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FM和FFM模型是最近几年提出的模型，凭借其在数据量比较大并且特征稀疏的情况下，仍然能够得到优秀的性能和效果的特性，屡次在各大公司举办的CTR预估比赛中获得不错的战绩。美团点评技术团队在搭建DSP的过程中，探索并使用了FM和FFM模型进行CTR和CVR预估，并且取得了不错的效果。本文旨在把我们对FM和FFM原理的探索和应用的经验介绍给有兴趣的读者。
前言
在计算广告领域，点击率CTR（click-through rate）和转化率CVR（conversion rate）是衡量广告流量的两个关键指标。准确的估计CTR、CVR对于提高流量的价值，增加广告收入有重要的指导作用。预估CTR/CVR，业界常用的方法有人工特征工程 + LR(Logistic Regression)、GBDT(Gradient Boosting Decision Tree) + LR[1][2][3]、FM（Factorization Machine）[2][7]和FFM（Field-aware Factorization Machine）[9]模型。在这些模型中，FM和FFM近年来表现突出，分别在由Criteo和Avazu举办的CTR预测竞赛中夺得冠军[4][5]。
考虑到FFM模型在CTR预估比赛中的不俗战绩，美团点评技术团队在搭建DSP（Demand Side Platform）[6]平台时，在站内CTR/CVR的预估上使用了该模型，取得了不错的效果。本文是基于对FFM模型的深度调研和使用经验，从原理、实现和应用几个方面对FFM进行探讨，希望能够从原理上解释FFM模型在点击率预估上取得优秀效果的原因。因为FFM是在FM的基础上改进得来的，所以我们首先引入FM模型，本文章节组织方式如下：
- 首先介绍FM的原理。
- 其次介绍FFM对FM的改进。
- 然后介绍FFM的实现细节。
- 最后介绍模型在DSP场景的应用。
FM原理
FM（Factorization Machine）是由Konstanz大学Steffen Rendle（现任职于Google）于2010年最早提出的，旨在解决稀疏数据下的特征组合问题[7]。下面以一个示例引入FM模型。假设一个广告分类的问题，根据用户和广告位相关的特征，预测用户是否点击了广告。源数据如下[8]
| Clicked |
Country |
Day |
Ad_type |
| 1 |
USA |
26/11/15 |
Movie |
| 0 |
China |
1/7/14 |
Game |
| 1 |
China |
19/2/15 |
Game |
“Clicked”是label，Country、Day、Ad_type是特征。由于三种特征都是categorical类型的，需要经过独热编码（One-Hot Encoding）转换成数值型特征。
| Clicked |
Country=USA |
Country=China |
Day=26/11/15 |
Day=1/7/14 |
Day=19/2/15 |
Ad_type=Movie |
Ad_type=Game |
| 1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
| 1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
由上表可以看出，经过One-Hot编码之后，大部分样本数据特征是比较稀疏的。上面的样例中，每个样本有7维特征，但平均仅有3维特征具有非零值。实际上，这种情况并不是此例独有的，在真实应用场景中这种情况普遍存在。例如，CTR/CVR预测时，用户的性别、职业、教育水平、品类偏好，商品的品类等，经过One-Hot编码转换后都会导致样本数据的稀疏性。特别是商品品类这种类型的特征，如商品的末级品类约有550个，采用One-Hot编码生成550个数值特征，但每个样本的这550个特征，有且仅有一个是有效的（非零）。由此可见，数据稀疏性是实际问题中不可避免的挑战。
One-Hot编码的另一个特点就是导致特征空间大。例如，商品品类有550维特征，一个categorical特征转换为550维数值特征，特征空间剧增。
同时通过观察大量的样本数据可以发现，某些特征经过关联之后，与label之间的相关性就会提高。例如，“USA”与“Thanksgiving”、“China”与“Chinese New Year”这样的关联特征，对用户的点击有着正向的影响。换句话说，来自“China”的用户很可能会在“Chinese New Year”有大量的浏览、购买行为，而在“Thanksgiving”却不会有特别的消费行为。这种关联特征与label的正向相关性在实际问题中是普遍存在的，如“化妆品”类商品与“女”性，“球类运动配件”的商品与“男”性，“电影票”的商品与“电影”品类偏好等。因此，引入两个特征的组合是非常有意义的。
