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PaddlePaddle / book

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......@@ -121,8 +121,9 @@ Paddle在API中提供了自动加载数据的模块。数据模块为 `paddle.da
```python
import paddle.v2 as paddle
paddle.init(use_gpu=False)
import paddle
movie_info = paddle.dataset.movielens.movie_info()
print movie_info.values()[0]
```
......@@ -210,241 +211,304 @@ print "User %s rates Movie %s with Score %s"%(user_info[uid], movie_info[mov_id]
## 模型配置说明
下面我们开始根据输入数据的形式配置模型。
下面我们开始根据输入数据的形式配置模型。首先引入所需的库函数以及定义全局变量。
```python
uid = paddle.layer.data(
name='user_id',
type=paddle.data_type.integer_value(
paddle.dataset.movielens.max_user_id() + 1))
usr_emb = paddle.layer.embedding(input=uid, size=32)
usr_fc = paddle.layer.fc(input=usr_emb, size=32)
usr_gender_id = paddle.layer.data(
name='gender_id', type=paddle.data_type.integer_value(2))
usr_gender_emb = paddle.layer.embedding(input=usr_gender_id, size=16)
usr_gender_fc = paddle.layer.fc(input=usr_gender_emb, size=16)
usr_age_id = paddle.layer.data(
name='age_id',
type=paddle.data_type.integer_value(
len(paddle.dataset.movielens.age_table)))
usr_age_emb = paddle.layer.embedding(input=usr_age_id, size=16)
usr_age_fc = paddle.layer.fc(input=usr_age_emb, size=16)
usr_job_id = paddle.layer.data(
name='job_id',
type=paddle.data_type.integer_value(
paddle.dataset.movielens.max_job_id() + 1))
usr_job_emb = paddle.layer.embedding(input=usr_job_id, size=16)
usr_job_fc = paddle.layer.fc(input=usr_job_emb, size=16)
import math
import sys
import numpy as np
import paddle
import paddle.fluid as fluid
import paddle.fluid.layers as layers
import paddle.fluid.nets as nets
IS_SPARSE = True
USE_GPU = False
BATCH_SIZE = 256
```
如上述代码所示，对于每个用户，我们输入4维特征。其中包括`user_id`,`gender_id`,`age_id`,`job_id`。这几维特征均是简单的整数值。为了后续神经网络处理这些特征方便，我们借鉴NLP中的语言模型，将这几维离散的整数值，变换成embedding取出。分别形成`usr_emb`, `usr_gender_emb`, `usr_age_emb`, `usr_job_emb`。
然后为我们的用户特征综合模型定义模型配置
```python
usr_combined_features = paddle.layer.fc(
input=[usr_fc, usr_gender_fc, usr_age_fc, usr_job_fc],
size=200,
act=paddle.activation.Tanh())
def get_usr_combined_features():
USR_DICT_SIZE = paddle.dataset.movielens.max_user_id() + 1
uid = layers.data(name='user_id', shape=[1], dtype='int64')
usr_emb = layers.embedding(
input=uid,
dtype='float32',
size=[USR_DICT_SIZE, 32],
param_attr='user_table',
is_sparse=IS_SPARSE)
usr_fc = layers.fc(input=usr_emb, size=32)
USR_GENDER_DICT_SIZE = 2
usr_gender_id = layers.data(name='gender_id', shape=[1], dtype='int64')
usr_gender_emb = layers.embedding(
input=usr_gender_id,
size=[USR_GENDER_DICT_SIZE, 16],
param_attr='gender_table',
is_sparse=IS_SPARSE)
usr_gender_fc = layers.fc(input=usr_gender_emb, size=16)
USR_AGE_DICT_SIZE = len(paddle.dataset.movielens.age_table)
usr_age_id = layers.data(name='age_id', shape=[1], dtype="int64")
usr_age_emb = layers.embedding(
input=usr_age_id,
size=[USR_AGE_DICT_SIZE, 16],
is_sparse=IS_SPARSE,
