Εργασία 2. Μη επιβλεπόμενη μάθηση

Opened: Tuesday, 23 November 2021, 12:00 AM

Due: Wednesday, 22 December 2021, 11:59 PM

Εργασία 2 Unsupervised Learning - Εκφώνηση.md

Εργαστηριακή Άσκηση 2. Μη επιβλεπόμενη μάθηση.

Σύστημα συστάσεων βασισμένο στο περιεχόμενο

Σημασιολογική απεικόνιση δεδομένων με χρήση SOM

Χρονικός προγραμματισμός

ΕΚΦΩΝΗΣΗ: 23 Νοεμβρίου 2021
DUE DATE: 22 Δεκεμβρίου 2021, 23:59
CUT-OFF DATE: 26 Δεκεμβρίου 2021, 23:59

Due Dates are when assignments are due. Submission of assignments will still be allowed after this date but these assignments will be indicated as late. Cut-off Dates prevent students from submitting after the specified date.

Εισαγωγή του Dataset

Θα βρείτε το παρόν σε μορφή jupyter notebook ως συνημμένο στο τέλος της εκφώνησης.

!pip install --upgrade pip
!pip install --upgrade numpy
!pip install --upgrade pandas
!pip install --upgrade nltk
!pip install --upgrade scikit-learn
!pip install --upgrade joblib

Το σύνολο δεδομένων με το οποίο θα δουλέψουμε είναι βασισμένο στο Carnegie Mellon Movie Summary Corpus. Πρόκειται για ένα dataset με 22.301 περιγραφές ταινιών. Η περιγραφή κάθε ταινίας αποτελείται από τον τίτλο της, μια ή περισσότερες ετικέτες που χαρακτηρίζουν το είδος της ταινίας και τέλος τη σύνοψη της υπόθεσής της. Αρχικά εισάγουμε το dataset (χρησιμοποιήστε αυτούσιο τον κώδικα, δεν χρειάζεστε το αρχείο csv) στο dataframe df_data_1:

import pandas as pd

dataset_url = "https://drive.google.com/uc?export=download&id=1-tN5rC1QCgwqL67cvIXdMbtd-Xf9Xqow"
df_data_1 = pd.read_csv(dataset_url, sep='\t',  header=None, quoting=3)

Κάθε ομάδα θα δουλέψει σε ένα μοναδικό υποσύνολο 5.000 ταινιών (διαφορετικό dataset για κάθε ομάδα) ως εξής:

Κάθε ομάδα του εργαστηρίου νευρωνικών έχει έναν αριθμό στο helios. Θα βάλετε τον αριθμό αυτό στη μεταβλητή team_seed_number στο επόμενο κελί κώδικα.
Το data frame df_data_2 έχει γραμμές όσες και οι ομάδες και 5.000 στήλες. Σε κάθε ομάδα αντιστοιχεί η γραμμή του πίνακα με το team_seed_number της. Η γραμμή αυτή θα περιλαμβάνει 5.000 διαφορετικούς αριθμούς που αντιστοιχούν σε ταινίες του αρχικού dataset.
Τρέξτε τον κώδικα. Θα προκύψουν τα μοναδικά για κάθε ομάδα titles, categories, catbins, summaries και corpus με τα οποία θα δουλέψετε.

import numpy as np

# Στο επόμενη γραμή βάλτε τον αριθμό της ομάδας στο εργαστήριο των νευρωνικών
team_seed_number = 0

movie_seeds_url = "https://drive.google.com/uc?export=download&id=1-oeMf7BFmiH70XObgC9WOTo-a9cDJZwP"
df_data_2 = pd.read_csv(movie_seeds_url, header=None)

# επιλέγεται 
my_index = df_data_2.iloc[team_seed_number,:].values

titles = df_data_1.iloc[:, [2]].values[my_index] # movie titles (string)
categories = df_data_1.iloc[:, [3]].values[my_index] # movie categories (string)
bins = df_data_1.iloc[:, [4]]
catbins = bins[4].str.split(',', expand=True).values.astype(float)[my_index] # movie categories in binary form (1 feature per category)
summaries =  df_data_1.iloc[:, [5]].values[my_index] # movie summaries (string)
corpus = summaries[:,0].tolist() # list form of summaries
corpus_df = pd.DataFrame(corpus) # dataframe version of corpus

Ο πίνακας titles περιέχει τους τίτλους των ταινιών. Παράδειγμα: ‘Sid and Nancy’.
O πίνακας categories περιέχει τις κατηγορίες (είδη) της ταινίας υπό τη μορφή string. Παράδειγμα: ‘“Tragedy”, “Indie”, “Punk rock”, “Addiction Drama”, “Cult”, “Musical”, “Drama”, “Biopic [feature]”, “Romantic drama”, “Romance Film”, “Biographical film”’. Παρατηρούμε ότι είναι μια comma separated λίστα strings, με κάθε string να είναι μια κατηγορία.
Ο πίνακας catbins περιλαμβάνει πάλι τις κατηγορίες των ταινιών αλλά σε δυαδική μορφή (one hot encoding). Έχει διαστάσεις 5.000 x 322 (όσες οι διαφορετικές κατηγορίες). Αν η ταινία ανήκει στο συγκεκριμένο είδος η αντίστοιχη στήλη παίρνει την τιμή 1, αλλιώς παίρνει την τιμή 0.
Ο πίνακας summaries και η λίστα corpus περιλαμβάνουν τις συνόψεις των ταινιών (η corpus είναι απλά ο summaries σε μορφή λίστας). Κάθε σύνοψη είναι ένα (συνήθως μεγάλο) string. Παράδειγμα: ‘The film is based on the real story of a Soviet Internal Troops soldier who killed his entire unit as a result of Dedovschina. The plot unfolds mostly on board of the prisoner transport rail car guarded by a unit of paramilitary conscripts.’
το dataframe corpus_df που είναι απλά το corpus σε μορφή dataframe. Τα summaries βρίσκονται στην κολόνα 0. Πιθανώς να σας βολεύει να κάνετε κάποιες προεπεξεργασίες με dataframes.