多项式模型是包含特征组合的最直观的模型。在多项式模型中，特征 xi 和 xj 的组合采用 xixj 表示，即 xi 和 xj 都非零时，组合特征 xixj 才有意义。从对比的角度，本文只讨论二阶多项式模型。模型的表达式如下：
(1)
其中，n 代表样本的特征数量，xi 是第 i 个特征的值，w0、wi、wij 是模型参数。
从公式(1)可以看出，组合特征的参数一共有 n(n1)/2 个，任意两个参数都是独立的。然而，在数据稀疏性普遍存在的实际应用场景中，二次项参数的训练是很困难的。其原因是，每个参数 wij 的训练需要大量 xi 和 xj 都非零的样本；由于样本数据本来就比较稀疏，满足“xi 和 xj 都非零”的样本将会非常少。训练样本的不足，很容易导致参数 wij 不准确，最终将严重影响模型的性能。
那么，如何解决二次项参数的训练问题呢？矩阵分解提供了一种解决思路。在model-based的协同过滤中，一个rating矩阵可以分解为user矩阵和item矩阵，每个user和item都可以采用一个隐向量表示[8]。比如在下图中的例子中，我们把每个user表示成一个二维向量，同时把每个item表示成一个二维向量，两个向量的点积就是矩阵中user对item的打分。
类似地，所有二次项参数 wij 可以组成一个对称阵 W（为了方便说明FM的由来，对角元素可以设置为正实数），那么这个矩阵就可以分解为 W=VTV，V 的第 j 列便是第 j 维特征的隐向量。换句话说，每个参数 wij=vi,vj，这就是FM模型的核心思想。因此，FM的模型方程为（本文不讨论FM的高阶形式）:
(2)
其中，vi 是第 i 维特征的隐向量，, 代表向量点积。隐向量的长度为 k（k远远小于n），包含 k 个描述特征的因子。根据公式(2)，二次项的参数数量减少为 kn个，远少于多项式模型的参数数量。另外，参数因子化使得 xhxi 的参数和 xixj 的参数不再是相互独立的，因此我们可以在样本稀疏的情况下相对合理地估计FM的二次项参数。具体来说，xhxi 和 xixj 的系数分别为 vh,vi 和 vi,vj，它们之间有共同项 vi。也就是说，所有包含“xi 的非零组合特征”（存在某个 j≠i，使得 xixj≠0）的样本都可以用来学习隐向量 vi，这很大程度上避免了数据稀疏性造成的影响。而在多项式模型中，whi 和 wij 是相互独立的。
显而易见，公式(2)是一个通用的拟合方程，可以采用不同的损失函数用于解决回归、二元分类等问题，比如可以采用MSE（Mean Square Error）损失函数来求解回归问题，也可以采用Hinge/Cross-Entropy损失来求解分类问题。当然，在进行二元分类时，FM的输出需要经过sigmoid变换，这与Logistic回归是一样的。直观上看，FM的复杂度是 O(kn2)。但是，通过公式(3)的等式，FM的二次项可以化简，其复杂度可以优化到 O(kn)[7]。由此可见，FM可以在线性时间对新样本作出预测。
(3)
我们再来看一下FM的训练复杂度，利用SGD（Stochastic Gradient Descent）训练模型。模型各个参数的梯度如下:
FM与其他模型的对比
FM是一种比较灵活的模型，通过合适的特征变换方式，FM可以模拟二阶多项式核的SVM模型、MF模型、SVD++模型等[7]。
相比SVM的二阶多项式核而言，FM在样本稀疏的情况下是有优势的；而且，FM的训练/预测复杂度是线性的，而二项多项式核SVM需要计算核矩阵，核矩阵复杂度就是N平方。
相比MF而言，我们把MF中每一项的rating分改写为:
从公式(2)中可以看出，这相当于只有两类特征 u 和 i 的FM模型。对于FM而言，我们可以加任意多的特征，比如user的历史购买平均值，item的历史购买平均值等，但是MF只能局限在两类特征。SVD++与MF类似，在特征的扩展性上都不如FM，在此不再赘述。
FFM原理
FFM（Field-aware Factorization Machine）最初的概念来自Yu-Chin Juan（阮毓钦，毕业于中国台湾大学，现在美国Criteo工作）与其比赛队员，是他们借鉴了来自Michael Jahrer的论文[14]中的field概念提出了FM的升级版模型。通过引入field的概念，FFM把相同性质的特征归于同一个field。以上面的广告分类为例，“Day=26/11/15”、“Day=1/7/14”、“Day=19/2/15”这三个特征都是代表日期的，可以放到同一个field中。同理，商品的末级品类编码生成了550个特征，这550个特征都是说明商品所属的品类，因此它们也可以放到同一个field中。简单来说，同一个categorical特征经过One-Hot编码生成的数值特征都可以放到同一个field，包括用户性别、职业、品类偏好等。在FFM中，每一维特征 xi，针对其它特征的每一种field fj，都会学习一个隐向量 vi,fj。因此，隐向量不仅与特征相关，也与field相关。也就是说，“Day=26/11/15”这个特征与“Country”特征和“Ad_type”特征进行关联的时候使用不同的隐向量，这与“Country”和“Ad_type”的内在差异相符，也是FFM中“field-aware”的由来。
