今天笔者来介绍另一个推荐召回领域比较经典的算法YotubeDNN,此论文由YouTube团队发表于2016年提出，提出了一个完整的采用深度学习进行推荐的架构。其召回模块目前已经成为深度召回算法中的经典。
YotubeDNN模型架构
YotubeDNN召回模型的架构很简单，如下图所示
（1）将用户特征Eembeding后输入到DNN，生成用户向量，让后和Item的Eembeding向量进行cosine 距离计算。
（2）其中Item的Eembeding向量 也在用户历史点击特征中使用。
（3）训练过程中，采用softmax 损失 + 负采样的方式。
（4）部署时为了加快召回的速度，根据user embedding和item imbedding使用ann的方法进行召回
image.png
Item向量的共享
YotubeDNN的第一个好处就是item侧，没有使用任何商品的特征，这对于有些很难得到商品特征的场景非常友好，而且YotubeDNN的 item向量和 用户的历史点击item向量权重共享，某种程度上加深了用户特征和商品特征的交互。
训练方式采用的是Sampled Softmax
YotubeDNN采用的是softmax多分类进行模型训练。要计算user和 千万级别的item 之间的相似度，然后通过softmax层时运算量极大。
所以通过sample负采样。将正负样本比例变为大降低了多分类训练求解过程的计算量。至于为啥不采用 binary cross entropy进行loss计算呢。
笔者在网上找到两个版本的答案：
- 采样softmax多分类可以一次性更新多个样本的Embeding参数。而 binary cross entropy 一次只能更新一个样本。
- softmax多分类可以理解list-wise的训练过程，有对比学习的思想在其中，将正负样本的差异性拉大。
笔者文章的结语部分也做了一个简单的实验，去验证了负采样的样本个数对模型的效果有很大的影响。
实战部分
import sys
import os
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler, LabelEncoder
from torch_rechub.models.matching import DSSM,YoutubeDNN
from torch_rechub.trainers import MatchTrainer
from torch_rechub.basic.features import DenseFeature, SparseFeature, SequenceFeature
from torch_rechub.utils.match import generate_seq_feature_match, gen_model_input
from torch_rechub.utils.data import df_to_dict, MatchDataGenerator
# from movielens_utils import match_evaluation
数据加载
通过下方代码进行数据加载
data_path = "./"
unames = ['user_id', 'gender', 'age', 'occupation', 'zip']
user = pd.read_csv(data_path+'ml-1m/users.dat',sep='::', header=None, names=unames)
rnames = ['user_id', 'movie_id', 'rating','timestamp']
ratings = pd.read_csv(data_path+'ml-1m/ratings.dat', sep='::', header=None, names=rnames)
mnames = ['movie_id', 'title', 'genres']
movies = pd.read_csv(data_path+'ml-1m/movies.dat', sep='::', header=None, names=mnames)
data = pd.merge(pd.merge(ratings,movies),user)#.iloc[:10000]
data = data.sample(100000)
image.png
训练数据生成
采用下方代码去处理上面数据，从下方代码可知：
用户塔的输入：user_cols = ['user_id', 'gender', 'age', 'occupation','zip','hist_movie_id']。这里面'user_id', 'gender', 'age', 'occupation', 'zip'为类别特征，采用embeding 层映射成16维向量。'hist_movie_id'为序列特征，将用户历史点击的moive_id 向量取平均。
物品塔的输入: item_cols = ['movie_id',]，这里面'movie_id'，采用embeding 层映射成16维向量。
需要注意的是 用户的hist_movie_id特征和物品的movie_id特征共享一个embeding层权重。
负采样使用的word2vec的采样方式，每个正样本采样40个负样本。
需要注意的是这版实现的 yotubeDnn 最终将输入输出处理成下方的样式：
输入 ：[ 正样本，负样本1，负样本2, ... , 负样本40 ]
label : [1,0,0,...,0] （1个1，40零）
从而实现Sampled Softmax 训练。
def get_movielens_data(data, load_cache=False):
data["cate_id"] = data["genres"].apply(lambda x: x.split("|")[0])
sparse_features = ['user_id', 'movie_id', 'gender', 'age', 'occupation', 'zip', "cate_id"]
user_col, item_col = "user_id", "movie_id"
feature_max_idx = {}
for feature in sparse_features:
lbe = LabelEncoder()
data[feature] = lbe.fit_transform(data[feature]) + 1
feature_max_idx[feature] = data[feature].max() + 1
if feature == user_col:
user_map = {encode_id + 1: raw_id for encode_id, raw_id in enumerate(lbe.classes_)} #encode user id: raw user id
if feature == item_col:
item_map = {encode_id + 1: raw_id for encode_id, raw_id in enumerate(lbe.classes_)} #encode item id: raw item id
np.save("./data/raw_id_maps.npy", np.array((user_map, item_map), dtype=object))
user_profile = data[["user_id", "gender", "age", "occupation", "zip"]].drop_duplicates('user_id')
item_profile = data[["movie_id", "cate_id"]].drop_duplicates('movie_id')
if load_cache: #if you have run this script before and saved the preprocessed data
x_train, y_train, x_test, y_test = np.load("./data/data_preprocess.npy", allow_pickle=True)
else:
df_train, df_test = generate_seq_feature_match(data,
user_col,
item_col,
time_col="timestamp",
item_attribute_cols=[],
sample_method=2,
mode=2,
neg_ratio=40,
min_item=0)
x_train = gen_model_input(df_train, user_profile, user_col, item_profile, item_col, seq_max_len=20)
y_train = np.array([0] * df_train.shape[0]) #label=0 means the first pred value is positive sample
x_test = gen_model_input(df_test, user_profile, user_col, item_profile, item_col, seq_max_len=20)
y_test= np.array([0] * df_test.shape[0])
np.save("./data/data_preprocess.npy", np.array((x_train, y_train, x_test, y_test), dtype=object))
user_cols = ['user_id', 'gender', 'age', 'occupation', 'zip']
item_cols = ['movie_id', "cate_id"]
user_features = [SparseFeature(name, vocab_size=feature_max_idx[name], embed_dim=16) for name in user_cols]
user_features += [
SequenceFeature("hist_movie_id",
vocab_size=feature_max_idx["movie_id"],
embed_dim=16,
pooling="mean",
shared_with="movie_id")
]
item_features = [SparseFeature('movie_id', vocab_size=feature_max_idx['movie_id'], embed_dim=16)]
neg_item_feature = [
SequenceFeature('neg_items',
vocab_size=feature_max_idx['movie_id'],
embed_dim=16,
pooling="concat",
shared_with="movie_id")
]
all_item = df_to_dict(item_profile)
test_user = x_test
return user_features, item_features, neg_item_feature, x_train, y_train, all_item, test_user
user_features, item_features, neg_item_feature, x_train, y_train, all_item, test_user = get_movielens_data(data,load_cache=False)
dg = MatchDataGenerator(x=x_train, y=y_train)
image.png
模型训练
定义好训练参数，batch_size,学习率等，就开始训练了。需要注意的是笔者的temperature设置的为0.02，意味着将用户和物品 cosine距离值放大了2倍，然后去做训练。
model_name="yotube"
epoch=2
learning_rate=0.01
batch_size=48
weight_decay=0.0001
device="cpu"
save_dir="./result"
seed=1024
if not os.path.exists(save_dir):
os.makedirs(save_dir)
torch.manual_seed(seed)
model = YoutubeDNN(user_features, item_features, neg_item_feature, user_params={"dims": [128, 64, 16]}, temperature=0.5)
#mode=1 means pair-wise learning
trainer = MatchTrainer(model,
mode=2,
optimizer_params={
"lr": learning_rate,
"weight_decay": weight_decay
},
n_epoch=epoch,
device=device,
model_path=save_dir)
train_dl, test_dl, item_dl = dg.generate_dataloader(test_user, all_item, batch_size=batch_size)
trainer.fit(train_dl)
训练了2轮，可以看到loss在逐步下降。
image.png
模型效果评估
采用下方代码进行效果评估，主要步骤就是：
将所有电影的向量通过模型的物品塔预测出来，并存入到ANN索引中，这了采样了annoy这个ann检索库。
将测试集的用户向量通过模型的用户塔预测出来。然后在ann索引中进行topk距离最近的电影检索，返回 作为topk召回。
最后看看用户真实点击的电影有多少个在topK召回中
"""
util function for movielens data.