Θεωρούμε ως ID της κάθε ταινίας τον αριθμό γραμμής της ή το αντίστοιχο στοιχείο της λίστας. Παράδειγμα: για να τυπώσουμε τη σύνοψη της ταινίας με ID=999 (την χιλιοστή) θα γράψουμε print(corpus[999]).

ID = 999
print(titles[ID])
print(categories[ID])
print(catbins[ID])
print(corpus[ID])

Εφαρμογή 1. Υλοποίηση συστήματος συστάσεων ταινιών βασισμένο στο περιεχόμενο

Η πρώτη εφαρμογή που θα αναπτύξετε θα είναι ένα σύστημα συστάσεων ταινιών βασισμένο στο περιεχόμενο (content based recommender system). Τα συστήματα συστάσεων στοχεύουν στο να προτείνουν αυτόματα στο χρήστη αντικείμενα από μια συλλογή τα οποία ιδανικά θέλουμε να βρει ενδιαφέροντα ο χρήστης. Η κατηγοριοποίηση των συστημάτων συστάσεων βασίζεται στο πώς γίνεται η επιλογή (filtering) των συστηνόμενων αντικειμένων. Οι δύο κύριες κατηγορίες είναι η συνεργατική διήθηση (collaborative filtering) όπου το σύστημα προτείνει στο χρήστη αντικείμενα που έχουν αξιολογηθεί θετικά από χρήστες που έχουν παρόμοιο με αυτόν ιστορικό αξιολογήσεων και η διήθηση με βάση το περιεχόμενο (content based filtering), όπου προτείνονται στο χρήστη αντικείμενα με παρόμοιο περιεχόμενο (με βάση κάποια χαρακτηριστικά) με αυτά που έχει προηγουμένως αξιολογήσει θετικά.

Το σύστημα συστάσεων που θα αναπτύξετε θα βασίζεται στο περιεχόμενο και συγκεκριμένα στις συνόψεις των ταινιών (corpus).

Προεπεξεργασία

Το πρώτο βήμα στην επεξεργασία μας είναι ο καθαρισμός των περιγραφών των ταινιών.

Εκτυπώστε (αρκετές) διαφορετικές περιγραφές ταινιών για να δείτε πιθανά προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν.

Τα (ελάχιστα) βήματα καθαρισμού που προτείνουμε είναι:

μετατροπή όλων των χαρακτήρων σε πεζά,
αφαίρεση των stopwords. Εδώ σημειώστε ότι για το δεδομένο task του συστήματος συστάσεων που είναι η πρόταση ταινιών ίσως θα είχαν ενδιαφέρον και λίστες stopwords πέραν αυτών της κοινής γλώσσας.
αφαίρεση σημείων στίξης και ειδικών χαρακτρήρων (special characters). Αυτό δεν γίνεται μόνο με την punkt του NLTK. Θα μπορούσατε να βασιστείτε σε κανονικές εκφράσεις (regular expressions), και
αφαίρεση πολυ σύντομων συμβολοσειρών.

Προσοχή: το corpus και τα τελικά tokens που θα το αποτελούν θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια ως κλειδιά για να βρούμε εμφυτεύματα. Για το λόγο αυτό, πρέπει να είστε προσεκτικοί ως προς την εφαρμογή μεθόδων κανονικοποίησης (text normalization) όπως το stemming και το lemmatization.

Μετατροπή σε TFIDF

Το πρώτο βήμα θα είναι λοιπόν να μετατρέψετε το corpus σε αναπαράσταση tf-idf:

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
# create sparse tf_idf representation
vectorizer = TfidfVectorizer()
vectorizer.fit(corpus)
corpus_tf_idf_plain = vectorizer.transform(corpus)

Η συνάρτηση TfidfVectorizer όπως καλείται εδώ δεν είναι βελτιστοποιημένη. Οι επιλογές των μεθόδων και παραμέτρων της μπορεί να έχουν δραματική επίδραση στην ποιότητα των συστάσεων και είναι διαφορετικές για κάθε dataset. Επίσης, οι επιλογές αυτές έχουν πολύ μεγάλη επίδραση και στη διαστατικότητα και όγκο των δεδομένων. Η διαστατικότητα των δεδομένων με τη σειρά της θα έχει πολύ μεγάλη επίδραση στους χρόνους εκπαίδευσης, ιδιαίτερα στη δεύτερη εφαρμογή της άσκησης.

Προσοχή: ο TfidfVectorizer έχει κάποιες δυνατότητες προεπεξεργασίας παρόποιες με αυτές που αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα. Ό,τι προεπεξεργασία μπορείτε να κάνετε που χρειάζεται ως είσοδο μόνο το κάθε document ξεχωριστά, κάντε την στο πρώτο βήμα της προεπεξεργασίας. Αν χρειάζεται γνώση των συνολικών στατιστικών της συλλογής, κάντε την με τον TfidfVectorizer.

print(corpus_tf_idf_plain.shape)

Υλοποίηση του συστήματος συστάσεων

Το σύστημα συστάσεων που θα υλοποιήσετε θα είναι μια συνάρτηση content_recommender με τρία ορίσματα: target_movie, max_recommendations και corpus_type. Στην target_movie περνάμε το ID μιας ταινίας-στόχου για την οποία μας ενδιαφέρει να βρούμε παρόμοιες ως προς το περιεχόμενο (τη σύνοψη) ταινίες, max_recommendations στο πλήθος.
Υλοποιήστε τη συνάρτηση ως εξής:

για την ταινία-στόχο, θα υπολογίζετε την ομοιότητα συνημιτόνου της με όλες τις ταινίες της συλλογής σας όπως αυτές αναπαριστώνται στο corpus_type.
με βάση την ομοιότητα συνημιτόνου που υπολογίσατε, δημιουργήστε ταξινομημένο πίνακα από το μεγαλύτερο στο μικρότερο, με τα indices (ID) των ταινιών. Παράδειγμα: αν η ταινία με index 1 έχει ομοιότητα συνημιτόνου με 3 ταινίες [0.2 1 0.6] (έχει ομοιότητα 1 με τον εαύτό της) ο ταξινομημένος αυτός πίνακας indices θα είναι [1 2 0].
Για την ταινία-στόχο εκτυπώστε: id, τίτλο, σύνοψη, κατηγορίες (categories)
Για τις max_recommendations ταινίες (πλην της ίδιας της ταινίας-στόχου που έχει cosine similarity 1 με τον εαυτό της) με τη μεγαλύτερη ομοιότητα συνημιτόνου (σε φθίνουσα σειρά), τυπώστε σειρά σύστασης (1 πιο κοντινή, 2 η δεύτερη πιο κοντινή κλπ), ομοιότητα συνημιτόνου, id, τίτλο, σύνοψη, και κατηγορίες (categories)

Βελτιστοποίηση του TfidfVectorizer

Αφού υλοποιήσετε τη συνάρτηση content_recommender χρησιμοποιήστε την για να βελτιστοποιήσετε την TfidfVectorizer. Συγκεκριμένα, αρχικά μπορείτε να δείτε τι επιστρέφει το σύστημα για τυχαίες ταινίες-στόχους και για ένα μικρό max_recommendations (2 ή 3). Αν σε κάποιες ταινίες το σύστημα μοιάζει να επιστρέφει σημασιολογικά κοντινές ταινίες σημειώστε το ID τους. Δοκιμάστε στη συνέχεια να βελτιστοποιήσετε την TfidfVectorizer για τα συγκεκριμένα ID ώστε να επιστρέφονται σημασιολογικά κοντινές ταινίες για μεγαλύτερο αριθμό max_recommendations. Παράλληλα, όσο βελτιστοποιείτε την TfidfVectorizer, θα πρέπει να λαμβάνετε καλές συστάσεις για μεγαλύτερο αριθμό τυχαίων ταινιών.

Ταυτόχρονα, μια αντίρροπη κατά κάποιο τρόπο κατεύθυνση της βελτιστοποίησης είναι να χρησιμοποιείτε τις παραμέτρους του TfidfVectorizer έτσι ώστε να μειώνονται οι διαστάσεις του Vector Space Model μέχρι το σημείο που θα αρχίσει να εμφανίζονται επιπτώσεις στην ποιότητα των συστάσεων.

Βαθιά μάθηση: δημιουργία corpora με χρήση word emmbeddings

Η προσέγγιση της κατασκευής μόνο μέσω tfidf του συστήματος συστάσεων έχει διάφορα μειονεκτήματα. Θα μας ενδιέφερε λοιπόν να δούμε αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για τις λέξεις εμφυτεύματα (embeddings), δηλαδή τις πυκνές διανυσματικές αναπαραστάσεις για τις λέξεις που μας δίνει το μοντέλο Word2Vec

Ωστόσο, το dataset της κάθε ομάδας είναι πολύ μικρό για να εξάγουμε τα δικά μας word embeddings (και να είναι καλά). Για το λόγο αυτό θα χρησιμοποιήσουμε τη μεθοδολογία της Βαθιάς Μάθησης που είναι η Μεταφορά Μάθησης (Transfer Learning)..

Στη μεταφορά μάθησης ουσιαστικά μεταφέρουμε τη γνώση που έχει αποκτήσει ένα ήδη εκπαιδευμένο (και κατά κανόνα πολύ μεγάλο) σύστημα. Η μεταφορά γίνεται διαμέσου των τιμών των βαρών που έχει προσδιορίσει μετά το πέρας της εκπαίδευσης.

Στην περίπτωσή μας, δεν μας ενδιαφέρουν τόσο τα ίδια τα βάρη των μοντέλων από τα οποία θα κάνουμε μεταφορά μάθησης. Κάτι τέτοιο θα μας ενδιέφερε αν π.χ. θέλαμε να συνεχίσουμε την εκπαίδευση στα δικά μας κείμενα. Μας ενδιαφέρουν όμως τα ίδια τα εμφυτεύματα, δηλαδή τα embeddings (διανύσματα διαστάσεων $m$ ) που έχει μάθει το νευρωνικό για το λεξιλόγιο του (vocabulary). To vocabulary σε τέτοια μεγάλα νευρωνικά θα είναι πιθανότατα υπερσύνολο του δικού μας.

Μεταφορά μάθησης εμφυτευμάτων

Εμφυτεύματα του Gensim-data

Το Gensim περιλαμβάνει αρκετά προεκπαιδευμένα μοντέλα εμφυτευμάτων Word2Vec. Με το επόμενο κελί παίρνουμε τη λίστα τους.

!pip install -U gensim
import gensim.downloader
print(list(gensim.downloader.info()['models'].keys()))

Τα μοντέλα αυτά βρίσκονται στο αποθετήριο Gensim-data όπου μπορείτε να βρείτε και την τεκμηρίωσή τους. Η φόρτωση των μοντέλων αυτών γίνεται με τη συνάρτηση gensim.downloader.load.

