李 默,梁永全,趙建立,李玉軍
(1.山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266590;2.海信集團(tuán)數(shù)字多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071)
隨著網(wǎng)絡(luò)電視的普及,用戶能夠方便地通過電視觀看互聯(lián)網(wǎng)上的視頻節(jié)目,但如何從網(wǎng)絡(luò)海量視頻資源中挑選出用戶感興趣的信息,提高用戶對網(wǎng)絡(luò)電視的黏著度和滿意度,已經(jīng)成為決定網(wǎng)絡(luò)電視進(jìn)一步發(fā)展高度的關(guān)鍵問題。個(gè)性化推薦系統(tǒng)是解決這一問題的有效方法,通過在網(wǎng)絡(luò)電視上加載個(gè)性化推薦服務(wù)模塊,可以化解網(wǎng)絡(luò)視頻信息過載和用戶感興趣視頻獲取之間的矛盾,滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)電視的個(gè)性化需求。
因此,本文在分析各種推薦算法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,綜合基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦兩種算法,設(shè)計(jì)了一種面向網(wǎng)絡(luò)視頻的組合推薦系統(tǒng)模型,以期獲得更好的推薦質(zhì)量和用戶滿意度。
面向網(wǎng)絡(luò)視頻的推薦算法是個(gè)性化推薦系統(tǒng)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵,而推薦算法的性能對推薦質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響,當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的推薦算法主要有:基于內(nèi)容(Content-based) 推 薦[1], 協(xié) 同 過 濾 (collaborative filtering)推薦[2],關(guān)聯(lián)規(guī)則 (association rules)推薦[3]和組合推薦 (Hybrid recommendation)[4,5]等。
其中,基于內(nèi)容的推薦算法來源于信息檢索技術(shù)[6],算法不需要獲得用戶對項(xiàng)目的評價(jià)意見,而是通過對用戶選擇項(xiàng)目的歷史記錄進(jìn)行學(xué)習(xí)來推薦新項(xiàng)目,避免了協(xié)同過濾推薦算法中的數(shù)據(jù)稀疏和冷啟動(dòng)問題;然而,基于內(nèi)容的推薦算法只能向用戶推薦與其歷史興趣資源內(nèi)容相似的資源,無法挖掘用戶的潛在興趣和信息需求,導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)視頻推薦中存在一定的局限性。協(xié)同過濾推薦算法是基于用戶群體的興趣或行為,根據(jù)興趣相似的用戶對推薦對象的評價(jià)而實(shí)現(xiàn)的信息推薦,它不依賴于推薦項(xiàng)目的內(nèi)容,對于多媒體資源也可以進(jìn)行推薦,另外通過挖掘用戶的歷史興趣和相似用戶群的歷史行為,可以發(fā)現(xiàn)用戶的潛在興趣,取得較好的用戶滿意度;但是,協(xié)同過濾推薦算法的數(shù)據(jù)稀疏性問題、冷啟動(dòng)問題和系統(tǒng)可擴(kuò)展性問題在網(wǎng)絡(luò)視頻推薦中也一直存在。關(guān)聯(lián)規(guī)則推薦算法關(guān)注的是用戶行為的關(guān)聯(lián)模式,挖掘不同項(xiàng)目在推薦過程中的相關(guān)性,從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的智能推薦,當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)是Apriori算法[7],其思想是通過自乘方法迭代產(chǎn)生記錄集中相似度高于設(shè)定閾值的頻繁集,再利用頻繁集建立起滿足閾值的規(guī)則;但此算法在挖掘頻繁集過程中的數(shù)據(jù)計(jì)算量很大,因此會(huì)增加推薦系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度,另外網(wǎng)絡(luò)視頻的類型與數(shù)量都是不斷變化的,這就需要持續(xù)挖掘新規(guī)則,導(dǎo)致規(guī)則數(shù)量的增長,最終會(huì)加大推薦系統(tǒng)的管理難度。