"""
import collections
import numpy as np
import pandas as pd
from torch_rechub.utils.match import Annoy
from torch_rechub.basic.metric import topk_metrics
from collections import Counter
def match_evaluation(user_embedding, item_embedding, test_user, all_item, user_col='user_id', item_col='movie_id',
raw_id_maps="./data/raw_id_maps.npy", topk=100):
print("evaluate embedding matching on test data")
annoy = Annoy(n_trees=10)
annoy.fit(item_embedding)
#for each user of test dataset, get ann search topk result
print("matching for topk")
user_map, item_map = np.load(raw_id_maps, allow_pickle=True)
match_res = collections.defaultdict(dict) # user id -> predicted item ids
for user_id, user_emb in zip(test_user[user_col], user_embedding):
if len(user_emb.shape)==2:
#多兴趣召回
items_idx = []
items_scores = []
for i in range(user_emb.shape[0]):
temp_items_idx, temp_items_scores = annoy.query(v=user_emb[i], n=topk) # the index of topk match items
items_idx += temp_items_idx
items_scores += temp_items_scores
temp_df = pd.DataFrame()
temp_df['item'] = items_idx
temp_df['score'] = items_scores
temp_df = temp_df.sort_values(by='score', ascending=True)
temp_df = temp_df.drop_duplicates(subset=['item'], keep='first', inplace=False)
recall_item_list = temp_df['item'][:topk].values
match_res[user_map[user_id]] = np.vectorize(item_map.get)(all_item[item_col][recall_item_list])
else:
#普通召回
items_idx, items_scores = annoy.query(v=user_emb, n=topk) #the index of topk match items
match_res[user_map[user_id]] = np.vectorize(item_map.get)(all_item[item_col][items_idx])
#get ground truth
print("generate ground truth")
data = pd.DataFrame({user_col: test_user[user_col], item_col: test_user[item_col]})
data[user_col] = data[user_col].map(user_map)
data[item_col] = data[item_col].map(item_map)
user_pos_item = data.groupby(user_col).agg(list).reset_index()
ground_truth = dict(zip(user_pos_item[user_col], user_pos_item[item_col])) # user id -> ground truth
print("compute topk metrics")
out = topk_metrics(y_true=ground_truth, y_pred=match_res, topKs=[topk])
print(out)
print("inference embedding")
user_embedding = trainer.inference_embedding(model=model, mode="user", data_loader=test_dl, model_path=save_dir)
item_embedding = trainer.inference_embedding(model=model, mode="item", data_loader=item_dl, model_path=save_dir)
match_evaluation(user_embedding, item_embedding, test_user, all_item, topk=100)
评估结果如下. Hit@100为0.233. 表示召回的100个电影中，有17个是用户会点击观看的。
image.png
实验以及结语
笔者在 负采样个数以及采样方法这两个因素上进行了一个小小的实验，发现负采样的个数越多，模型的评估指标效果越好。猜测可能由于负采样的个数决定了一次训练模型更新的item的向量个数。sample softmax 时候负采样的个数越多，item向量训练的就充分，最终导致了模型的效果变好，同时我们也可以看到，不同的采样方式对模型的效果也有着极大的影响。在这份数据集上，流行度的负采样方式比词向量负采样的方式要好。所以，我们可以发现负采样个数以及负采样的方法对yutobeDNN的召回效果有着极大的影响。
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