位和特点却各有侧重。

TensorFlow.js 是由 Google 推出的深度学习框架,它为浏览器端的机器学习提供了强大的支持,能够处理从图像识别到自然语言处理的复杂任务。基于 WebGL 提供加速,TensorFlow.js 可以充分利用硬件性能,实现大规模数据处理和复杂模型推理。

TensorFlow.js 不仅功能强大,还能直接在浏览器中运行复杂的机器学习任务,例如图像识别和处理。如果你想深入了解如何使用 TensorFlow.js 构建智能图像处理应用,可以参考我的另一篇文章:纯前端用 TensorFlow.js 实现智能图像处理应用(一)

相比之下,Brain.js 是一款轻量级神经网络库,专注于简单易用的神经网络模型。它的设计目标是降低机器学习的入门门槛,适合快速原型开发和小型应用场景。尽管 Brain.js 不具备 TensorFlow.js 那样强大的深度学习能力,但它的简洁性和易用性使其成为许多开发者快速实验和实现基础 AI 功能的优选工具。

然而,选择哪款库作为前端 AI 的工具并不简单,这取决于项目的需求、性能要求以及学习成本等多个因素。本文将详细对比两款库的功能、优缺点及适用场景,帮助你根据需求选择最适合的工具。

无论你是 AI 初学者还是有经验的开发者,相信你都能从这篇文章中找到有价值的指导,助力你在浏览器端实现机器学习。准备好了吗?让我们一起探索 TensorFlow.jsBrain.js 的世界,发现它们的不同之处,了解哪一个更适合你的项目。


一、TensorFlow.js - 强大而复杂的深度学习库

1.1 TensorFlow.js 概述

TensorFlow.js 是由 Google 推出的开源 JavaScript 库,用于在浏览器和 Node.js 环境中执行机器学习任务,包括深度学习模型的推理和训练。它是 TensorFlow 生态的一部分,TensorFlow 是全球最受欢迎的深度学习框架之一,广泛应用于计算机视觉、自然语言处理等领域。

TensorFlow.js 的核心亮点在于其 跨平台支持 。你可以在浏览器端运行,也可以在 Node.js 环境下执行,灵活满足不同开发需求。此外,它支持导入已训练好的 TensorFlowKeras 模型,在浏览器或 Node.js 中进行推理,无需重新训练。这使得 AI 的开发更加高效和便捷。

1.2 TensorFlow.js 的功能特点

TensorFlow.js 提供了丰富的功能,覆盖从简单的机器学习到复杂的深度学习任务。以下是它的核心特点:

  1. 浏览器端深度学习推理 :通过 WebGL 加速,TensorFlow.js 可以高效地在浏览器中加载和运行深度学习模型,无需依赖服务器,大幅提升用户体验和响应速度。
  2. 训练与推理一体化TensorFlow.js 支持在前端环境直接训练神经网络,这对于动态数据更新和快速迭代非常有用。即使是复杂的深度学习模型,也能通过优化技术确保高效的训练过程。
  3. 支持复杂神经网络架构 :包括卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、以及高级模型如 Transformer,适用于图像、语音、文本等多领域任务。
  4. 模型导入与转换 :支持从其他 TensorFlowKeras 环境导入已训练的模型,并在浏览器或 Node.js 中高效运行,降低了开发门槛。
  5. 跨平台支持 :无论是前端浏览器还是后端 Node.jsTensorFlow.js 都可以灵活适配,特别适合需要多环境协作的项目。

1.3 TensorFlow.js 的优势与应用场景

优势:
  1. 本地化计算:无需数据传输到服务器,所有计算均在用户设备上完成,提升速度并保障隐私。
  2. 强大的生态支持 :依托 TensorFlow 的生态系统,TensorFlow.js 可以轻松访问预训练模型、教程和工具。
  3. 灵活性与高性能 :支持低级别 APIWebGL 加速,可根据需求灵活调整模型和计算流程。
  4. 无需后台服务器:在浏览器中即可完成复杂的训练和推理任务,显著简化系统架构。
应用场景:
  1. 图像识别:例如手写数字识别、人脸检测、物体分类等实时图像处理任务。
  2. 自然语言处理:支持情感分析、文本分类、语言翻译等复杂 NLP 任务。
  3. 实时数据分析 :适用于 IoT 或其他需要即时数据处理和反馈的应用场景。
  4. 推荐系统:通过用户行为数据构建个性化推荐,例如电商、新闻或社交媒体应用。