param_attr='age_table')
usr_age_fc = layers.fc(input=usr_age_emb, size=16)
USR_JOB_DICT_SIZE = paddle.dataset.movielens.max_job_id() + 1
usr_job_id = layers.data(name='job_id', shape=[1], dtype="int64")
usr_job_emb = layers.embedding(
input=usr_job_id,
size=[USR_JOB_DICT_SIZE, 16],
param_attr='job_table',
is_sparse=IS_SPARSE)
usr_job_fc = layers.fc(input=usr_job_emb, size=16)
concat_embed = layers.concat(
input=[usr_fc, usr_gender_fc, usr_age_fc, usr_job_fc], axis=1)
usr_combined_features = layers.fc(input=concat_embed, size=200, act="tanh")
return usr_combined_features
```
如上述代码所示，对于每个用户，我们输入4维特征。其中包括user_id,gender_id,age_id,job_id。这几维特征均是简单的整数值。为了后续神经网络处理这些特征方便，我们借鉴NLP中的语言模型，将这几维离散的整数值，变换成embedding取出。分别形成usr_emb, usr_gender_emb, usr_age_emb, usr_job_emb。
然后，我们对于所有的用户特征，均输入到一个全连接层(fc)中。将所有特征融合为一个200维度的特征。
进而，我们对每一个电影特征做类似的变换，网络配置为:
```python
mov_id = paddle.layer.data(
name='movie_id',
type=paddle.data_type.integer_value(
paddle.dataset.movielens.max_movie_id() + 1))
mov_emb = paddle.layer.embedding(input=mov_id, size=32)
mov_fc = paddle.layer.fc(input=mov_emb, size=32)
mov_categories = paddle.layer.data(
name='category_id',
type=paddle.data_type.sparse_binary_vector(
len(paddle.dataset.movielens.movie_categories())))
mov_categories_hidden = paddle.layer.fc(input=mov_categories, size=32)
movie_title_dict = paddle.dataset.movielens.get_movie_title_dict()
mov_title_id = paddle.layer.data(
name='movie_title',
type=paddle.data_type.integer_value_sequence(len(movie_title_dict)))
mov_title_emb = paddle.layer.embedding(input=mov_title_id, size=32)
mov_title_conv = paddle.networks.sequence_conv_pool(
input=mov_title_emb, hidden_size=32, context_len=3)
mov_combined_features = paddle.layer.fc(
input=[mov_fc, mov_categories_hidden, mov_title_conv],
size=200,
act=paddle.activation.Tanh())
```
def get_mov_combined_features():
电影ID和电影类型分别映射到其对应的特征隐层。对于电影标题名称(title)，一个ID序列表示的词语序列，在输入卷积层后，将得到每个时间窗口的特征（序列特征），然后通过在时间维度降采样得到固定维度的特征，整个过程在sequence_conv_pool实现。
MOV_DICT_SIZE = paddle.dataset.movielens.max_movie_id() + 1
最后再将电影的特征融合进`mov_combined_features`中。
mov_id = layers.data(name='movie_id', shape=[1], dtype='int64')
mov_emb = layers.embedding(
input=mov_id,
dtype='float32',
size=[MOV_DICT_SIZE, 32],
param_attr='movie_table',
is_sparse=IS_SPARSE)
```python
inference = paddle.layer.cos_sim(a=usr_combined_features, b=mov_combined_features, size=1, scale=5)
```
mov_fc = layers.fc(input=mov_emb, size=32)
进而，我们使用余弦相似度计算用户特征与电影特征的相似性。并将这个相似性拟合(回归)到用户评分上。
CATEGORY_DICT_SIZE = len(paddle.dataset.movielens.movie_categories())
category_id = layers.data(
name='category_id', shape=[1], dtype='int64', lod_level=1)
```python
cost = paddle.layer.square_error_cost(
input=inference,
label=paddle.layer.data(
name='score', type=paddle.data_type.dense_vector(1)))
```
mov_categories_emb = layers.embedding(
input=category_id, size=[CATEGORY_DICT_SIZE, 32], is_sparse=IS_SPARSE)
至此，我们的优化目标就是这个网络配置中的`cost`了。