為了克服各個(gè)推薦算法存在的問題,并發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢,國內(nèi)外許多學(xué)者對融合多種推薦技術(shù)的組合推薦算法進(jìn)行了研究[8-10],但大都包含了基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦兩種算法,根據(jù)算法的融合程度,組合推薦算法可以分為以下幾類:①分別實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦,最后將兩種推薦算法產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行融合;②將協(xié)同過濾推薦算法的某些特點(diǎn)融合到基于內(nèi)容推薦算法中,以基于內(nèi)容推薦為主;③將基于內(nèi)容推薦的某些特點(diǎn)融合到協(xié)同過濾推薦算法中,以協(xié)同過濾推薦為主;④建立基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦的組合推薦模型,模型既包含了基于內(nèi)容推薦的特性,也包含了協(xié)同過濾推薦算法的特性。本文提出的組合推薦系統(tǒng)模型主要基于第一種融合方式,對基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦產(chǎn)生的關(guān)鍵詞集進(jìn)行分析、過濾、融合,得到最終的推薦視頻集。
組合推薦算法由于能實(shí)現(xiàn)更好的推薦質(zhì)量,在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了一些基于組合推薦算法的推薦應(yīng)用系統(tǒng)。李瑞敏等人[11]設(shè)計(jì)了一種基于音樂基因組的個(gè)性化移動(dòng)音樂組合推薦系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)音樂服務(wù)的個(gè)性化需求;Tatli等人[12]則提出了一個(gè)基于標(biāo)簽的音樂組合推薦系統(tǒng),系統(tǒng)使用語義關(guān)系和多域信息對音樂標(biāo)簽進(jìn)行分析,最終給用戶推薦其感興趣的音樂資源;汪彥紅[13]研究了基于組合算法的個(gè)性化推薦系統(tǒng),提出了一種基于內(nèi)容和場景概率的組合推薦算法,并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對圖書推薦的原型系統(tǒng);姚志霞[14]則對基于混合推薦的個(gè)性化信息服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于組合推薦模式個(gè)性化視頻網(wǎng)站原型推薦系統(tǒng);易明等人[15]構(gòu)建了社會(huì)化標(biāo)簽系統(tǒng)中基于組合推薦的知識(shí)推薦系統(tǒng)框架,并對組合推薦中社會(huì)化標(biāo)簽的相關(guān)問題進(jìn)行了分析;史旻昱[16]研究了基于RSS的個(gè)性化網(wǎng)絡(luò)廣告推薦系統(tǒng),系統(tǒng)融合協(xié)同過濾算法和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法實(shí)現(xiàn)了RSS廣告的個(gè)性化推薦;石靜[17]結(jié)合基于內(nèi)容的過濾算法與協(xié)同過濾算法,提出了組合推薦引擎工作的框架模型,并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于組合模式的個(gè)性化旅游推薦原型系統(tǒng);董文遠(yuǎn)[18]則設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于組合推薦的復(fù)雜個(gè)性化電子商務(wù)推薦原型系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于多模型的推薦系統(tǒng)引擎模型,主要結(jié)合了基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦兩種算法。
綜上所述,組合推薦算法在音樂、圖書、視頻、標(biāo)簽、廣告、旅游和電子商務(wù)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,但對基于網(wǎng)絡(luò)電視的視頻組合推薦系統(tǒng)的研究還比較少,本文將組合推薦算法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電視視頻推薦中,為個(gè)性化推薦服務(wù)在電視領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個(gè)新的思路。
許多學(xué)者認(rèn)為組合推薦模型在利用基于內(nèi)容推薦算法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上能充分發(fā)揮協(xié)同過濾推薦算法的優(yōu)點(diǎn),而且證明了組合推薦模型能比兩種算法各自的表現(xiàn)更好。本文基于類似的研究思路,設(shè)計(jì)了面向網(wǎng)絡(luò)視頻的組合推薦系統(tǒng),系統(tǒng)中基于內(nèi)容的推薦算法部分通過分析資源內(nèi)容產(chǎn)生推薦,而協(xié)同過濾推薦算法部分則是基于資源相似度計(jì)算產(chǎn)生推薦。
