毕业设计：基于深度学习的音乐推荐系统 人工智能 python

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前言

       📅大四是整个大学期间最忙碌的时光,一边要忙着备考或实习为毕业后面临的就业升学做准备,一边要为毕业设计耗费大量精力。近几年各个学校要求的毕设项目越来越难,有不少课题是研究生级别难度的,对本科同学来说是充满挑战。为帮助大家顺利通过和节省时间与精力投入到更重要的就业和考试中去,学长分享优质的选题经验和毕设项目与技术思路。

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         选题指导:

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        大家好,这里是海浪学长毕设专题,本次分享的课题是

        🎯基于深度学习的音乐推荐系统

设计思路

一、课题背景与意义

        随着音乐流媒体平台的普及和音乐内容的爆炸增长，用户面临着越来越多的音乐选择。针对用户个性化的音乐推荐成为了一个重要的问题。传统的音乐推荐系统主要基于协同过滤和内容过滤等方法，但在面对复杂的用户兴趣和多样化的音乐类型时存在一定的局限性。基于深度学习的音乐推荐系统的研究旨在利用深度学习算法，从用户的历史行为和音乐的音频特征中挖掘更深层次的关联性，提高音乐推荐的准确性和个性化程度。这一课题的研究对于改进音乐推荐系统的效果，提升用户体验具有重要的理论和实际意义。

二、算法理论原理

2.1 推荐算法

        基于用户的协同过滤推荐算法的基本原理是通过挖掘用户与用户之间的关联规则来进行推荐。当用户A对项目a和项目b有兴趣，用户B对项目c和项目d有兴趣，用户C对项目a、项目b和项目c有兴趣时，可以得出用户A和用户C有相似的兴趣爱好。基于这一结论，可以将用户C对项目c的兴趣推荐给用户A，尽管用户A没有接触过该项目。通过建立用户之间的关联规则，基于用户的协同过滤推荐算法能够为用户提供个性化的推荐，增强用户体验。

        降噪自动编码器是在自动编码器的基础上引入噪声的一种变体。通过给输入数据添加一定的噪声，降噪自动编码器能够提升网络的泛化性和鲁棒性，即使在存在噪声的情况下仍然能够准确地进行推荐。该算法的正向传播和反向传播过程与普通的自动编码器一致。在本文中，通过随机选择少量样本并给其输入值加入噪声，利用降噪自动编码器进行训练和优化权重矩阵参数。这种方法结合了降噪自动编码器的特性，能够提高推荐系统对于噪声数据的处理能力，进而提升推荐的准确性。

        降噪自动编码器使用PyTorch进行训练，通过正向传播、损失函数计算和梯度下降的迭代过程，对经过随机加噪的样本进行训练和优化。这种方法能够提高模型的泛化性和鲁棒性，增强推荐系统的性能和准确性。通过循环遍历样本集进行多次训练，降噪自动编码器逐渐学习到输入数据的特征，提高了推荐系统对噪声数据的处理能力。整个过程利用PyTorch的强大功能和灵活性，使得训练过程更加高效和可扩展。 

2.2 深度学习

        卷积神经网络是一种常用的深度学习模型，主要由输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层组成。其中，卷积层通过卷积操作降低数据的维度，池化层在保留主要特征的同时进一步压缩数据量和参数量。在图像处理中，将图像转换为一维数据输入网络，并经过一系列的卷积和池化操作，最终通过全连接层或softmax分类器进行输出。全卷积网络（FCN）作为卷积神经网络模块。它将输入的梅尔频谱图作为特征输入到全卷积网络中，通过卷积和池化操作不断提取相关特征。最后，利用输出层的softmax分类器输出结果，并通过迭代训练优化网络参数，将训练好的模型保存至本地。

        处理音乐频谱数据时，卷积神经网络往往会忽略数据中的时间序列相关性。然而，音乐频谱包含了大量的上下文内容，为了更好地捕捉这些相关性，可以使用循环神经网络进行处理。循环神经网络具有记忆性和参数共享的特点，记忆性指的是它能够处理短期记忆，而参数共享指的是在每个时间步上，所对应的参数是共享的。

        对于音乐频谱的特征提取，不能忽略上下文的相关性，因此在特征提取模型中引入循环神经网络是必要的。通过循环神经网络，可以获取梅尔频谱的深层次特征，更好地捕捉音乐数据中的时间序列相关性。这样的模型能够有效地提取音乐的特征，为后续的任务（如音乐分类、音乐生成等）提供更准确和有意义的输入。