mov_categories_hidden = layers.sequence_pool(
input=mov_categories_emb, pool_type="sum")
## 训练模型
MOV_TITLE_DICT_SIZE = len(paddle.dataset.movielens.get_movie_title_dict())
### 定义参数
神经网络的模型，我们可以简单的理解为网络拓朴结构+参数。之前一节，我们定义出了优化目标`cost`。这个`cost`即为网络模型的拓扑结构。我们开始训练模型，需要先定义出参数。定义方法为:
mov_title_id = layers.data(
name='movie_title', shape=[1], dtype='int64', lod_level=1)
mov_title_emb = layers.embedding(
input=mov_title_id, size=[MOV_TITLE_DICT_SIZE, 32], is_sparse=IS_SPARSE)
```python
parameters = paddle.parameters.create(cost)
```
mov_title_conv = nets.sequence_conv_pool(
input=mov_title_emb,
num_filters=32,
filter_size=3,
act="tanh",
pool_type="sum")
concat_embed = layers.concat(
input=[mov_fc, mov_categories_hidden, mov_title_conv], axis=1)
[INFO 2017-03-06 17:12:13,284 networks.py:1472] The input order is [user_id, gender_id, age_id, job_id, movie_id, category_id, movie_title, score]
[INFO 2017-03-06 17:12:13,287 networks.py:1478] The output order is [__square_error_cost_0__]
mov_combined_features = layers.fc(input=concat_embed, size=200, act="tanh")
return mov_combined_features
```
`parameters`是模型的所有参数集合。他是一个python的dict。我们可以查看到这个网络中的所有参数名称。因为之前定义模型的时候，我们没有指定参数名称，这里参数名称是自动生成的。当然，我们也可以指定每一个参数名称，方便日后维护。
电影标题名称(title)是一个序列的整数，整数代表的是这个词在索引序列中的下标。这个序列会被送入 `sequence_conv_pool` 层，这个层会在时间维度上使用卷积和池化。因为如此，所以输出会是固定长度，尽管输入的序列长度各不相同。
最后，我们定义一个`inference_program`来使用余弦相似度计算用户特征与电影特征的相似性。
```python
print parameters.keys()
def inference_program():
usr_combined_features = get_usr_combined_features()
mov_combined_features = get_mov_combined_features()
inference = layers.cos_sim(X=usr_combined_features, Y=mov_combined_features)
scale_infer = layers.scale(x=inference, scale=5.0)
return scale_infer
```
[u'___fc_layer_2__.wbias', u'___fc_layer_2__.w2', u'___embedding_layer_3__.w0', u'___embedding_layer_5__.w0', u'___embedding_layer_2__.w0', u'___embedding_layer_1__.w0', u'___fc_layer_1__.wbias', u'___fc_layer_0__.wbias', u'___fc_layer_1__.w0', u'___fc_layer_0__.w2', u'___fc_layer_0__.w3', u'___fc_layer_0__.w0', u'___fc_layer_0__.w1', u'___fc_layer_2__.w1', u'___fc_layer_2__.w0', u'___embedding_layer_4__.w0', u'___sequence_conv_pool_0___conv_fc.w0', u'___embedding_layer_0__.w0', u'___sequence_conv_pool_0___conv_fc.wbias']
进而，我们定义一个`train_program`来使用`inference_program`计算出的结果，在标记数据的帮助下来计算误差。我们还定义了一个`optimizer_func`来定义优化器。
```python
def train_program():
scale_infer = inference_program()
### 构造训练(trainer)
label = layers.data(name='score', shape=[1], dtype='float32')
square_cost = layers.square_error_cost(input=scale_infer, label=label)
avg_cost = layers.mean(square_cost)
下面，我们根据网络拓扑结构和模型参数来构造出一个本地训练(trainer)。在构造本地训练的时候，我们还需要指定这个训练的优化方法。这里我们使用Adam来作为优化算法。
return [avg_cost, scale_infer]
```python
trainer = paddle.trainer.SGD(cost=cost, parameters=parameters,
update_equation=paddle.optimizer.Adam(learning_rate=1e-4))
def optimizer_func():
return fluid.optimizer.SGD(learning_rate=0.2)
```