Άλλα εμφυτεύμαατα

Μπορείτε να βρείτε προεκπαιδευμένα εμφυτεύματα και από πηγές εκτός του Gensim. Για παράδειγμα:

Google News dataset. Πρόκειται για προ-εκπαιδευμένα διανύσματα που έχουν εκπαιδευτεί σε μέρος του συνόλου δεδομένων Google News (περίπου 100 δισεκατομμύρια λέξεις). Το μοντέλο περιέχει διανύσματα 300 διαστάσεων για 3 εκατομμύρια λέξεις και φράσεις.
Amazon BlazingText. Το BlazingText δεν είναι μόνο προεκπαιδευμένα εμφυτεύματα αλλα και βελτιστοποιημένες υλοποιήσεις των αλγορίθμων Word2vec για την επεξεργασία κειμένου. Προυπόθεση είναι να δουλέψει κανείς στο SageMaker.

Οι διαδικασίες φόρτωσης embeddings από εξωτερικά δεδομένα μπορεί να είναι ελαφρά διαφορετικές από αυτή του Gensim.

Παρατηρήσεις

Επαναλαμβάνουμε ότι στην εργασία αυτή δεν μας ενδιαφέρουν τα ίδια τα μοντέλα αλλά το να μπορούμε για μία λέξη του λεξιλογίου μας να μπορούμε να βρούμε το embedding (διάνυσμα) που της αντιστοιχεί στο εκάστοτε προεκπαιδευμένο μοντέλο.
Επίσης, δεν θα χρησιμοποιήσουμε την Phrases για να βρούμε bigrams στο dataset μας όπως θα ήταν το ορθότερο, καθώς αυτό θα απαιτούσε την συνέχιση της εκπαίδευσης του μοντέλου σε νέο λεξιλόγιο με πολύ λίγα νέα δεδομένα.

Δημιουργία corpora βασισμένων στα εμφυτεύματα

Για να μπορέσουμε να ενσωματώσουμε τη γνώση που υπάρχει στα προεκπαιδευμένα εμφυτεύματα στο δικό μας corpus θα προχωρήσουμε όπως περιγράφεται ακολούθως.

Για κάθε περιγραφή ταινίας $d$ , η οποία αποτελείται από τις $N_d$ λέξεις $w_i$ , το $tfidf$ της κάθε λέξης $w_i$ δίνεται από τη σχέση:

$tfidf(w_i) = tf(w_i,d) \cdot idf(w_i)$

Ταυτόχρονα, σε κάθε λέξη $w_i$ αντιστοιχεί ένα διάνυσμα $W2V(w_i)$ από το μοντέλο εμφυτευμάτων που έχουμε εισάγει. Τα διανύσματα εμφυτευμάτων $W2V$ θα έχουν διάσταση $m$ , ανάλογα το μοντέλο.

Για κάθε ταινία d, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια διανυσματική αναπαράσταση $W2V(d)$ διαστάσεων $m$ χρησιμοποιώντας το $tfidf(w_i)$ ως συντελεστή βαρύτητας για κάθε εμφύτευμα $W2V(w_i)$ :

$W2V(d) = \frac{tfidf(w_1)\cdot W2V(w_i) + tfidf(w_2)\cdot W2V(w_2) + \dotsc + tfidf(w_{N_{d}})\cdot W2V(w_{N_{d}})}{tfidf(w_1)+tfidf(w_2)+ \dotsc + tfidf(w_{N_{d}})}$

build_tfw2v

Υλοποιήστε μια συνάρτηση build_tfw2v με ορίσματα:

corpus που θα είναι το προεπεξεργασμένο dataset σας,
vectors που θα είναι το μοντέλο που θα σας δίνει τα διανύσματα των εμφυτεύσεων vectors, και
embeddings_size που θα είναι η διάσταση των εμφυτευμάτων $m$ .

H συνάρτηση αυτή θα επιστρέφει ένα νέο corpus που θα είναι ένας πίνακας 5000 (όσες οι ταινίες σας) x $m$ (το η διάσταση των εμφυτευμάτων). Ανάλογα ποιο μοντέλο χρησιμποιείτε για transfer learning ο πίνακας αυτός θα είναι διαφορετικός.

Μπορείτε πλεόν να καλείτε την content_recommender με διαφορετικά corpora στο όρισμα corpus_type. Σημειώστε ότι στο TFidfVectorizer χρησιμοποιουμε τη σειριακή μορφή των numpy arrays και ίσως σας χρησιμεύσει η sparse.csr_matrix() από την Scipy.

Ανάλυση αποτελεσμάτων

Σύστημα συστάσεων βασισμένο μόνο στο tfidf

Σε markdown περιγράψτε τι προεπεξεργασία κάνετε στα κείμενα και γιατί.
Περιγράψτε πως προχωρήσατε στις επιλογές σας για τη βελτιστοποίηση της TfidfVectorizer.
Cherry-picking: Δώσετε παραδείγματα (IDs) από τη συλλογή σας που επιστρέφουν καλά αποτελέσματα μέχρι max_recommendations (τουλάχιστον 5) και σχολιάστε.
Nir-picking: Δώστε παραδείγματα (IDs) από τη συλλογή σας που επιστρέφουν κακά αποτελέσματα και σχολιάστε.
Ποια είναι συνολικά τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ενός recommender βασισμένου στο tfidf;

Σύγκριση και σχολιασμός με recommenders βασισμένων στο Word2Vec

Υλoποιήστε recommenders που βασίζονται σε μεταφορά μάθησης και εμφυτεύματα. Χρησιμοποιήστε παραδείγματα για να υποδείξετε δυνατά και αδύναμα σημεία τους.
Μπορείτε να σχολιάσετε τα recommenders που βασίζονται στο Word2Vec σε σχέση με το απλό μοντέλο tfidf, εξετάζοντας τις συστάσεις για ίδια ID.
Μπορείτε επίσης να εξετάσετε συγκριτικά τα Word2Vec recommenders μεταξύ τους και πάλι βασιζόμενοι σε παραδείγματα.
Οι παρατηρήσεις σας θα βασίζονται στην ανάλυση των ποιοτικών χαρακτηριστικών που είναι η σειρά και το σύνολο των συστάσεων. Ωστόσο, μπορείτε να συμπεριλάβετε και ποσοτικά χαρακτηριστικά όπως τους χρονους loading και συγκρότησης του corpus αλλά και της διαστατικότητας $m$ .

