1. 概览
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欢迎学习“使用 TensorFlow Lite 和 Firebase 进行推荐”Codelab。在此 Codelab 中，您将学习如何使用 TensorFlow Lite 和 Firebase 将推荐模型部署到您的应用。此 Codelab 基于此 TensorFlow Lite 示例。
借助推荐功能，应用可以使用机器学习技术智能地为每位用户提供最相关的内容。它们会根据以大量其他用户的汇总行为训练的模型，考虑用户过去的行为，从而推荐用户日后可能想要与之互动的应用内容。
本教程介绍了如何使用 Firebase Analytics 从应用用户那里获取数据，根据这些数据构建用于推荐的机器学习模型，然后在 iOS 应用中使用该模型运行推理并获取推荐内容。具体而言，我们的推荐功能会根据用户之前赞过的电影列表，推荐用户最有可能观看的电影。
学习内容
- 将 Firebase Analytics 集成到 Android 应用中以收集用户行为数据
- 将这些数据导出到 Google BigQuery
- 预处理数据并训练 TF Lite 推荐模型
- 将 TF Lite 模型部署到 Firebase ML，并从应用中访问该模型
- 使用模型在设备端运行推理，以向用户提供推荐
您需要满足的条件
- Xcode 11（或更高版本）
- CocoaPods 1.9.1（或更高版本）
您打算如何使用本教程？
您如何评价自己在构建 iOS 应用方面的经验水平？
2. 创建 Firebase 控制台项目
将 Firebase 添加到项目中
- 前往 Firebase 控制台。
- 选择创建新项目，然后将项目命名为“Firebase ML iOS Codelab”。
3. 获取示例项目
下载代码
首先克隆示例项目，然后在项目目录中运行 pod update：
git clone https://github.com/FirebaseExtended/codelab-contentrecommendation-ios.git cd codelab-contentrecommendation-ios/start pod install --repo-update
如果您尚未安装 git，也可以从其 GitHub 页面或点击此链接下载示例项目。下载项目后，请在 Xcode 中运行该项目，并尝试使用建议，以了解其运作方式。
设置 Firebase
按照文档中的说明创建新的 Firebase 项目。创建项目后，从 Firebase 控制台下载项目的 GoogleService-Info.plist 文件，然后将其拖动到 Xcode 项目的根目录。
将 Firebase 添加到 Podfile 中，然后运行 pod install。
pod 'FirebaseAnalytics' pod 'FirebaseMLModelDownloader', '9.3.0-beta' pod 'TensorFlowLiteSwift'
在 AppDelegate 的 didFinishLaunchingWithOptions 方法中，在文件顶部导入 Firebase
import FirebaseCore
并添加一个用于配置 Firebase 的调用。
FirebaseApp.configure()
再次运行项目，确保应用配置正确无误，并且不会在启动时崩溃。
- 确保已启用“为此项目启用 Google Analytics”。
- 在 Firebase 控制台中完成剩下的设置步骤，然后点击“创建项目”（如果您使用的是现有 Google 项目，则点击“添加 Firebase”）。
4. 向应用添加 Firebase Analytics
在此步骤中，您将向应用添加 Firebase Analytics，以记录用户行为数据（在本例中，记录用户喜欢的电影）。在后续步骤中，系统将汇总这些数据来训练推荐模型。
在应用中设置 Firebase Analytics
LikedMoviesViewModel 包含用于存储用户喜欢的电影的函数。每当用户赞过一部新电影时，我们还希望发送一个 Google Analytics 日志事件来记录该赞。
添加以下代码，以便在用户点击电影的“赞”按钮时注册 Google Analytics 事件。
AllMoviesCollectionViewController.swift
import FirebaseAnalytics
//
override func collectionView(_ collectionView: UICollectionView, didSelectItemAt indexPath: IndexPath) {
//
if movie.liked == nil {
movie.liked = true
Analytics.logEvent(AnalyticsEventSelectItem, parameters: [AnalyticsParameterItemID: movie.id])
} else {
movie.liked?.toggle()
}
}
5. 测试 Google Analytics 集成
在此步骤中，我们将在应用中生成 Analytics 事件，并验证这些事件是否已发送到 Firebase 控制台。
启用 Google Analytics 调试日志记录