面向網(wǎng)絡(luò)視頻的組合推薦系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,其中,協(xié)同過濾推薦模塊主要是對視頻資源相似度進(jìn)行計(jì)算,得到協(xié)同過濾推薦關(guān)鍵詞備選集合,基于內(nèi)容的推薦模塊則是利用資源內(nèi)容提取視頻屬性關(guān)鍵詞,相應(yīng)地得到基于內(nèi)容推薦關(guān)鍵詞備選集合,最后再對這兩個(gè)備選集合進(jìn)行線形回歸計(jì)算得到最終的推薦視頻關(guān)鍵詞集合,并通過人機(jī)交互界面推薦給用戶。下面本文就對推薦系統(tǒng)中每個(gè)模塊的具體功能和實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行詳細(xì)描述。
模塊主要由語料庫和索引器兩部分組成。語料庫中包含了網(wǎng)絡(luò)視頻的各主要屬性,比如視頻名稱、演員、類別、年代等等,索引器則利用Apache Lucene[19]分析語料庫中的API信息,并對用戶瀏覽過的網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行標(biāo)注,如果語料庫中有N個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)視頻,索引器則要重復(fù)計(jì)算N+1次,為每個(gè)用戶建立一個(gè)瀏覽記錄索引,并將計(jì)算結(jié)果存入索引庫。對于用戶u∈U,u的視頻索引定義為
其中,U是用戶集合,R是網(wǎng)絡(luò)視頻資源集合,T是屬性關(guān)鍵詞集合。
圖1 面向網(wǎng)絡(luò)視頻的組合推薦系統(tǒng)架構(gòu)
模塊主要由處理器、屬性檢索集、視頻索引、相似視頻資源集、系統(tǒng)過濾屬性提取器和協(xié)同過濾推薦關(guān)鍵詞備選集組成。其中,處理器的功能是分析推薦系統(tǒng)中新加入的網(wǎng)絡(luò)視頻資源,提取視頻和目標(biāo)用戶之間的關(guān)聯(lián)信息,將資源的元數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注并檢索最相似視頻,得到視頻屬性關(guān)鍵詞的最相關(guān)集合,然后根據(jù)檢索集和視頻索引庫,利用Lucene得到相似視頻集Video(u,r)。其計(jì)算公式為
其中,Video(u,r)是用戶的相似視頻集合,u∈U,r為標(biāo)注視頻資源,β是相似閾值,sim(r,r)是資源相似度計(jì)算函數(shù),可采用歐幾里得相似度、皮爾遜相關(guān)系數(shù)、余弦相似度、修正余弦相似度等方法計(jì)算。
協(xié)同過濾屬性提取器的功能是對相似視頻集Video(u,r)進(jìn)行提取,并為每個(gè)屬性關(guān)鍵詞檢索式q建立相應(yīng)的協(xié)同過濾推薦關(guān)鍵詞備選集合Arrttri(u,q),其定義為
屬性關(guān)鍵詞檢索式q的相關(guān)性計(jì)算公式為
其中,ntr是關(guān)鍵詞t在資源r中的出現(xiàn)次數(shù),nt則是關(guān)鍵詞t在所有相似資源中出現(xiàn)的總次數(shù)。
為了解決協(xié)同過濾推薦模塊的冷啟動(dòng)問題,在面向網(wǎng)絡(luò)視頻的推薦系統(tǒng)中加入了基于內(nèi)容的視頻推薦模塊。其中,元數(shù)據(jù)分析器的作用是獲取網(wǎng)絡(luò)視頻的HTML代碼,生成元數(shù)據(jù)集合。然后,內(nèi)容關(guān)鍵詞提取器則對元數(shù)據(jù)集合進(jìn)行分析,從中提取視頻屬性的關(guān)鍵詞和描述語,并將其存儲(chǔ)在基于內(nèi)容推薦關(guān)鍵詞備選集合中。
在屬性關(guān)鍵詞備選集合建立后,本文采用基于內(nèi)容的過濾算法計(jì)算備選集合中關(guān)鍵詞的相似度,計(jì)算方法是將歸一化處理后的關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)乘以相應(yīng)屬性權(quán)值之和,計(jì)算公式為
其中,si表示關(guān)鍵詞所屬屬性,wsi是屬性si的權(quán)值,nt,r是歸一化處理后的關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù) (如果關(guān)鍵詞t沒有在屬性si中出現(xiàn)則nt,r=0)。本文在實(shí)驗(yàn)部分會(huì)對不同的屬性(視頻名稱、演員、類別、年代)權(quán)值分配進(jìn)行計(jì)算,以獲得最優(yōu)組合。
在分別得到協(xié)同過濾和基于內(nèi)容的推薦關(guān)鍵詞備選集合后,過濾器會(huì)將集合中小于相似閾值的關(guān)鍵詞剔除,并生成組合推薦關(guān)鍵詞備選集合。推薦系統(tǒng)對兩種方法得到的關(guān)鍵詞備選集合進(jìn)行融合,得到最終的關(guān)鍵詞推薦集合。給定用戶u,關(guān)鍵詞t和屬性關(guān)鍵詞檢索q,設(shè)定α和β分別為協(xié)同過濾推薦和基于內(nèi)容推薦的權(quán)重,則檢索關(guān)鍵詞t和屬性關(guān)鍵詞檢索q的計(jì)算公式定義為