Χρησιμοποιήστε όποια μορφή reporting κρίνετε καταλληλότερη: κείμενο, πίνακες, διαγράμματα.

Πρακτικό tip - persistence αντικειμένων με joblib.dump

Καθώς στην δεύτερη εργασία καλείστε να δημιουργήσετε διάφορα corpora των οποίων η δημιουργία παίρνει χρόνο, υπάρχει ένας εύκολος τρόπος να αποθηκεύουμε μεταβλητές σε dump files και να τις διαβάζουμε απευθείας.

H βιβλιοθήκη joblib της Python δίνει κάποιες εξαιρετικά χρήσιμες ιδιότητες στην ανάπτυξη κώδικα: pipelining, παραλληλισμό, caching και variable persistence. Τις τρεις πρώτες ιδιότητες τις είδαμε στην πρώτη άσκηση. Στην παρούσα άσκηση θα μας φανεί χρήσιμη η τέταρτη, το persistence των αντικειμένων. Συγκεκριμένα μπορούμε με:

joblib.dump(my_object, 'my_object.pkl')

να αποθηκεύσουμε οποιοδήποτε αντικείμενο-μεταβλητή (εδώ το my_object) απευθείας πάνω στο filesystem ως αρχείο, το οποίο στη συνέχεια μπορούμε να ανακαλέσουμε ως εξής:

my_object = joblib.load('my_object.pkl')

Μπορούμε έτσι να ανακαλέσουμε μεταβλητές ακόμα και αφού κλείσουμε και ξανανοίξουμε το notebook, χωρίς να χρειαστεί να ακολουθήσουμε ξανά όλα τα βήματα ένα - ένα για την παραγωγή τους, κάτι ιδιαίτερα χρήσιμο αν αυτή η διαδικασία είναι χρονοβόρα.

Ας αποθηκεύσουμε το corpus_tf_idf και στη συνέχεια ας το ανακαλέσουμε.

import joblib

joblib.dump(corpus_tf_idf, 'corpus_tf_idf.pkl')

Μπορείτε με ένα απλό !ls να δείτε ότι το αρχείο corpus_tf_idf.pkl υπάρχει στο filesystem σας (== persistence):

!ls -lh

και μπορούμε να τα διαβάσουμε με joblib.load

corpus_tf_idf = joblib.load('corpus_tf_idf.pkl')

Εφαρμογή 2. Τοπολογική και σημασιολογική απεικόνιση της ταινιών με χρήση SOM

Δημιουργία dataset

Στη δεύτερη εφαρμογή θα βασιστούμε στις τοπολογικές ιδιότητες των Self Organizing Maps (SOM) για να φτιάξουμε ενά χάρτη (grid) δύο διαστάσεων όπου θα απεικονίζονται όλες οι ταινίες της συλλογής της ομάδας με τρόπο χωρικά συνεκτικό ως προς το περιεχόμενο και κυρίως το είδος τους (ο παραπάνω χάρτης είναι ενδεικτικός, δεν αντιστοιχεί στο dataset μας).

Διαλέξτε για την αναπαράσταση των documents αυτήν που πιστεύετε απέδωσε καλύτερα στο πρώτα σκέλος της άσκησης. Έστω ότι αυτή είναι η my_best_corpus.

Η έτοιμη συνάρτηση build_final_set θα ενώσει την αναπαράσταση που θα της δώσετε ως όρισμα mycorpus με τις binarized κατηγορίες catbins των ταινιών ως επιπλέον κολόνες (χαρακτηριστικά). Συνεπώς, κάθε ταινία αναπαρίσταται στο Vector Space Model από τα χαρακτηριστικά της αναπαράστασης mycorpus και τις κατηγορίες της.

Τέλος, η συνάρτηση δέχεται ένα ορισμα για το πόσες ταινίες να επιστρέψει, με default τιμή όλες τις ταινίες (5000). Αυτό είναι χρήσιμο για να μπορείτε αν θέλετε να φτιάχνετε μικρότερα σύνολα δεδομένων ώστε να εκπαιδεύεται ταχύτερα το SOM.

Θα τρέχουμε τη συνάρτηση με final_set = build_final_set(my_best_corpus).

def build_final_set(mycorpus, doc_limit = 5000, tf_idf_only=False):
    # convert sparse tf_idf to dense tf_idf representation
    dense_tf_idf = mycorpus.toarray()[0:doc_limit,:]
    if tf_idf_only:
        # use only tf_idf
        final_set = dense_tf_idf
    else:
        # append the binary categories features horizontaly to the (dense) tf_idf features
        final_set = np.hstack((dense_tf_idf, catbins[0:doc_limit,:]))
    # η somoclu θέλει δεδομ΄ένα σε float32
    return np.array(final_set, dtype=np.float32)

Στο επόμενο κελί, τυπώνουμε τις διαστάσεις του τελικού dataset μας. Χωρίς βελτιστοποίηση του TFIDF θα έχουμε περίπου 50.000 χαρακτηριστικά και ο θα είναι ανέφικτο να προχωρήσουμε στην εκπαίδευση του SOM.

final_set.shape

Εκπαίδευση χάρτη SOM

Θα δουλέψουμε με τη βιβλιοθήκη SOM “Somoclu”. Εισάγουμε τις somoclu και matplotlib και λέμε στη matplotlib να τυπώνει εντός του notebook (κι όχι σε pop up window).

