基于TensorFlow+CNN+协同过滤算法的智能电影推荐系统——深度学习算法应用(含微信小程序、ipynb工程源码)+MovieLens数据集（二）

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前言

本项目专注于MovieLens数据集，并采用TensorFlow中的2D文本卷积网络模型。它结合了协同过滤算法来计算电影之间的余弦相似度，并通过用户的交互方式，以单击电影的方式，提供两种不同的电影推荐方式。

首先，项目使用MovieLens数据集，这个数据集包含了大量用户对电影的评分和评论。这些数据用于训练协同过滤算法，以便推荐与用户喜好相似的电影。

其次，项目使用TensorFlow中的2D文本卷积网络模型，这个模型可以处理电影的文本描述信息。模型通过学习电影的文本特征，能够更好地理解电影的内容和风格。

当用户与小程序进行交互时，有两种不同的电影推荐方式：

1. 协同过滤推荐：基于用户的历史评分和协同过滤算法，系统会推荐与用户喜好相似的电影。这是一种传统的推荐方式，通过分析用户和其他用户的行为来推荐电影。

2. 文本卷积网络推荐：用户可以通过点击电影或输入文本描述，以启动文本卷积网络模型。模型会分析电影的文本信息，并推荐与输入的电影或描述相匹配的其他电影。这种方式更注重电影的内容和情节相似性。

综合来看，本项目融合了协同过滤和深度学习技术，为用户提供了两种不同但有效的电影推荐方式。这可以提高用户体验，使他们更容易找到符合他们口味的电影。

总体设计

本部分包括系统整体结构图和系统流程图。

系统整体结构图

系统整体结构如图所示。

系统流程图

系统流程如图所示。

模型训练流程如图所示。

服务器运行流程如图所示。

运行环境

本部分包括Python环境、TensorFlow环境、 后端服务器、Django和微信小程序环境。

模块实现

本项目包括3个模块：模型训练、后端Django、 前端微信小程序模块，下面分别给出各模块的功能介绍及相关代码。

1. 模型训练

下载数据集，解压到项目目录下的./ml-1m文件夹下。数据集分用户数据users.dat、电影数据movies.dat和评分数据ratings.dat。

1）数据集分析

user.dat:分别有用户ID、性别、年龄、职业ID和邮编等字段。

数据集网站地址为http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-1m-README.txt对数据的描述：

使用UserID、Gender、Age、Occupation、Zip code分别表示用户ID、性别、年龄、职业和邮政编码，M表示男性，F表示女性。年龄范围表示:

• 1: “Under 18”
• 18: “18-24”
• 25: “25-34”
• 35: “35-44”
• 45: “45-49”
• 50: “50-55”
• 56: “56+”

职业表示:

• 0: “other” or not specified
• 1: “academic/educator”
• 2: “artist”
• 3: “clerical/admin”
• 4: “college/grad student”
• 5: “customer service”
• 6: “doctor/health care”
• 7: “executive/managerial”
• 8: “farmer”
• 9: “homemaker”
• 10: “K-12 student”
• 11: “lawyer”
• 12: “programmer”
• 13: “retired”
• 14: “sales/marketing”
• 15: “scientist”
• 16: “self-employed”
• 17: “technician/engineer”
• 18: “tradesman/craftsman”
• 19: “unemployed”
• 20: “writer”

查看user.dat中的前5个数据，相关代码如下：

# 查看 users.dat
users_title = ['UserID', 'Gender', 'Age', 'OccupationID', 'Zip-code']
users = pd.read_table('./ml-1m/users.dat', sep='::', header=None, names=users_title, engine = 'python')
users.head()

结果如图所示。

UserID、Gender、 Age和Occupation都是类别字段，其中邮编字段不使用。rating.dat数据分别有用户ID、电影ID、评分和时间戳等字段。数据集网站的描述: UserID范围为1～6040；MovieID范围 为1～3952；Rating表示评分，最高5星；Timestamp 为时间戳，每个用户至少20个评分。查看ratings.dat的前5个数据，结果如图所示，相关代码如下:

# 查看 ratings.dat
ratings_title = ['UserID','MovieID', 'Rating', 'timestamps']
ratings = pd.read_table('./ml-1m/ratings.dat', sep='::', header=None, names=ratings_title, engine = 'python')
ratings.head()

评分字段Rating是监督学习的目标，时间戳字段不使用。movies.dat数据集分别有电影ID、电影名和电影风格等字段。数据集网站的描述：

使用MovieID、Title和Genres ，其中MovieID和Genres是类别字段，Title是文本。Title与IMDB提供的标题相同(包括发行年份)，Genres是管道分隔， 并且选自以下流派：

查看movies.dat中前3个数据，结果如图所示，相关代码如下:

# 查看 movies.dat
movies_title = ['MovieID', 'Title', 'Genres']
movies = pd.read_table('./ml-1m/movies.dat', sep='::', header=None, names=movies_title, engine = 'python')
movies.head()