假设样本的 n 个特征属于 f 个field，那么FFM的二次项有 nf个隐向量。而在FM模型中，每一维特征的隐向量只有一个。FM可以看作FFM的特例，是把所有特征都归属到一个field时的FFM模型。根据FFM的field敏感特性，可以导出其模型方程。
(4)
其中，fj 是第 j 个特征所属的field。如果隐向量的长度为 k，那么FFM的二次参数有 nfk 个，远多于FM模型的 nk 个。此外，由于隐向量与field相关，FFM二次项并不能够化简，其预测复杂度是 O(kn2)。
下面以一个例子简单说明FFM的特征组合方式[9]。输入记录如下：
| User |
Movie |
Genre |
Price |
| YuChin |
3Idiots |
Comedy, Drama |
$9.99 |
这条记录可以编码成5个特征，其中“Genre=Comedy”和“Genre=Drama”属于同一个field，“Price”是数值型，不用One-Hot编码转换。为了方便说明FFM的样本格式，我们将所有的特征和对应的field映射成整数编号。
| Field name |
Field index |
Feature name |
Feature index |
| User |
1 |
User=YuChin |
1 |
| Movie |
2 |
Movie=3Idiots |
2 |
| Genre |
3 |
Genre=Comedy |
3 |
| Price |
4 |
Genre=Drama |
4 |
| Price |
5 |
|
|
那么，FFM的组合特征有10项，如下图所示。
其中，红色是field编号，蓝色是特征编号，绿色是此样本的特征取值。二次项的系数是通过与特征field相关的隐向量点积得到的，二次项共有 n(n1)/2 个。
FFM实现
Yu-Chin Juan实现了一个C++版的FFM模型，源码可从Github下载[10]。这个版本的FFM省略了常数项和一次项，模型方程如下:
(5)
其中，C2 是非零特征的二元组合，j1 是特征，属于field f1，wj1,f2 是特征 j1 对field f2 的隐向量。此FFM模型采用logistic loss作为损失函数，和L2惩罚项，因此只能用于二元分类问题。
其中，yi∈{1,1} 是第 i 个样本的label，L 是训练样本数量，λ 是惩罚项系数。模型采用SGD优化，优化流程如下:
参考 Algorithm1, 下面简单解释一下FFM的SGD优化过程。
算法的输入 tr、va、pa 分别是训练样本集、验证样本集和训练参数设置。
- 根据样本特征数量（tr.n）、field的个数（tr.m）和训练参数（pa），生成初始化模型，即随机生成模型的参数；
- 如果归一化参数 pa.norm 为真，计算训练和验证样本的归一化系数，样本 i 的归一化系数为 R[i]=1/∥X[i]∥ ；
- 对每一轮迭代，如果随机更新参数 pa.rand 为真，随机打乱训练样本的顺序；
- 对每一个训练样本，执行如下操作:
- 计算每一个样本的FFM项，即公式(5)中的输出 ；
- 计算每一个样本的训练误差，如算法所示，这里采用的是交叉熵损失函数 log(1+e)；
- 利用单个样本的损失函数计算梯度 gΦ，再根据梯度更新模型参数；
对每一个验证样本，计算样本的FFM输出，计算验证误差；
- 重复步骤3~5，直到迭代结束或验证误差达到最小。
在SGD寻优时，代码采用了一些小技巧，对于提升计算效率是非常有效的。
第一，梯度分步计算。采用SGD训练FFM模型时，只采用单个样本的损失函数来计算模型参数的梯度。
上面的公式表明，Lerr/ 与具体的模型参数无关。因此，每次更新模型时，只需计算一次，之后直接调用 Lerr/ 的值即可。对于更新 nfk 个模型参数，这种方式能够极大提升运算效率。
第二，自适应学习率。此版本的FFM实现没有采用常用的指数递减的学习率更新策略，而是利用 nfk 个浮点数的临时空间，自适应地更新学习率。学习率是参考AdaGrad算法计算的[11]，按如下方式更新
第三，OpenMP多核并行计算。OpenMP是用于共享内存并行系统的多处理器程序设计的编译方案，便于移植和多核扩展[12]。FFM的源码采用了OpenMP的API，对参数训练过程SGD进行了多线程扩展，支持多线程编译。因此，OpenMP技术极大地提高了FFM的训练效率和多核CPU的利用率。在训练模型时，输入的训练参数ns_threads指定了线程数量，一般设定为CPU的核心数，便于完全利用CPU资源。