# install somoclu
!pip install --upgrade somoclu
# import sompoclu, matplotlib
import somoclu
import matplotlib
# we will plot inside the notebook and not in separate window
%matplotlib inline

Καταρχάς διαβάστε το function reference του somoclu. Θα δoυλέψουμε με χάρτη τύπου planar, παραλληλόγραμμου σχήματος νευρώνων με τυχαία αρχικοποίηση (όλα αυτά είναι default). Μπορείτε να δοκιμάσετε διάφορα μεγέθη χάρτη ωστόσο όσο ο αριθμός των νευρώνων μεγαλώνει, μεγαλώνει και ο χρόνος εκπαίδευσης. Για το training δεν χρειάζεται να ξεπεράσετε τα 100 epochs. Σε γενικές γραμμές μπορούμε να βασιστούμε στις default παραμέτρους μέχρι να έχουμε τη δυνατότητα να οπτικοποιήσουμε και να αναλύσουμε ποιοτικά τα αποτελέσματα. Ξεκινήστε με ένα χάρτη 10 x 10, 100 epochs training και ένα υποσύνολο των ταινιών (π.χ. 2000). Χρησιμοποιήστε την time για να έχετε μια εικόνα των χρόνων εκπαίδευσης.

Best matching units

Μετά από κάθε εκπαίδευση αποθηκεύστε σε μια μεταβλητή τα best matching units (bmus) για κάθε ταινία. Τα bmus μας δείχνουν σε ποιο νευρώνα ανήκει η κάθε ταινία. Προσοχή: η σύμβαση των συντεταγμένων των νευρώνων στη Somoclu είναι (στήλη, γραμμή) δηλαδή το ανάποδο από την Python. Με χρήση της np.unique (μια πολύ χρήσιμη συνάρτηση στην άσκηση) αποθηκεύστε τα μοναδικά best matching units και τους δείκτες τους (indices) προς τις ταινίες.

Σημειώστε ότι μπορεί να έχετε λιγότερα μοναδικά bmus από αριθμό νευρώνων γιατί μπορεί σε κάποιους νευρώνες να μην έχουν ανατεθεί ταινίες. Ως αριθμό νευρώνα θα θεωρήσουμε τον αριθμό γραμμής στον πίνακα μοναδικών bmus.

Ομαδοποίηση (clustering)

Τυπικά, η ομαδοποίηση σε ένα χάρτη SOM προκύπτει από το unified distance matrix (U-matrix): για κάθε κόμβο υπολογίζεται η μέση απόστασή του από τους γειτονικούς κόμβους. Εάν χρησιμοποιηθεί μπλε χρώμα στις περιοχές του χάρτη όπου η τιμή αυτή είναι χαμηλή (μικρή απόσταση) και κόκκινο εκεί που η τιμή είναι υψηλή (μεγάλη απόσταση), τότε μπορούμε να πούμε ότι οι μπλε περιοχές αποτελούν clusters και οι κόκκινες αποτελούν σύνορα μεταξύ clusters.

To somoclu δίνει την επιπρόσθετη δυνατότητα να κάνουμε ομαδοποίηση των νευρώνων χρησιμοποιώντας οποιονδήποτε αλγόριθμο ομαδοποίησης του scikit-learn. Στην άσκηση θα χρησιμοποιήσουμε τον k-Means. Για τον αρχικό σας χάρτη δοκιμάστε ένα k=20 ή 25. Οι δύο προσεγγίσεις ομαδοποίησης είναι διαφορετικές, οπότε περιμένουμε τα αποτελέσματα να είναι κοντά αλλά όχι τα ίδια.

Αποθήκευση του SOM

Επειδή η αρχικοποίηση του SOM γίνεται τυχαία και το clustering είναι και αυτό στοχαστική διαδικασία, οι θέσεις και οι ετικέτες των νευρώνων και των clusters θα είναι διαφορετικές κάθε φορά που τρέχετε τον χάρτη, ακόμα και με τις ίδιες παραμέτρους. Για να αποθηκεύσετε ένα συγκεκριμένο som και clustering χρησιμοποιήστε και πάλι την joblib. Μετά την ανάκληση ενός SOM θυμηθείτε να ακολουθήσετε τη διαδικασία για τα bmus.

Οπτικοποίηση U-matrix, clustering και μέγεθος clusters

Για την εκτύπωση του U-matrix χρησιμοποιήστε τη view_umatrix με ορίσματα bestmatches=True και figsize=(15, 15) ή figsize=(20, 20). Τα διαφορετικά χρώματα που εμφανίζονται στους κόμβους αντιπροσωπεύουν τα διαφορετικά clusters που προκύπτουν από τον k-Means. Μπορείτε να εμφανίσετε τη λεζάντα του U-matrix με το όρισμα colorbar. Μην τυπώνετε τις ετικέτες (labels) των δειγμάτων, είναι πολύ μεγάλος ο αριθμός τους.

Για μια δεύτερη πιο ξεκάθαρη οπτικοποίηση του clustering τυπώστε απευθείας τη μεταβλητή clusters.

Τέλος, χρησιμοποιώντας πάλι την np.unique (με διαφορετικό όρισμα) και την np.argsort (υπάρχουν και άλλοι τρόποι υλοποίησης) εκτυπώστε τις ετικέτες των clusters (αριθμοί από 0 έως k-1) και τον αριθμό των νευρώνων σε κάθε cluster, με φθίνουσα ή αύξουσα σειρά ως προς τον αριθμό των νευρώνων. Ουσιαστικά είναι ένα εργαλείο για να βρίσκετε εύκολα τα μεγάλα και μικρά clusters.

Ακολουθεί ένα μη βελτιστοποιημένο παράδειγμα για τις τρεις προηγούμενες εξόδους:

Σημασιολογική ερμηνεία των clusters

Προκειμένου να μελετήσουμε τις τοπολογικές ιδιότητες του SOM και το αν έχουν ενσωματώσει σημασιολογική πληροφορία για τις ταινίες διαμέσου της διανυσματικής αναπαράστασης του tf-idf, των εμφυτευμάτων και των κατηγοριών, χρειαζόμαστε ένα κριτήριο ποιοτικής επισκόπησης των clusters.