通常，您的应用所记录的事件会每隔 1 小时左右集中起来作为一批进行处理，并一起上传。此方法能节省最终用户的设备电量和网络流量。但是，为了验证您的分析实现情况（也是为了能在 DebugView 报告中查看您的分析信息），您可以在开发设备上启用调试模式，从而以最短的延迟上传事件。
如需在开发设备上启用 Google Analytics 调试模式，请在 Xcode 中指定以下命令行参数：
-FIRDebugEnabled
至此，您已成功将 Firebase Analytics 集成到您的应用中。当用户使用您的应用并赞过电影时，系统会汇总记录他们的赞过内容。在本 Codelab 的其余部分中，我们将使用这些汇总数据来训练推荐模型。以下是可选步骤，可让您查看在 Logcat 中看到的相同 Analytics 事件是否也流入了 Firebase 控制台。您可以随时跳转到下一页。
可选：在 Firebase 控制台中确认 Google Analytics 事件
- 前往 Firebase 控制台。
- 在“Google Analytics”下方选择 DebugView
- 在 Xcode 中，选择 Run 以启动应用，然后将一些电影添加到“赞过”列表。
- 在 Firebase 控制台的 DebugView 中，验证在您在应用中添加电影时是否记录了这些事件。
6. 将 Google Analytics 数据导出到 BigQuery
BigQuery 是一款 Google Cloud 产品，可让您检查和处理大量数据。在此步骤中，您将 Firebase 控制台项目与 BigQuery 相关联，以便应用生成的 Google Analytics 数据自动导出到 BigQuery。
启用 BigQuery Export
- 前往 Firebase 控制台。
- 选择项目概览旁边的“设置”齿轮图标，然后选择项目设置
- 选择集成标签页。
- 在 BigQuery 块中，选择关联（或管理）。
- 在如何将 Firebase 关联至 BigQuery 步骤中，选择下一步。
- 在配置集成部分下，点击相应开关以启用 Google Analytics 数据发送功能，然后选择关联到 BigQuery。
现在，您已成功配置 Firebase 控制台项目以自动将 Firebase Analytics 事件数据发送到 BigQuery。系统会自动执行此操作，而无需您进一步互动，不过，在 BigQuery 中创建分析数据集的首次导出可能需要 24 小时才能完成。创建数据集后，Firebase 会持续将新的 Google Analytics 事件导出到 BigQuery 中的日内表，并在事件表中对过去几天的事件进行分组。
训练推荐模型需要大量数据。由于我们还没有生成大量数据的应用，因此在下一步中，我们将向 BigQuery 导入一个示例数据集，以便在本教程的其余部分中使用。
7. 使用 BigQuery 获取模型训练数据
现在，我们已将 Firebase 控制台关联到 BigQuery，因此我们的应用分析事件数据将在过一段时间后自动显示在 BigQuery 控制台中。为了便于本教程使用，我们将在本步中将现有示例数据集导入到 BigQuery 控制台，以便用于训练推荐模型。
将示例数据集导入 BigQuery
- 前往 Google Cloud 控制台中的 BigQuery 信息中心。
- 在菜单中选择您的项目名称。
- 选择 BigQuery 左侧导航栏底部的项目名称即可查看详细信息。
- 选择创建数据集以打开数据集创建面板。
- 在数据集 ID 中输入“firebase_recommendations_dataset”，然后选择创建数据集。
- 新数据集将显示在左侧菜单中的项目名称下方。点击该服务。
- 选择创建表以打开表格创建面板。
- 在基于以下数据创建表部分，选择“Google Cloud Storage”。
- 在从 GCS 存储分区中选择文件字段中，输入“gs://firebase-recommendations/recommendations-test/formatted_data_filtered.txt”。
- 在文件格式下拉菜单中，选择“JSONL”。
- 在表名称中输入“recommendations_table”。
- 依次选择架构 > 自动检测 > 架构和输入参数，然后选中相应复选框
- 选择创建表
探索示例数据集
此时，您可以选择浏览架构并预览此数据集。
- 在左侧菜单中选择 firebase-recommendations-dataset，以展开其中包含的表格。
- 选择 recommendations-table 表以查看表架构。
- 选择预览可查看此表格中包含的实际 Google Analytics 事件数据。
创建服务账号凭据
现在，我们将在 Google Cloud 控制台项目中创建服务账号凭据，以便在后续步骤中在 Colab 环境中使用这些凭据来访问和加载 BigQuery 数据。
- 确保您的 Google Cloud 项目已启用结算功能。
- 启用 BigQuery 和 BigQuery Storage API。< 点击此处>
- 前往“创建服务账号密钥”页面。
- 从服务账号列表中，选择新的服务账号。
- 在服务账号名称字段中，输入一个名称。
- 从角色列表中，选择项目 > 所有者。
- 点击创建。包含密钥的 JSON 文件就会下载到您的计算机。
在下一步中，我们将使用 Google Colab 预处理这些数据并训练推荐模型。
8. 预处理数据并训练推荐模型