[INFO 2017-03-06 17:12:13,378 networks.py:1472] The input order is [user_id, gender_id, age_id, job_id, movie_id, category_id, movie_title, score]
[INFO 2017-03-06 17:12:13,379 networks.py:1478] The output order is [__square_error_cost_0__]
## 训练模型
### 训练
### 定义训练环境
定义您的训练环境，可以指定训练是发生在CPU还是GPU上。
下面我们开始训练过程。
```python
use_cuda = False
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()
```
### 定义数据提供器
下一步是为训练和测试定义数据提供器。提供器读入一个大小为 `BATCH_SIZE`的数据。`paddle.dataset.movielens.train` 每次会在乱序化后提供一个大小为`BATCH_SIZE`的数据，乱序化的大小为缓存大小`buf_size`。
我们直接使用Paddle提供的数据集读取程序。`paddle.dataset.movielens.train()`和`paddle.dataset.movielens.test()`分别做训练和预测数据集。并且通过`feeding`来指定每一个数据和data_layer的对应关系。
```python
train_reader = paddle.batch(
paddle.reader.shuffle(
paddle.dataset.movielens.train(), buf_size=8192),
batch_size=BATCH_SIZE)
例如，这里的feeding表示的是，对于数据层 `user_id`，使用了reader中每一条数据的第0个元素。`gender_id`数据层使用了第1个元素。以此类推。
test_reader = paddle.batch(
paddle.dataset.movielens.test(), batch_size=BATCH_SIZE)
```
### 构造训练器(trainer)
训练器需要一个训练程序和一个训练优化函数。
```python
feeding = {
'user_id': 0,
'gender_id': 1,
'age_id': 2,
'job_id': 3,
'movie_id': 4,
'category_id': 5,
'movie_title': 6,
'score': 7
}
trainer = fluid.Trainer(
train_func=train_program, place=place, optimizer_func=optimizer_func)
```
训练过程是完全自动的。我们可以使用event_handler与event_handler_plot来观察训练过程，或进行测试等。这里我们在event_handler_plot里面绘制了训练误差曲线和测试误差曲线。并且保存了模型。
### 提供数据
`feed_order`用来定义每条产生的数据和`paddle.layer.data`之间的映射关系。比如，`movielens.train`产生的第一列的数据对应的是`user_id`这个特征。
```python
def event_handler(event):
if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
if event.batch_id % 100 == 0:
print "Pass %d Batch %d Cost %.2f" % (
event.pass_id, event.batch_id, event.cost)
feed_order = [
'user_id', 'gender_id', 'age_id', 'job_id', 'movie_id', 'category_id',
'movie_title', 'score'
]
```
### 事件处理器
回调函数`event_handler`在一个之前定义好的事件发生后会被调用。例如，我们可以在每步训练结束后查看误差。
```python
from paddle.v2.plot import Ploter
# Specify the directory path to save the parameters
params_dirname = "recommender_system.inference.model"
train_title = "Train cost"
from paddle.v2.plot import Ploter
test_title = "Test cost"
cost_ploter = Ploter(train_title, test_title)
plot_cost = Ploter(test_title)
step = 0
def event_handler(event):
if isinstance(event, fluid.EndStepEvent):
avg_cost_set = trainer.test(
reader=test_reader, feed_order=feed_order)
def event_handler_plot(event):
global step
if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
if step % 10 == 0: # every 10 batches, record a train cost
cost_ploter.append(train_title, step, event.cost)
# get avg cost
avg_cost = np.array(avg_cost_set).mean()
if step % 1000 == 0: # every 1000 batches, record a test cost
result = trainer.test(
reader=paddle.batch(
paddle.dataset.movielens.test(), batch_size=256),
feeding=feeding)
cost_ploter.append(test_title, step, result.cost)
plot_cost.append(test_title, event.step, avg_cost_set[0])
plot_cost.plot()