三、检测的实现

3.1 数据集

        由于网络上没有现有的合适的音乐数据集，我决定通过两种方式进行数据集的收集：一是利用音乐流媒体平台的API接口，获取用户的历史播放记录和喜好标签等信息；二是通过互联网收集音乐的音频文件，并利用音频处理库提取音频特征。通过这两种方式的数据采集，我得到了一个包含不同类型音乐和用户行为的数据集，为后续的实验和算法验证提供了基础。

        为了增加数据集的多样性和扩充训练样本，我使用了数据扩充技术。数据扩充是通过对原始数据进行变换和增强，生成新的样本，以增加训练集的多样性和数量。在音乐推荐系统中，数据扩充可以包括调整音频的音量、变速、混响等参数，或者组合不同的音乐片段来产生新的音频样本。通过数据扩充，可以增加训练集的规模和多样性，提高模型的泛化能力和推荐效果。

3.2 实验环境搭建

        利用Core i5处理器和NVIDIA GeForce GTX 3060的硬件环境，结合PyTorch 和Python的软件环境，可以高效地进行降噪自动编码器的实验，提高推荐系统的性能和准确性。通过这个硬件环境和软件环境的组合，可以充分利用计算机的计算能力和GPU加速，提高训练过程的效率和速度。PyTorch作为一种强大的深度学习框架，提供了丰富的功能和易用的API，可以方便地搭建、训练和优化降噪自动编码器模型。

3.3 实验及结果分析

        音频特征提取是从音频信号中提取有用的特征信息，用于音频信号的分析、处理和应用。音乐的音频特征通常包含时域和频域两种信息，因为音乐信号在时域和频域上都具有丰富的特性。同时表达音频的时域和频域信息可以更全面地描述音乐信号的特点，有助于提高音频处理任务的性能。音乐的音频文件通常以MP3格式存储，表示为一维时域信号。然而，傅里叶变换将整个信号视为静态频谱，无法捕捉到音乐信号在时间上的动态变化。使用基于窗口的时频分析方法，如短时傅里叶变换（ STFT）、连续小波变换（CWT）、希尔伯特-黄变换（HHT）等。这些方法将音频信号分成短时窗口，在每个窗口上进行频域分析，从而获得音频信号在不同时间段上的频谱信息。这样可以更好地捕捉到音乐信号频率随时间变化的特性。

        基于降噪自动编码器的协同过滤推荐算法结合了特征学习和传统协同过滤方法，通过构建用户与项目的评分矩阵来训练降噪自动编码器模型，从而实现推荐系统。相较于基于内容的推荐算法，该方法节约了特征提取的环节。然而，它面临着冷启动问题和数据稀疏的挑战。为了弥补这些问题，可以将基于标签的推荐与基于降噪自动编码器的协同过滤算法相结合。通过综合分析两种推荐算法的优缺点，并进行仿真实验，可以验证该方法是否能够提供更高效和准确的推荐结果。

        使用均方根误差（RMSE）和召回率（Recall）作为评估指标，对混合推荐模型进行了综合评估。RMSE用于衡量推荐模型对用户评分的预测准确度，而召回率则评估模型在推荐列表中包含用户真实感兴趣项目的能力。通过综合考虑这两个指标，可以全面评估混合推荐模型在准确度和覆盖度方面的性能表现，帮助确定模型的优劣和适用性。

相关代码示例：

import librosa

# 读取音频文件
audio_file = 'audio.wav'
audio, sr = librosa.load(audio_file)

# 提取音频特征
stft = librosa.stft(audio)  # 进行短时傅里叶变换（STFT）
spectrogram = librosa.amplitude_to_db(abs(stft))  # 转换为频谱图

# 可选的特征提取
# mel_spec = librosa.feature.melspectrogram(audio)  # 梅尔频谱特征
# chroma = librosa.feature.chroma_stft(audio)  # 色度特征
# mfcc = librosa.feature.mfcc(audio)  # MFCC特征

# 打印特征形状
print("Spectrogram shape:", spectrogram.shape)
# print("Mel spectrogram shape:", mel_spec.shape)
# print("Chroma shape:", chroma.shape)
# print("MFCC shape:", mfcc.shape)

实现效果图样例：

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最后