1.4 TensorFlow.js 基本用法示例

以下是一个简单示例,展示如何使用 TensorFlow.js 构建并训练神经网络模型。

安装与引入 TensorFlow.js
  1. 通过 CDN 引入:

    html 复制代码
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/tfjs"></script>
  2. 通过 npm 安装(适用于 Node.js 环境):

    bash 复制代码
    npm install @tensorflow/tfjs
创建简单神经网络

以下示例创建了一个简单的前馈神经网络,用于处理二分类问题:

javascript 复制代码
// 导入 TensorFlow.js
const tf = require('@tensorflow/tfjs');
​
// 创建一个神经网络模型
const model = tf.sequential();
​
// 添加隐藏层(10 个神经元)
model.add(tf.layers.dense({ units: 10, activation: 'relu', inputShape: [5] }));
​
// 添加输出层(2 类分类问题)
model.add(tf.layers.dense({ units: 2, activation: 'softmax' }));
​
// 编译模型
model.compile({
  optimizer: 'adam',
  loss: 'categoricalCrossentropy',
  metrics: ['accuracy'],
});
训练和推理过程

训练模型需要提供输入数据(特征)和标签(目标值):

javascript 复制代码
// 创建训练数据
const trainData = tf.tensor2d([[0, 1, 2, 3, 4], [1, 2, 3, 4, 5], [2, 3, 4, 5, 6]]);
const trainLabels = tf.tensor2d([[1, 0], [0, 1], [1, 0]]);
​
// 训练模型
model.fit(trainData, trainLabels, { epochs: 10 }).then(() => {
  // 使用新数据进行推理
  const input = tf.tensor2d([[1, 2, 3, 4, 5]]);
  model.predict(input).print();
});

二、Brain.js - 轻量级且易于使用的神经网络库

2.1 Brain.js 概述

Brain.js 是一个轻量级的开源 JavaScript 神经网络库,专为开发者提供快速、简单的机器学习工具。它的设计理念是易用性和轻量化,适合那些希望快速构建和训练神经网络的开发者,尤其是机器学习的新手。

与功能丰富的 TensorFlow.js 不同,Brain.js 更注重于直观和简单,能够帮助开发者快速完成从构建到推理的基本机器学习任务。虽然它不支持复杂的深度学习模型,但其易用性和小巧的特性,使其成为小型项目和快速原型开发的理想选择。

2.2 Brain.js 的功能特点

Brain.js 的功能主要集中在简化神经网络的构建与训练上,以下是其核心特点:

  1. 简单易用的 APIBrain.js 提供了直观的接口,开发者无需复杂的机器学习知识,也能轻松上手并实现神经网络任务。
  2. 轻量级 :相较于体积较大的 TensorFlow.jsBrain.js 的核心库更为小巧,非常适合嵌入前端应用,且不会显著影响加载速度。
  3. 支持多种网络结构 :前馈神经网络(Feedforward Neural Network)、LSTM 网络(Long Short-Term Memory)等。这些模型已足够应对大多数基础的机器学习需求。
  4. 快速训练与推理:通过几行代码即可完成训练与推理任务,适用于快速原型设计和验证。
  5. 同步与异步训练支持Brain.js 同时支持同步和异步的训练过程,开发者可以根据项目需求选择合适的方式。

2.3 Brain.js 的优势与应用场景

优势:

  1. 快速原型开发:开发者可以用最少的代码完成神经网络的构建和训练,特别适合需要快速验证想法的场景。
  2. 轻量级与高效率:库的体积较小,能快速加载,适合资源有限的环境。
  3. 易于集成Brain.js 非常适合嵌入 Web 应用或小型 Node.js 服务,集成简单。
  4. 适合初学者Brain.js 的设计对机器学习新手友好,无需深入了解复杂的深度学习算法即可上手。
应用场景:
  1. 基础分类与预测任务:适合实现简单的分类任务或数值预测,例如时间序列预测、情感分析等。
  2. 教学与实验 :对于机器学习教学或学习过程中的快速实验,Brain.js 是一个很好的工具。
  3. 轻量化应用 :例如小型交互式 Web 应用中实时处理用户输入。

2.4 Brain.js 基本用法示例

以下示例展示了如何使用 Brain.js 构建并训练一个简单的神经网络模型。

安装与引入
  1. 通过 npm 安装

    bash 复制代码
    npm install brain.js
  2. 通过 CDN 引入

    html 复制代码
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/brain.js"></script>
创建简单神经网络