Θα υλοποιήσουμε το εξής κριτήριο: Λαμβάνουμε όρισμα έναν αριθμό (ετικέτα) cluster. Για το cluster αυτό βρίσκουμε όλους τους νευρώνες που του έχουν ανατεθεί από τον k-Means. Για όλους τους νευρώνες αυτούς βρίσκουμε όλες τις ταινίες που τους έχουν ανατεθεί (για τις οποίες αποτελούν bmus). Για όλες αυτές τις ταινίες τυπώνουμε ταξινομημένη τη συνολική στατιστική όλων των ειδών (κατηγοριών) και τις συχνότητές τους. Αν το cluster διαθέτει καλή συνοχή και εξειδίκευση, θα πρέπει κάποιες κατηγορίες να έχουν σαφώς μεγαλύτερη συχνότητα από τις υπόλοιπες. Θα μπορούμε τότε να αναθέσουμε αυτήν/ές την/τις κατηγορία/ες ως ετικέτες κινηματογραφικού είδους στο cluster.

Μπορείτε να υλοποιήσετε τη συνάρτηση αυτή όπως θέλετε. Μια πιθανή διαδικασία θα μπορούσε να είναι η ακόλουθη:

Ορίζουμε συνάρτηση print_categories_stats που δέχεται ως είσοδο λίστα με ids ταινιών. Δημιουργούμε μια κενή λίστα συνολικών κατηγοριών. Στη συνέχεια, για κάθε ταινία επεξεργαζόμαστε το string categories ως εξής: δημιουργούμε μια λίστα διαχωρίζοντας το string κατάλληλα με την split και αφαιρούμε τα whitespaces μεταξύ ετικετών με την strip. Προσθέτουμε τη λίστα αυτή στη συνολική λίστα κατηγοριών με την extend. Τέλος χρησιμοποιούμε πάλι την np.unique για να μετρήσουμε συχνότητα μοναδικών ετικετών κατηγοριών και ταξινομούμε με την np.argsort. Τυπώνουμε τις κατηγορίες και τις συχνότητες εμφάνισης ταξινομημένα. Χρήσιμες μπορεί να σας φανούν και οι np.ravel, np.nditer, np.array2string και zip.
Ορίζουμε τη βασική μας συνάρτηση print_cluster_neurons_movies_report που δέχεται ως όρισμα τον αριθμό ενός cluster. Με τη χρήση της np.where μπορούμε να βρούμε τις συντεταγμένες των bmus που αντιστοιχούν στο cluster και με την column_stack να φτιάξουμε έναν πίνακα bmus για το cluster. Προσοχή στη σειρά (στήλη - σειρά) στον πίνακα bmus. Για κάθε bmu αυτού του πίνακα ελέγχουμε αν υπάρχει στον πίνακα μοναδικών bmus που έχουμε υπολογίσει στην αρχή συνολικά και αν ναι προσθέτουμε το αντίστοιχο index του νευρώνα σε μια λίστα. Χρήσιμες μπορεί να είναι και οι np.rollaxis, np.append, np.asscalar. Επίσης πιθανώς να πρέπει να υλοποιήσετε ένα κριτήριο ομοιότητας μεταξύ ενός bmu και ενός μοναδικού bmu από τον αρχικό πίνακα bmus.
Υλοποιούμε μια βοηθητική συνάρτηση neuron_movies_report. Λαμβάνει ένα σύνολο νευρώνων από την print_cluster_neurons_movies_report και μέσω της indices φτιάχνει μια λίστα με το σύνολο ταινιών που ανήκουν σε αυτούς τους νευρώνες. Στο τέλος καλεί με αυτή τη λίστα την print_categories_stats που τυπώνει τις στατιστικές των κατηγοριών.

Μπορείτε βέβαια να προσθέσετε οποιαδήποτε επιπλέον έξοδο σας βοηθάει. Μια χρήσιμη έξοδος είναι πόσοι νευρώνες ανήκουν στο cluster και σε πόσους και ποιους από αυτούς έχουν ανατεθεί ταινίες.

Θα επιτελούμε τη σημασιολογική ερμηνεία του χάρτη καλώντας την print_cluster_neurons_movies_report με τον αριθμός ενός cluster που μας ενδιαφέρει.

Παράδειγμα εξόδου για ένα cluster (πιθανώς μη συνολικά βελτιστοποιημένος χάρτης, ωστόσο βλέπετε ότι οι μεγάλες κατηγορίες έχουν σημασιολογική συνάφεια):

Overall Cluster Genres stats: [("Horror", 86), ("Science Fiction", 24), ("B-movie", 16), ("Monster movie", 10), ("Creature Film", 10), ("Indie", 9), ("Zombie Film", 9), ("Slasher", 8), ("World cinema", 8), ("Sci-Fi Horror", 7), ("Natural horror films", 6), ("Supernatural", 6), ("Thriller", 6), ("Cult", 5), ("Black-and-white", 5), ("Japanese Movies", 4), ("Short Film", 3), ("Drama", 3), ("Psychological thriller", 3), ("Crime Fiction", 3), ("Monster", 3), ("Comedy", 2), ("Western", 2), ("Horror Comedy", 2), ("Archaeology", 2), ("Alien Film", 2), ("Teen", 2), ("Mystery", 2), ("Adventure", 2), ("Comedy film", 2), ("Combat Films", 1), ("Chinese Movies", 1), ("Action/Adventure", 1), ("Gothic Film", 1), ("Costume drama", 1), ("Disaster", 1), ("Docudrama", 1), ("Film adaptation", 1), ("Film noir", 1), ("Parody", 1), ("Period piece", 1), ("Action", 1)]