if step % 100 == 0: # every 100 batches, update cost plot
cost_ploter.plot()
print("avg_cost: %s" % avg_cost)
print('BatchID {0}, Test Loss {1:0.2}'.format(event.epoch + 1,
float(avg_cost)))
step += 1
if event.step == 20: # Adjust this number for accuracy
trainer.save_params(params_dirname)
trainer.stop()
```
### 开始训练
最后，我们传入训练循环数（`num_epoch`）和一些别的参数，调用 `trainer.train` 来开始训练。
```python
trainer.train(
reader=paddle.batch(
paddle.reader.shuffle(
paddle.dataset.movielens.train(), buf_size=8192),
batch_size=256),
event_handler=event_handler_plot,
feeding=feeding,
num_passes=2)
num_epochs=1,
event_handler=event_handler,
reader=train_reader,
feed_order=feed_order)
```
![png](./image/output_32_0.png)
## 应用模型
在训练了几轮以后，您可以对模型进行推断。我们可以使用任意一个用户ID和电影ID，来预测该用户对该电影的评分。示例程序为:
### 构建预测器
传入`inference_program`和`params_dirname`来初始化一个预测器, `params_dirname`用来存放训练过程中的各个参数。
```python
import copy
user_id = 234
movie_id = 345
user = user_info[user_id]
movie = movie_info[movie_id]
inferencer = fluid.Inferencer(
inference_program, param_path=params_dirname, place=place)
```
feature = user.value() + movie.value()
### 生成测试用输入数据
使用 create_lod_tensor(data, lod, place) 的API来生成细节层次的张量。`data`是一个序列，每个元素是一个索引号的序列。`lod`是细节层次的信息，对应于`data`。比如，data = [[10, 2, 3], [2, 3]] 意味着它包含两个序列，长度分别是3和2。于是相应地 lod = [[3, 2]]，它表明其包含一层细节信息，意味着 `data` 有两个序列，长度分别是3和2。
infer_dict = copy.copy(feeding)
del infer_dict['score']
在这个预测例子中，我们试着预测用户ID为1的用户对于电影'Hunchback of Notre Dame'的评分
prediction = paddle.infer(inference, parameters=parameters, input=[feature], feeding=infer_dict)
score = (prediction[0][0] + 5.0) / 2
print "[Predict] User %d Rating Movie %d With Score %.2f"%(user_id, movie_id, score)
```python
infer_movie_id = 783
infer_movie_name = paddle.dataset.movielens.movie_info()[infer_movie_id].title
user_id = fluid.create_lod_tensor([[1]], [[1]], place)
gender_id = fluid.create_lod_tensor([[1]], [[1]], place)
age_id = fluid.create_lod_tensor([[0]], [[1]], place)
job_id = fluid.create_lod_tensor([[10]], [[1]], place)
movie_id = fluid.create_lod_tensor([[783]], [[1]], place) # Hunchback of Notre Dame
category_id = fluid.create_lod_tensor([[10, 8, 9]], [[3]], place) # Animation, Children's, Musical
movie_title = fluid.create_lod_tensor([[1069, 4140, 2923, 710, 988]], [[5]],
place) # 'hunchback','of','notre','dame','the'
```
[INFO 2017-03-06 17:17:08,132 networks.py:1472] The input order is [user_id, gender_id, age_id, job_id, movie_id, category_id, movie_title]
[INFO 2017-03-06 17:17:08,134 networks.py:1478] The output order is [__cos_sim_0__]
### 测试
现在我们可以进行预测了。我们要提供的`feed_order`应该和训练过程一致。
[Predict] User 234 Rating Movie 345 With Score 4.16
```python
results = inferencer.infer(
{
'user_id': user_id,
'gender_id': gender_id,
'age_id': age_id,
'job_id': job_id,
'movie_id': movie_id,
'category_id': category_id,
'movie_title': movie_title
},
return_numpy=False)
```
## 总结
......
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