以下代码创建了一个用于解决 XOR 问题的前馈神经网络:

javascript 复制代码
// 引入 Brain.js
const brain = require('brain.js');
​
// 创建一个简单的神经网络实例
const net = new brain.NeuralNetwork();
​
// 提供训练数据
const trainingData = [
  { input: [0, 0], output: [0] },
  { input: [0, 1], output: [1] },
  { input: [1, 0], output: [1] },
  { input: [1, 1], output: [0] }
];
​
// 训练网络
net.train(trainingData);
​
// 测试推理
const output = net.run([1, 0]);
console.log(`预测结果: ${output}`); // 输出接近 1 的值
训练与推理参数调整

Brain.js 提供了一些可选参数,用于优化训练过程,例如:

  • 迭代次数(iterations :设置训练的最大轮数。
  • 学习率(learningRate :控制每次更新的步长。

以下示例展示了如何自定义训练参数:

javascript 复制代码
net.train(trainingData, {
  iterations: 1000, // 最大训练轮数
  learningRate: 0.01, // 学习率
  log: true, // 显示训练过程
  logPeriod: 100 // 每 100 次迭代打印一次日志
});
​
// 推理新数据
const testInput = [0, 1];
const testOutput = net.run(testInput);
console.log(`输入: ${testInput}, 预测结果: ${testOutput}`);

三、TensorFlow.jsBrain.js 的全面对比

在这一章中,我们将从多个维度对 TensorFlow.jsBrain.js 进行详细对比,帮助开发者根据自己的需求选择合适的工具。对比内容涵盖技术实现差异、学习曲线、适用场景、性能表现以及生态系统和社区支持。

3.1 技术实现差异

TensorFlow.jsBrain.js 的技术实现差异显著,主要体现在功能复杂度、支持的模型类型和底层架构上:

  • TensorFlow.js 是一个功能全面的深度学习框架,基于 TensorFlow 的设计思想,提供了复杂的神经网络架构和高效的数学计算支持。它支持卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、生成对抗网络(GAN)等多种模型类型,能够完成从图像识别到自然语言处理的复杂任务。借助 WebGL 技术,TensorFlow.js 可在浏览器中高效进行高性能计算,尤其适合大规模数据和复杂模型。
  • Brain.js 则更加轻量,主要面向快速开发和简单任务。它支持前馈神经网络(Feedforward Neural Network)、长短期记忆网络(LSTM)等基础模型,适合处理简单的分类或预测问题。尽管功能不如 TensorFlow.js 广泛,但其简洁的设计使开发者能够快速上手,完成实验和小型项目。

总结TensorFlow.js 更加强大,适用于复杂任务;Brain.js 简单轻便,适合快速开发和小型应用。

3.2 学习曲线与开发者体验

在学习曲线和开发体验方面,两者差异明显:

  • TensorFlow.js 学习曲线较为陡峭。其功能强大且覆盖面广,但开发者需要了解深度学习的基础知识,包括模型训练、数据预处理等环节。尽管文档和教程丰富,但对初学者而言,掌握这些内容可能需要投入更多的时间和精力。
  • Brain.js 则以简洁直观的 API 著称,初学者可以通过几行代码实现神经网络的搭建与训练。它对复杂概念的抽象程度高,无需深入理解深度学习理论,便能快速完成任务。

总结 :如果你是新手或需要快速实现一个简单模型,选择 Brain.js 更友好;而如果你已有一定经验,并计划处理复杂任务,则 TensorFlow.js 更适合。

3.3 适用场景与功能选择

根据应用场景,选择合适的库可以大大提高开发效率:

  • TensorFlow.js :适用于复杂任务,如图像识别、自然语言处理、视频分析或推荐系统。由于其强大的深度学习功能和高性能计算能力,TensorFlow.js 特别适合大规模数据处理和精度要求高的场景。
  • Brain.js :适合轻量级任务,例如简单的分类、回归、时间序列预测等。对于快速验证模型或开发原型,Brain.js 提供了简单高效的解决方案,尤其是在浏览器端运行时无需依赖复杂的服务器计算。

总结TensorFlow.js 面向复杂场景和大规模任务;Brain.js 更适合轻量化需求和快速开发。

3.4 性能对比

在性能方面,TensorFlow.jsBrain.js 存在显著差异:

  • TensorFlow.js 借助 WebGL 实现高效的硬件加速,支持 GPU 并行计算。在处理大规模数据集和复杂模型时,其性能优势显著,适用于高负载、高计算量的场景。
  • Brain.js 性能较为有限,主要针对小型数据集和简单任务。由于其轻量级设计,虽然在小规模任务中表现出色,但无法与 TensorFlow.js 的硬件加速能力相媲美。

