使用飞桨探索电影推荐

本章我们探讨基于深度学习模型实现电影推荐系统，同时利用用户特征、电影特征和用户对电影的评分数据。

在开始动手实践之前，我们先来分析一下数据集和模型设计方案。

数据集介绍

个性化推荐算法的数据大多是文本和图像。比如网易云音乐推荐中，数据是音乐的名字、歌手、音乐类型等文本数据。抖音视频推荐中，数据是视频或图像数据。也有可能同时使用图像和文本数据，比如YouTuBe的视频推荐算法中，会同时考虑用户信息和视频类别、视频内容信息。

本次实践我们采用ml-1m电影推荐数据集，它是GroupLens Research从MovieLens网站上收集并提供的电影评分数据集。包含了6000多位用户对近3900个电影的共100万条评分数据，评分均为1～5的整数，其中每个电影的评分数据至少有20条。该数据集包含三个数据文件，分别是：

• users.dat，存储用户属性信息的txt格式文件。
• movies.dat，存储电影属性信息的txt格式文件。
• ratings.dat， 存储电影评分信息的txt格式文件。

另外，为了验证电影推荐的影响因素，我们还从网上获取到了部分电影的海报图像。现实生活中，相似风格的电影在海报设计上也有一定的相似性，比如暗黑系列和喜剧系列的电影海报风格是迥异的。所以在进行推荐时，可以验证一下加入海报后，对推荐结果的影响。 电影海报图像在posters文件夹下，海报图像的名字以"mov_id" + 电影ID + ".png"的方式命名。由于这里的电影海报图像有缺失，我们整理了一个新的评分数据文件，新的文件中包含的电影均是有海报数据的，因此，本次实践使用的数据集在ml-1m基础上增加了两份数据：

• posters/ , 包含电影海报图像。
• new_rating.txt， 存储包含海报图像的新评分数据文件。

用户数据、电影数据和评分数据包含的特征样例如下表所示。

其中部分数据并不具有真实的含义，而是编号。年龄编号和部分职业编号的含义如下表所示。

海报对应着尺寸大约为180*270的图片，每张图片尺寸稍有差别。

图7：1号海报的图片

从样例的特征数据中，我们可以分析出特征一共有四类：

• ID类特征：UserID、MovieID、Gender、Age、Occupation，内容为ID值，前两个ID映射到具体用户和电影，后三个ID会映射到具体分档。
• 列表类特征：Genres，每个电影会有多个类别标签，内容是对应着几个ID值的列表。
• 图像类特征：Poster，内容是一张180*270的图片。
• 文本类特征：Title，内容是一段英文文本。

因为特征数据有四种不同类型，所以构建模型网络的输入层预计也会有四种子结构。

如何实现推荐

如何从上述数据中实现推荐系统呢？首先思考下，推荐系统究竟需要什么？

如果能将用户A的原始特征转变成一种代表用户A喜好的特征向量，将电影1的原始特征转变成一种代表电影1特性的特征向量。那么，我们计算两个向量的相似度，就可以代表用户A对电影1的喜欢程度。据此，推荐系统可以如此构建：

假如给用户A推荐，计算电影库中“每一个电影的特征向量”与“用户A的特征向量”的余弦相似度，根据相似度排序电影库，取 Top k的电影推荐给A。

图8：推荐系统设计

这样设计的核心是两个特征向量的有效性，会决定推荐的效果。

如何获得有效特征

那么，怎么获取两种有效代表用户和电影的特征向量？

首先，我们要明确什么是“有效”？对于用户评分较高的电影，电影的特征向量和用户的特征向量应该高度相似，反之则相异。

我们已经获得到大量评分样本，以此可以构建一个训练模型如下图所示。根据用户对电影的评分样本，学习出用户特征向量和电影特征向量的计算方案（红色箭头）。

图9：训练模型

• 第一层结构：特征变换，原始特征集合变换为两个特征向量。

• 第二层结构：计算向量相似度。为确保结果与电影评分可比较，两个特征向量的相似度从【0~1】缩放5倍到【0~5】。

• 第三层结构：计算Loss，计算缩放后的相似度【0~5】与用户对电影的真实评分【0~5】的“平方误差”。

以在训练样本上的Loss最小化为目标，即可学习出模型的网络参数，这些网络参数本质上就是从原始特征集合到特征向量的计算方法，如红色箭头所示。根据训练好的网络，我们可以计算任意用户和电影向量的相似度，进一步完成推荐。

从原始特征到特征向量之间是怎样设计的？

基于上面的分析，推荐模型的网络结构初步设想如下。

图10：推荐模型的网络结构设想

将每个原始特征转变成Embedding表示，再合并成一个用户特征向量和一个电影特征向量。计算两个特征向量的相似度后，与训练样本（已知的用户对电影的评分）做损失计算。

但不同类型的原始特征应该如何变换？网络设计的细节是怎样的？我们将在后续几节结合代码实现逐一探讨，包括四个小节：

• 数据处理。将MovieLens的数据处理成神经网络理解的形式。
• 模型设计。设计神经网络模型，将离散的文字数据映射为向量。
• 配置训练参数并完成训练，提取并保存训练后的数据特征。
• 利用保存的特征构建相似度矩阵完成推荐。