在此步骤中，我们将使用 Colab 笔记本执行以下步骤：
- 将 BigQuery 数据导入 Colab 记事本
- 对数据进行预处理，为模型训练做好准备
- 基于 Google Analytics 数据训练推荐模型
- 将模型导出为 TF Lite 模型
- 将模型部署到 Firebase 控制台，以便在应用中使用
在启动 Colab 训练笔记本之前，我们先启用 Firebase Model Management API，以便 Colab 将训练好的模型部署到我们的 Firebase 控制台。
启用 Firebase Model Management API
创建存储机器学习模型的存储分区
在 Firebase 控制台中，前往 Storage，然后点击“开始使用”。
按照对话框中的说明设置存储分区。
启用 Firebase ML API
前往 Google Cloud 控制台中的 Firebase ML API 页面，然后点击“启用”。
使用 Colab 笔记本训练和部署模型
使用以下链接打开 Colab 笔记本，然后完成其中的步骤。完成 Colab 笔记本中的步骤后，您将有一个部署到 Firebase 控制台的 TF Lite 模型文件，我们可以将其同步到应用。
在 Colab 中打开
9. 在应用中下载模型
在此步骤中，我们将修改应用，以便下载我们刚刚从 Firebase Machine Learning 训练的模型。
添加 Firebase ML 依赖项
您需要添加以下依赖项才能在应用中使用 Firebase 机器学习模型。该依赖项应该已添加（请进行验证）。
Podfile
import FirebaseCore
import FirebaseMLModelDownloader
使用 Firebase Model Manager API 下载模型
将以下代码复制到 ModelLoader.swift 中，以设置模型下载的条件，并创建一个下载任务以将远程模型同步到我们的应用。
ModelLoader.swift
static func downloadModel(named name: String,
completion: @escaping (CustomModel?, DownloadError?) -> Void) {
guard FirebaseApp.app() != nil else {
completion(nil, .firebaseNotInitialized)
return
}
guard success == nil && failure == nil else {
completion(nil, .downloadInProgress)
return
}
let conditions = ModelDownloadConditions(allowsCellularAccess: false)
ModelDownloader.modelDownloader().getModel(name: name, downloadType: .localModelUpdateInBackground, conditions: conditions) { result in
switch (result) {
case .success(let customModel):
// Download complete.
// The CustomModel object contains the local path of the model file,
// which you can use to instantiate a TensorFlow Lite classifier.
return completion(customModel, nil)
case .failure(let error):
// Download was unsuccessful. Notify error message.
completion(nil, .downloadFailed(underlyingError: error))
}
}
}
10. 在应用中集成 TensorFlow Lite 推荐模型
借助 TensorFlow Lite 运行时，您可以在应用中使用模型生成推荐。在上一步中，我们使用下载的模型文件初始化了 TFlite 解释器。在此步骤中，我们将首先加载字典和标签，以便在推理步骤中与模型搭配使用，然后添加预处理来生成模型的输入，并添加后处理来从推理中提取结果。
加载字典和标签
用于由推荐模型生成推荐候选项的标签列在 assets 文件夹中的 sorted_movie_vocab.json 文件中。复制以下代码以加载这些候选项。
RecommendationsViewController.swift
func getMovies() -> [MovieItem] {
let barController = self.tabBarController as! TabBarController
return barController.movies
}
实现预处理
在预处理步骤中，我们会更改输入数据的形式，使其与模型预期的数据形式相匹配。在这里，如果尚未生成大量用户点赞，我们会使用占位符值来填充输入长度。复制以下代码：
RecommendationsViewController.swift
// Given a list of selected items, preprocess to get tflite input.