本文采用美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Group Lens研究小組提供的MovieLens數(shù)據(jù)集[20]作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。它包含6000個(gè)匿名用戶對4000部電影項(xiàng)目的約100萬條評分?jǐn)?shù)據(jù),每個(gè)用戶至少對20部電影進(jìn)行過評價(jià),并且每部電影都含有內(nèi)容特征描述信息。
準(zhǔn)確率 (precision,Pr)和召回率 (recall,Re)是通常采用的推薦算法評價(jià)指標(biāo)。準(zhǔn)確率是正確推薦項(xiàng)目數(shù)與所有推薦項(xiàng)目數(shù)目的比值,衡量的是用戶推薦效果;召回率則是正確推薦項(xiàng)目數(shù)與所有可用推薦項(xiàng)目的比值,它主要是對系統(tǒng)級(jí)別的衡量。準(zhǔn)確率和召回率存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,比如,增加項(xiàng)目數(shù)量會(huì)提高召回率,卻降低了準(zhǔn)確率,單獨(dú)使用會(huì)失去不同推薦算法的可比性。為了平衡兩者之間的關(guān)系,本文采用F1-Measure[21](F1)作為算法的準(zhǔn)確性度量指標(biāo),它是通過計(jì)算準(zhǔn)確率和召回率的調(diào)和平均數(shù)對推薦算法進(jìn)行評價(jià),F(xiàn)1的數(shù)值越大,則推薦算法的準(zhǔn)確性越高,F(xiàn)1的計(jì)算公式為
實(shí)驗(yàn)1計(jì)算了基于內(nèi)容的推薦算法在不同屬性權(quán)值組合情況下的推薦準(zhǔn)確性,計(jì)算結(jié)果如表1所示,F(xiàn)1數(shù)值最高的項(xiàng)對應(yīng)的屬性值分別是:視頻名稱 (0.5),演員(0.2),類別 (0.3),年代 (0.0)。計(jì)算結(jié)果表明視頻名稱屬性對基于內(nèi)容的視頻相似度計(jì)算準(zhǔn)確性影響最大,類別屬性次之,而年代屬性的影響則最小。
表1 不同屬性權(quán)值組合的基于內(nèi)容推薦計(jì)算結(jié)果
實(shí)驗(yàn)2對組合推薦算法的融合效果進(jìn)行了分析,通過對協(xié)同過濾推薦和基于內(nèi)容推薦分配不同的權(quán)值,計(jì)算了不同權(quán)值情況下的F1數(shù)值,計(jì)算結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在融合基于內(nèi)容過濾推薦算法后,準(zhǔn)確率和召回率都有顯著提高,因此組合推薦算法性能優(yōu)于協(xié)同過濾算法。另外,當(dāng)基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦的權(quán)重各為0.5時(shí)F1數(shù)值最高,而準(zhǔn)確率則隨著基于內(nèi)容推薦權(quán)值的增長而增長,說明基于內(nèi)容的推薦算法可以提高組合推薦算法的準(zhǔn)確率,但為了獲得最優(yōu)推薦效果,應(yīng)給協(xié)同過濾推薦和基于內(nèi)容推薦分配相同的權(quán)值。
表2 不同算法權(quán)值組合的計(jì)算結(jié)果
試驗(yàn)3對比了組合推薦算法與其它類似推薦算法的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)1相同,分別通過基于內(nèi)容推薦、基于項(xiàng)目的協(xié)同過濾推薦、基于用戶的協(xié)同過濾推薦、基于內(nèi)容預(yù)測與協(xié)同過濾的混合推薦算法[22]對 MovieLens數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算,表3統(tǒng)計(jì)了5種算法的F1計(jì)算結(jié)果,表明本文提出的算法性能明顯優(yōu)于其它4種推薦算法。
表3 不同推薦算法的F1值
本文設(shè)計(jì)了一種綜合基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦的網(wǎng)絡(luò)視頻推薦模型及其算法,算法有效融合了基于內(nèi)容推薦和協(xié)同過濾推薦兩種算法,通過MovieLens數(shù)據(jù)集的檢驗(yàn),組合推薦系統(tǒng)能夠降低冷啟動(dòng)問題對推薦結(jié)果的影響,并提高網(wǎng)絡(luò)視頻資源的推薦準(zhǔn)確性。但是,本文提出的組合推薦模型只分析了網(wǎng)絡(luò)視頻的四種主要屬性,在后續(xù)研究中需要考慮更多的視頻屬性對組合推薦結(jié)果的影響;另外,對組合推薦系統(tǒng)在音樂、電子商務(wù)、旅游、圖書、標(biāo)簽、廣告等領(lǐng)域的應(yīng)用也是下一步需要研究的方向;最后,還需要研究組合推薦算法的不同融合方式對網(wǎng)絡(luò)視頻推薦的影響,分析哪種方式的推薦效果更好。
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