Tips για το SOM και το clustering

Για την ομαδοποίηση ένα U-matrix καλό είναι να εμφανίζει και μπλε-πράσινες περιοχές (clusters) και κόκκινες περιοχές (ορίων). Παρατηρήστε ποια σχέση υπάρχει μεταξύ αριθμού ταινιών στο final set, μεγέθους grid και ποιότητας U-matrix.
Για το k του k-Means προσπαθήστε να προσεγγίζει σχετικά τα clusters του U-matrix (όπως είπαμε είναι διαφορετικοί μέθοδοι clustering). Μικρός αριθμός k δεν θα σέβεται τα όρια. Μεγάλος αριθμός θα δημιουργεί υπο-clusters εντός των clusters που φαίνονται στο U-matrix. Το τελευταίο δεν είναι απαραίτητα κακό, αλλά μεγαλώνει τον αριθμό clusters που πρέπει να αναλυθούν σημασιολογικά.
Σε μικρούς χάρτες και με μικρά final sets δοκιμάστε διαφορετικές παραμέτρους για την εκπαίδευση του SOM. Σημειώστε τυχόν παραμέτρους που επηρεάζουν την ποιότητα του clustering για το dataset σας ώστε να τις εφαρμόσετε στους μεγάλους χάρτες.
Κάποια τοπολογικά χαρακτηριστικά εμφανίζονται ήδη σε μικρούς χάρτες. Κάποια άλλα χρειάζονται μεγαλύτερους χάρτες. Δοκιμάστε μεγέθη 20x20, 25x25 ή και 30x30 και αντίστοιχη προσαρμογή των k. Όσο μεγαλώνουν οι χάρτες, μεγαλώνει η ανάλυση του χάρτη αλλά μεγαλώνει και ο αριθμός clusters που πρέπει να αναλυθούν.

Ανάλυση τοπολογικών ιδιοτήτων χάρτη SOM

Μετά το πέρας της εκπαίδευσης και του clustering θα έχετε ένα χάρτη με τοπολογικές ιδιότητες ως προς τα είδη των ταίνιών της συλλογής σας, κάτι αντίστοιχο με την εικόνα στην αρχή της Εφαρμογής 2 αυτού του notebook. Η συγκεκριμένη εικόνα είναι μόνο για εικονογράφιση, δεν είναι χάρτης SOM καιδεν έχει καμία σχέση με τη συλλογή δεδομένων και τις κατηγορίες μας.

Για τον τελικό χάρτη SOM που θα παράξετε για τη συλλογή σας, αναλύστε σε markdown με συγκεκριμένη αναφορά σε αριθμούς clusters και τη σημασιολογική ερμηνεία τους τις εξής τρεις τοπολογικές ιδιότητες του SOM:

Δεδομένα που έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα πιθανότητας στο χώρο εισόδου τείνουν να απεικονίζονται με περισσότερους νευρώνες στο χώρο μειωμένης διαστατικότητας. Δώστε παραδείγματα από συχνές και λιγότερο συχνές κατηγορίες ταινιών. Χρησιμοποιήστε τις στατιστικές των κατηγοριών στη συλλογή σας και τον αριθμό κόμβων που χαρακτηρίζουν.
Μακρινά πρότυπα εισόδου τείνουν να απεικονίζονται απομακρυσμένα στο χάρτη. Υπάρχουν χαρακτηριστικές κατηγορίες ταινιών που ήδη από μικρούς χάρτες τείνουν να τοποθετούνται σε διαφορετικά ή απομονωμένα σημεία του χάρτη.
Κοντινά πρότυπα εισόδου τείνουν να απεικονίζονται κοντά στο χάρτη. Σε μεγάλους χάρτες εντοπίστε είδη ταινιών και κοντινά τους υποείδη.

Προφανώς τοποθέτηση σε 2 διαστάσεις που να σέβεται μια απόλυτη τοπολογία δεν είναι εφικτή, αφενός γιατί δεν υπάρχει κάποια απόλυτη εξ ορισμού για τα κινηματογραφικά είδη ακόμα και σε πολλές διαστάσεις, αφετέρου γιατί πραγματοποιούμε μείωση διαστατικότητας.

Εντοπίστε μεγάλα clusters και μικρά clusters που δεν έχουν σαφή χαρακτηριστικά. Εντοπίστε clusters συγκεκριμένων ειδών που μοιάζουν να μην έχουν τοπολογική συνάφεια με γύρω περιοχές. Προτείνετε πιθανές ερμηνείες.

Τέλος, εντοπίστε clusters που έχουν κατά την άποψή σας ιδιαίτερο ενδιαφέρον στη συλλογή της ομάδας σας (data exploration / discovery value) και σχολιάστε.

Τελική παράδοση άσκησης

Θα παραδώσετε στο helios το παρόν notebook επεξεργασμένο ή ένα ή δύο νέα zipαρισμένα με τις απαντήσεις σας για τα ζητούμενα και των δύο εφαρμογών.
Θυμηθείτε ότι η ανάλυση του χάρτη στο markdown με αναφορά σε αριθμούς clusters πρέπει να αναφέρεται στον τελικό χάρτη με τα κελιά ορατά που θα παραδώσετε αλλιώς ο χάρτης που θα προκύψει θα είναι διαφορετικός και τα labels των clusters δεν θα αντιστοιχούν στην ανάλυσή σας.
Μην ξεχάσετε στην αρχή ένα κελί markdown με τα στοιχεία της ομάδας σας.

Παρακαλούμε διατρέξτε βήμα-βήμα το notebook για να μην ξεχάσετε παραδοτέα

Εργασία_2_Unsupervised_Learning_Εκφώνηση.ipynb
23 November 2021, 9:05 PM

Neural Networks and Intelligent Systems