func preProcess() -> Data {
let likedMovies = getLikedMovies().map { (MovieItem) -> Int32 in
return MovieItem.id
}
var inputData = Data(copyingBufferOf: Array(likedMovies.prefix(10)))
// Pad input data to have a minimum of 10 context items (4 bytes each)
while inputData.count < 10*4 {
inputData.append(0)
}
return inputData
}
运行解释器以生成建议
在这里，我们使用在上一步中下载的模型对预处理后的输入进行推理。我们为模型设置输入和输出类型，并运行推理以生成电影推荐。将以下代码复制到您的应用中。
RecommendationsViewController.swift
import TensorFlowLite
RecommendationsViewController.swift
private var interpreter: Interpreter?
func loadModel() {
// Download the model from Firebase
print("Fetching recommendations model...")
ModelDownloader.fetchModel(named: "recommendations") { (filePath, error) in
guard let path = filePath else {
if let error = error {
print(error)
}
return
}
print("Recommendations model download complete")
self.loadInterpreter(path: path)
}
}
func loadInterpreter(path: String) {
do {
interpreter = try Interpreter(modelPath: path)
// Allocate memory for the model's input `Tensor`s.
try interpreter?.allocateTensors()
let inputData = preProcess()
// Copy the input data to the input `Tensor`.
try self.interpreter?.copy(inputData, toInputAt: 0)
// Run inference by invoking the `Interpreter`.
try self.interpreter?.invoke()
// Get the output `Tensor`
let confidenceOutputTensor = try self.interpreter?.output(at: 0)
let idOutputTensor = try self.interpreter?.output(at: 1)
// Copy output to `Data` to process the inference results.
let confidenceOutputSize = confidenceOutputTensor?.shape.dimensions.reduce(1, {x, y in x * y})
let idOutputSize = idOutputTensor?.shape.dimensions.reduce(1, {x, y in x * y})
let confidenceResults =
UnsafeMutableBufferPointer<Float32>.allocate(capacity: confidenceOutputSize!)
let idResults =
UnsafeMutableBufferPointer<Int32>.allocate(capacity: idOutputSize!)
_ = confidenceOutputTensor?.data.copyBytes(to: confidenceResults)
_ = idOutputTensor?.data.copyBytes(to: idResults)
postProcess(idResults, confidenceResults)
print("Successfully ran inference")
DispatchQueue.main.async {
self.tableView.reloadData()
}
} catch {
print("Error occurred creating model interpreter: \(error)")
}
}
实现后处理
最后，在此步骤中，我们会对模型的输出进行后处理，选择置信度最高的结果并移除包含的值（用户已赞过的电影）。将以下代码复制到您的应用中。
RecommendationsViewController.swift
// Postprocess to get results from tflite inference.
func postProcess(_ idResults: UnsafeMutableBufferPointer<Int32>, _ confidenceResults: UnsafeMutableBufferPointer<Float32>) {
for i in 0..<10 {
let id = idResults[i]
let movieIdx = getMovies().firstIndex { $0.id == id }
let title = getMovies()[movieIdx!].title
recommendations.append(Recommendation(title: title, confidence: confidenceResults[i]))
}
}
测试您的应用！
重新运行您的应用。当您选择一些电影后，应用应该会自动下载新模型并开始生成推荐内容！
11. 恭喜！
您已使用 TensorFlow Lite 和 Firebase 在应用中构建了推荐功能。请注意，此 Codelab 中展示的技术和流水线可以推广到其他类型的推荐内容。
所学内容
- Firebase ML
- Firebase Analytics
- 将 Google Analytics 事件导出到 BigQuery
- 预处理 Google Analytics 事件
- 训练推荐 TensorFlow 模型
- 导出模型并部署到 Firebase 控制台
- 在应用中提供电影推荐
后续步骤
- 在您的应用中实现 Firebase ML 建议。
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