第四，SSE3指令并行编程。SSE3全称为数据流单指令多数据扩展指令集3，是CPU对数据层并行的关键指令，主要用于多媒体和游戏的应用程序中[13]。SSE3指令采用128位的寄存器，同时操作4个单精度浮点数或整数。SSE3指令的功能非常类似于向量运算。例如，a 和 b 采用SSE3指令相加（a 和 b 分别包含4个数据），其功能是 a 中的4个元素与 b 中4个元素对应相加，得到4个相加后的值。采用SSE3指令后，向量运算的速度更加快捷，这对包含大量向量运算的FFM模型是非常有利的。
除了上面的技巧之外，FFM的实现中还有很多调优技巧需要探索。例如，代码是按field和特征的编号申请参数空间的，如果选取了非连续或过大的编号，就会造成大量的内存浪费；在每个样本中加入值为1的新特征，相当于引入了因子化的一次项，避免了缺少一次项带来的模型偏差等。
FFM应用
在DSP的场景中，FFM主要用来预估站内的CTR和CVR，即一个用户对一个商品的潜在点击率和点击后的转化率。
CTR和CVR预估模型都是在线下训练，然后用于线上预测。两个模型采用的特征大同小异，主要有三类：用户相关的特征、商品相关的特征、以及用户-商品匹配特征。用户相关的特征包括年龄、性别、职业、兴趣、品类偏好、浏览/购买品类等基本信息，以及用户近期点击量、购买量、消费额等统计信息。商品相关的特征包括所属品类、销量、价格、评分、历史CTR/CVR等信息。用户-商品匹配特征主要有浏览/购买品类匹配、浏览/购买商家匹配、兴趣偏好匹配等几个维度。
为了使用FFM方法，所有的特征必须转换成“field_id:feat_id:value”格式，field_id代表特征所属field的编号，feat_id是特征编号，value是特征的值。数值型的特征比较容易处理，只需分配单独的field编号，如用户评论得分、商品的历史CTR/CVR等。categorical特征需要经过One-Hot编码成数值型，编码产生的所有特征同属于一个field，而特征的值只能是0或1，如用户的性别、年龄段，商品的品类id等。除此之外，还有第三类特征，如用户浏览/购买品类，有多个品类id且用一个数值衡量用户浏览或购买每个品类商品的数量。这类特征按照categorical特征处理，不同的只是特征的值不是0或1，而是代表用户浏览或购买数量的数值。按前述方法得到field_id之后，再对转换后特征顺序编号，得到feat_id，特征的值也可以按照之前的方法获得。
CTR、CVR预估样本的类别是按不同方式获取的。CTR预估的正样本是站内点击的用户-商品记录，负样本是展现但未点击的记录；CVR预估的正样本是站内支付（发生转化）的用户-商品记录，负样本是点击但未支付的记录。构建出样本数据后，采用FFM训练预估模型，并测试模型的性能。
|
#(field) |
(feature) |
AUC |
Logloss |
| 站内CTR |
39 |
2456 |
0.77 |
0.38 |
| 站内CVR |
67 |
2441 |
0.92 |
0.13 |
由于模型是按天训练的，每天的性能指标可能会有些波动，但变化幅度不是很大。这个表的结果说明，站内CTR/CVR预估模型是非常有效的。
在训练FFM的过程中，有许多小细节值得特别关注。
第一，样本归一化。FFM默认是进行样本数据的归一化，即 pa.norm 为真；若此参数设置为假，很容易造成数据inf溢出，进而引起梯度计算的nan错误。因此，样本层面的数据是推荐进行归一化的。
第二，特征归一化。CTR/CVR模型采用了多种类型的源特征，包括数值型和categorical类型等。但是，categorical类编码后的特征取值只有0或1，较大的数值型特征会造成样本归一化后categorical类生成特征的值非常小，没有区分性。例如，一条用户-商品记录，用户为“男”性，商品的销量是5000个（假设其它特征的值为零），那么归一化后特征“sex=male”（性别为男）的值略小于0.0002，而“volume”（销量）的值近似为1。特征“sex=male”在这个样本中的作用几乎可以忽略不计，这是相当不合理的。因此，将源数值型特征的值归一化到 [0,1] 是非常必要的。
第三，省略零值特征。从FFM模型的表达式(4)可以看出，零值特征对模型完全没有贡献。包含零值特征的一次项和组合项均为零，对于训练模型参数或者目标值预估是没有作用的。因此，可以省去零值特征，提高FFM模型训练和预测的速度，这也是稀疏样本采用FFM的显著优势。
后记
本文主要介绍了FFM的思路来源和理论原理，并结合源码说明FFM的实际应用和一些小细节。从理论上分析，FFM的参数因子化方式具有一些显著的优势，特别适合处理样本稀疏性问题，且确保了较好的性能；从应用结果来看，站内CTR/CVR预估采用FFM是非常合理的，各项指标都说明了FFM在点击率预估方面的卓越表现。当然，FFM不一定适用于所有场景且具有超越其他模型的性能，合适的应用场景才能成就FFM的“威名”。
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