总结 :对于需要高性能计算的场景,TensorFlow.js 是更优选择;而对于小型任务,Brain.js 的性能已足够。

3.5 生态系统与社区支持

  • TensorFlow.js :作为 TensorFlow 生态的一部分,TensorFlow.js 享有丰富的社区资源和支持,包括大量的开源项目、教程、论坛和工具。开发者可以从官方文档和预训练模型中快速找到所需资源,支持复杂应用的开发。
  • Brain.js :社区较小,但活跃度高。文档简洁,适合初学者。虽然资源和支持不如 TensorFlow.js 丰富,但足以满足小型项目的需求。

总结TensorFlow.js 的生态更强大,适合需要长期维护和扩展的项目;Brain.js 更适合轻量化开发和快速上手。


四、如何选择最适合你的库?

TensorFlow.jsBrain.js 之间做出选择时,开发者需要综合考虑项目需求、技术背景和性能要求。这两款库各有特色:TensorFlow.js 功能强大,适用于复杂任务;Brain.js 简单易用,适合快速开发。以下从选择标准和实际场景出发,帮助开发者找到最合适的工具。

4.1 选择标准

在选择 TensorFlow.jsBrain.js 时,可参考以下几个关键标准:

  1. 功能需求

    • 复杂任务 :如果项目涉及深度学习任务(如大规模图像分类、语音识别或自然语言处理),选择 TensorFlow.js 更为合适。它支持复杂的神经网络模型,具备高效的数据处理能力。
    • 基础任务 :如果需求相对简单,例如小型神经网络模型、时间序列预测或分类任务,Brain.js 是更轻量的选择。
  2. 开发者经验

    • 有机器学习背景TensorFlow.js 提供高度灵活的 API,但学习曲线较陡。熟悉机器学习的开发者可以充分利用其强大功能。
    • 初学者Brain.js 更适合新手,提供简洁的接口和直观的使用体验。
  3. 性能需求

    • 高性能计算 :如果项目需要硬件加速(如 GPU 支持)以处理大规模数据,TensorFlow.jsWebGL 支持是理想选择。
    • 轻量化应用 :对于性能要求较低的场景,Brain.js 的轻量级设计足够满足需求。
  4. 项目规模与复杂度

    • 大型项目TensorFlow.js 提供复杂功能和强大的扩展性,适合长期维护和生产级应用。
    • 快速开发Brain.js 专注于快速实现小型项目,适合验证想法或开发 MVP(最小可行产品)。

4.2 基于项目需求的选择建议

以下是根据常见场景的具体选择建议:

场景一:图像分类应用

  • 需求 :对大规模图像进行分类或识别,涉及复杂的卷积神经网络(CNN)。
  • 推荐选择TensorFlow.js 。支持复杂模型架构,通过 WebGL 提供高效的硬件加速,适合处理大量图像数据。

场景二:实时数据分析与预测

  • 需求:对传感器数据进行实时监测和分析,预测未来趋势(如气象预测、股票走势)。
  • 推荐选择Brain.js。其轻量化和快速实现的特性非常适合实时数据处理和快速部署。

场景三:自然语言处理(NLP)应用

  • 需求:需要对文本数据进行分类、情感分析或对话生成。
  • 推荐选择TensorFlow.js 。支持循环神经网络(RNN)、Transformer 等复杂模型,能处理 NLP 任务的高维数据和复杂结构。

场景四:个性化推荐系统

  • 需求:根据用户行为推荐商品或内容。

  • 推荐选择

    • 如果推荐系统复杂,涉及神经协同过滤或深度学习模型,选择 TensorFlow.js
    • 如果系统较为简单,仅需基于用户行为的规则实现,Brain.js 是更高效的选择。

场景五:快速原型开发与实验

  • 需求:验证机器学习模型效果或快速开发实验性产品。
  • 推荐选择Brain.js。它提供简洁的接口和快速训练功能,适合快速搭建和迭代。

结论:最终选择

通过对 TensorFlow.jsBrain.js 的详细对比,可以帮助开发者根据项目需求和个人技能做出最佳选择。以下是两者的优缺点总结及适用场景的建议。

TensorFlow.js 优缺点

优点:

  1. 功能全面 :支持复杂的深度学习模型(如 CNNRNNGAN),适用于广泛的机器学习任务,包括图像识别、自然语言处理和语音处理等。
  2. 跨平台支持 :可运行于浏览器和 Node.js 环境,灵活部署于多种平台。
  3. 性能卓越 :利用 WebGL 实现硬件加速,适合高性能需求,尤其是大规模数据处理。
  4. 强大的生态系统 :依托 TensorFlow 生态,拥有丰富的预训练模型、教程和社区支持,为开发者提供充足资源。

缺点:

  1. 学习门槛较高:功能复杂,适合有机器学习基础的开发者,初学者可能需要投入较多时间学习。
  2. 库体积较大:功能的多样性导致库体积偏大,可能影响浏览器加载速度和资源消耗。

Brain.js 优缺点

优点:

  1. 轻量级与易用性:设计简单,API 直观,非常适合快速开发和机器学习初学者。
  2. 小巧体积:库文件体积小,适合嵌入前端应用,对网页加载影响小。
  3. 支持基础模型 :支持前馈神经网络和 LSTM,能满足大多数基础机器学习任务。
  4. 快速上手:开发者无需深厚的机器学习知识,能够快速实现简单神经网络应用。

缺点:

  1. 功能较为局限:不支持复杂深度学习模型,难以满足高阶任务需求。
  2. 性能有限 :轻量设计决定其在大规模数据处理中的性能不如 TensorFlow.js

适用场景与开发者建议

初学者或简单任务

  • 选择Brain.js
  • 理由:适合刚接触机器学习的开发者,或处理简单分类、时间序列预测等基础任务。其平缓的学习曲线和快速开发特性,帮助初学者快速上手。

经验丰富的开发者或复杂任务

  • 选择TensorFlow.js
  • 理由:适合处理复杂的深度学习任务,如大规模图像识别、自然语言处理或实时视频分析。提供灵活的 API 和强大的计算能力,满足高性能需求。

小型项目与快速开发

  • 选择Brain.js
  • 理由:适合快速构建原型和简单的神经网络任务,易于维护,开发效率高。

大规模应用与高性能需求

  • 选择TensorFlow.js
  • 理由:其强大的加速能力和复杂模型支持,使其成为生产级应用的理想选择,尤其适合需要 GPU 加速的大规模任务。

结语

通过本文的对比,读者可以清晰了解 TensorFlow.jsBrain.js 在功能、性能、学习曲线、适用场景等方面的显著差异。选择最适合的库时,需要综合考虑项目的复杂度、团队的技术背景以及性能需求。

如果你的项目需要处理复杂的深度学习任务,并且需要高性能计算与广泛的社区支持,TensorFlow.js 是不二之选。它功能强大、生态丰富,适合图像识别、自然语言处理等高需求场景。而如果你只是进行小型神经网络实验,或需要快速原型开发,Brain.js 提供了更简洁易用的解决方案,是初学者和小型项目开发者的理想选择。

无论选择哪个库,充分了解它们的优势与限制,将帮助你在项目开发中高效使用这些工具,成功实现你的前端 AI 开发目标。


附录:对比表格

以下对比表格总结了 TensorFlow.jsBrain.js 在关键维度上的差异,帮助读者快速决策:

特性 TensorFlow.js Brain.js
GitHub 星标数量 18.6K 14.5K
功能复杂度 高,支持复杂的深度学习模型(CNN, RNN, GAN等) 低,支持基础前馈神经网络和LSTM网络
学习曲线 陡峭,适合有深度学习经验的开发者 平缓,适合初学者和快速原型开发
使用场景 复杂场景,如大规模数据处理、图像识别、语音处理等 小型项目,如简单分类任务、时间序列预测
支持的模型类型 多种类型(CNN, RNN, GAN等复杂模型) 基础类型(前馈神经网络、LSTM等)
性能优化 支持 WebGL 加速和 GPU 并行计算,适合高性能需求 不支持硬件加速,适合小规模数据处理
开发平台 浏览器和 Node.js 环境,跨平台支持 主要用于浏览器,也支持 Node.js
社区支持与文档 丰富的生态系统,拥有大量教程、示例和预训练模型资源 社区较小但活跃,文档简单直观
易用性 API 较复杂,适合有深度学习背景的开发者 API 简洁,适合初学者和快速开发
适用开发者 高阶开发者,有深度学习基础 初学者及快速实现简单任务的开发者
体积与资源消耗 库文件较大,可能影响加载速度 体积小,对网页性能影响较小
训练与推理能力 支持复杂模型的训练与推理,适合高需求场景 适合简单任务的训练与推理
预训练模型支持 支持从 TensorFlow Hub 加载预训练模型 不支持广泛预训练模型,主要用于自定义训练

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