2）数据预处理

通过研究数据集中的字段类型，发现有一些是类别字段，将其转成独热编码，但是UserID、MovieID的字段会变稀疏，输入数据的维度急剧膨胀，所以在预处理数据时将这些字段转成数字。操作如下:

• UserID、Occupation和MovieID不变 。
• Gender字段:需要将F和M转换成0和1。
• Age字段:转成7个连续数字0~6。

Genres字段:是分类字段，要转成数字。将Genres中的类别转成字符串到数字的字典，由于部分电影是多个Genres的组合，将每个电影的Genres字段转成数字列表。

Title字段:处理方式与Genres-一样，首先，创建文本到数字的字典；其次，将Title中的描述转成数字列表，删除Title中的年份。

统一Genres和Title字段长度，这样在神经网络中方便处理。空白部分用PAD对应的数字填充。实现数据预处理相关代码如下:

#数据预处理
def load_data():
    #处理 users.dat
    users_title = ['UserID', 'Gender', 'Age', 'JobID', 'Zip-code']
    users = pd.read_table('./ml-1m/users.dat', sep='::', header=None, names=users_title, engine = 'python')
    #去除邮编
    users = users.filter(regex='UserID|Gender|Age|JobID')
    users_orig = users.values
    #改变数据中的性别和年龄
    gender_map = {'F':0, 'M':1}
    users['Gender'] = users['Gender'].map(gender_map)
    age_map = {val:ii for ii,val in enumerate(set(users['Age']))}
    users['Age'] = users['Age'].map(age_map)
    #处理 movies.dat
    movies_title = ['MovieID', 'Title', 'Genres']
    movies = pd.read_table('./ml-1m/movies.dat', sep='::', header=None, names=movies_title, engine = 'python')
    movies_orig = movies.values
    #去掉Title中的年份
    pattern = re.compile(r'^(.*)\((\d+)\)$')
    title_map = {val:pattern.match(val).group(1) for ii,val in enumerate(set(movies['Title']))}
    movies['Title'] = movies['Title'].map(title_map)
    #电影类型转数字字典
    genres_set = set()
    for val in movies['Genres'].str.split('|'):
        genres_set.update(val)
    genres_set.add('')
    genres2int = {val:ii for ii, val in enumerate(genres_set)}
    #将电影类型转成等长数字列表，长度是18
    genres_map = {val:[genres2int[row] for row in val.split('|')] for ii,val in enumerate(set(movies['Genres']))}
    for key in genres_map:
       for cnt in range(max(genres2int.values()) - len(genres_map[key])):
    genres_map[key].insert(len(genres_map[key])+ cnt,genres2int[''])
    movies['Genres'] = movies['Genres'].map(genres_map)
    #电影Title转数字字典
    title_set = set()
    for val in movies['Title'].str.split():
        title_set.update(val)
    title_set.add('')
    title2int = {val:ii for ii, val in enumerate(title_set)}
    #将电影Title转成等长数字列表，长度是15
    title_count = 15
    title_map = {val:[title2int[row] for row in val.split()] for ii,val in enumerate(set(movies['Title']))}
    for key in title_map:
        for cnt in range(title_count - len(title_map[key])):
            title_map[key].insert(len(title_map[key]) + cnt,title2int[''])
    movies['Title'] = movies['Title'].map(title_map)
    #处理 ratings.dat
    ratings_title = ['UserID','MovieID', 'ratings', 'timestamps']
    ratings = pd.read_table('./ml-1m/ratings.dat', sep='::', header=None, names=ratings_title, engine = 'python')
    ratings = ratings.filter(regex='UserID|MovieID|ratings')
    #合并三个表
    data = pd.merge(pd.merge(ratings, users), movies)
    #将数据分成X和y两张表
    target_fields = ['ratings']
    features_pd, targets_pd = data.drop(target_fields, axis=1), data[target_fields]
    features = features_pd.values
    targets_values = targets_pd.values
    return title_count, title_set, genres2int, features, targets_values, ratings, users, movies, data, movies_orig, users_orig
#加载数据并保存到本地
#title_count：Title字段的长度（15）
#title_set：Title文本的集合
#genres2int：电影类型转数字的字典
#features：是输入X
#targets_values：是学习目标y
#ratings：评分数据集的Pandas对象
#users：用户数据集的Pandas对象
#movies：电影数据的Pandas对象
#data：三个数据集组合在一起的Pandas对象
#movies_orig：没有做数据处理的原始电影数据
#users_orig：没有做数据处理的原始用户数据
#调用数据处理函数
title_count, title_set, genres2int, features, targets_values, ratings, users, movies, data, movies_orig, users_orig = load_data()
#保存预处理结果
pickle.dump((title_count, title_set, genres2int, features,
             targets_values, ratings, users, movies, data,
             movies_orig, users_orig), open('preprocess.p', 'wb'))

查看预处理后的数据，如图所示。

处理后的movies数据如图所示。

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