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Elasticsearch 向量搜索

Elasticsearch 是一个强大的分布式搜索引擎,广泛用于全文搜索、结构化搜索和数据分析。随着机器学习和人工智能的发展,向量搜索成为了 Elasticsearch 的一个重要功能。向量搜索允许我们通过向量(即一组数值)来表示数据,并通过计算向量之间的相似性来进行搜索。这种技术特别适用于处理非结构化数据,如图像、音频和文本。

什么是向量搜索?

向量搜索是一种基于向量相似性的搜索方法。在向量搜索中,数据被表示为向量(通常是高维空间中的点),搜索的目标是找到与查询向量最相似的向量。相似性通常通过计算向量之间的距离(如欧几里得距离或余弦相似度)来衡量。

为什么使用向量搜索?

  • 处理非结构化数据:向量搜索可以有效地处理图像、音频、文本等非结构化数据。
  • 高效相似性搜索:通过向量化表示,可以快速找到与查询数据相似的结果。
  • 支持机器学习模型:许多机器学习模型(如深度学习模型)的输出是向量,向量搜索可以直接利用这些向量进行搜索。

Elasticsearch 中的向量搜索

Elasticsearch 从 7.0 版本开始支持向量搜索。通过使用 dense_vector 数据类型,Elasticsearch 可以存储和搜索向量数据。

1. 定义向量字段

首先,我们需要在 Elasticsearch 中定义一个 dense_vector 字段来存储向量数据。以下是一个示例映射:

json
PUT /my_index
{
"mappings": {
"properties": {
"my_vector": {
"type": "dense_vector",
"dims": 128
},
"text": {
"type": "text"
}
}
}
}

在这个示例中,my_vector 字段是一个 128 维的向量字段,text 字段是一个普通的文本字段。

2. 插入向量数据

接下来,我们可以向索引中插入一些包含向量数据的文档:

json
POST /my_index/_doc/1
{
"my_vector": [0.1, 0.2, 0.3, ..., 0.128],
"text": "This is a sample document with a vector."
}

POST /my_index/_doc/2
{
"my_vector": [0.4, 0.5, 0.6, ..., 0.128],
"text": "Another document with a different vector."
}

3. 执行向量搜索

现在,我们可以使用 script_score 查询来执行向量搜索。以下是一个示例查询,它使用余弦相似度来计算向量之间的相似性:

json
POST /my_index/_search
{
"query": {
"script_score": {
"query": {
"match_all": {}
},
"script": {
"source": "cosineSimilarity(params.query_vector, 'my_vector') + 1.0",
"params": {
"query_vector": [0.1, 0.2, 0.3, ..., 0.128]
}
}
}
}
}

在这个查询中,params.query_vector 是查询向量,cosineSimilarity 函数用于计算查询向量与文档向量之间的余弦相似度。

4. 处理搜索结果

执行上述查询后,Elasticsearch 会返回与查询向量最相似的文档。搜索结果将根据相似度得分进行排序。

json
{
"took": 10,
"timed_out": false,
"_shards": {
"total": 5,
"successful": 5,
"skipped": 0,
"failed": 0
},
"hits": {
"total": {
"value": 2,
"relation": "eq"
},
"max_score": 1.8,
"hits": [
{
"_index": "my_index",
"_type": "_doc",
"_id": "1",
"_score": 1.8,
"_source": {
"my_vector": [0.1, 0.2, 0.3, ..., 0.128],
"text": "This is a sample document with a vector."
}
},
{
"_index": "my_index",
"_type": "_doc",
"_id": "2",
"_score": 1.5,
"_source": {
"my_vector": [0.4, 0.5, 0.6, ..., 0.128],
"text": "Another document with a different vector."
}
}
]
}
}

在这个结果中,文档 1 的相似度得分更高,因此它排在前面。

实际应用场景

1. 图像搜索

假设你有一个包含数百万张图片的数据库,每张图片都被转换为一个向量。你可以使用向量搜索来找到与查询图片最相似的图片。

2. 推荐系统

在推荐系统中,用户和物品可以被表示为向量。通过计算用户向量与物品向量之间的相似度,可以为用户推荐最相关的物品。

3. 自然语言处理

在自然语言处理中,文本可以被转换为向量(如通过 Word2Vec 或 BERT 模型)。通过向量搜索,可以找到与查询文本语义上最相似的文档。

总结

Elasticsearch 的向量搜索功能为处理非结构化数据提供了强大的工具。通过将数据表示为向量,并使用向量相似性进行搜索,我们可以实现高效的相似性搜索。无论是图像搜索、推荐系统还是自然语言处理,向量搜索都能发挥重要作用。

附加资源

练习

  1. 创建一个包含 dense_vector 字段的 Elasticsearch 索引,并插入一些向量数据。
  2. 使用 script_score 查询执行向量搜索,并分析搜索结果。
  3. 尝试使用不同的相似度度量(如欧几里得距离)进行向量搜索。
提示

在实际应用中,向量搜索的性能可能会受到向量维度和数据量的影响。建议在高维向量搜索时使用专门的向量数据库(如 Faiss)来优化性能。