Elasticsearch 向量搜索

Elasticsearch 向量搜索

本文将会介绍 Elasticsearch 向量搜索的两种方式。

向量搜索

提到向量搜索,我想你一定想知道:

  1. 向量搜索是什么?
  2. 向量搜索的应用场景有哪些?
  3. 向量搜索与全文搜索有何不同?

ES 的全文搜索简而言之就是将文本进行分词,然后基于词通过 BM25 算法计算相关性得分,从而找到与搜索语句相似的文本,其本质上是一种 term-based(基于词)的搜索。

全文搜索的实际使用已经非常广泛,核心技术也非常成熟。但是,除了文本内容之外,现实生活中还有非常多其它的数据形式,例如:图片、音频、视频等等,我们能不能也对这些数据进行搜索呢?

答案是 Yes !

随着机器学习和人工智能等技术的发展,万物皆可 Embedding。换句话说就是,我们可以对文本、图片、音频、视频等等一切数据通过 Embedding 相关技术将其转换成特征向量,而一旦向量有了,向量搜索的需求随之也越发强烈,向量搜索的应用场景也变得一望无际、充满想象力。

Elasticsearch 向量搜索_第1张图片

ES 向量搜索说明

ES 向量搜索目前有两种方式:

  • script_score
  • _knn_search

script_score 精确搜索

ES 7.6 版本对新增的字段类型 dense_vector 确认了稳定性保证,这个字段类型就是用来表示向量数据的。

数据建模示例:

PUT my-index
{
  "mappings": {
    "properties": {
      "my_vector": {
        "type": "dense_vector",
        "dims": 128
      },
      "my_text" : {
        "type" : "keyword"
      }
    }
  }
}

如上图所示,我们在索引中建立了一个 dims 维度为 128 的向量数据字段。

script_score 搜索示例:

{
  "script_score": {
    "query": {"match_all": {}},
    "script": {
      "source": "cosineSimilarity(params.query_vector, 'my_vector') + 1.0",
      "params": {"query_vector": query_vector}
    }
  }
}

上图所示的含义是使用 ES 7.3 版本之后内置的 cosineSimilarity 余弦相似度函数计算向量之间的相似度得分。

需要注意的是,script_score 这种搜索方式是先执行 query ,然后对匹配的文档再进行向量相似度算分,其隐含的含义是:

  • 数据建模时向量字段可以与其它字段类型一起使用,也就是支持混合查询(先进行全文搜索,再基于搜索结果进行向量搜索)。
  • script_score 是一种暴力计算,数据集越大,性能损耗就越大。

_knn_search 搜索

由于 script_score 的性能问题,ES 在 8.0 版本引入了一种新的向量搜索方法 _knn_search(目前处于试验性功能)。

所谓的 _knn_search 其实就是一种 approximate nearest neighbor search (ANN) 即 近似最近邻搜索。这种搜索方式在牺牲一定准确性的情况下优先追求搜索性能。

为了使用 _knn_search 搜索,在数据建模时有所不同。

示例:

PUT my-index-knn
{
  "mappings": {
    "properties": {
      "my_vector": {
        "type": "dense_vector",
        "dims": 128,
        "index": true,
        "similarity": "dot_product"
      }
    }
  }
}

如上所示,我们必须额外指定:

  • index 为 true 。
  • similarity 指定向量相似度算法,可以是 l2_normdot_productcosine 其中之一。

额外指定 index 为 true 是因为,为了实现 _knn_search,ES 必须在底层构建一个新的数据结构(目前使用的是 HNSW graph )。

_knn_search 搜索示例:

GET my-index-knn/_knn_search
{
  "knn": {
    "field": "my_vector",
    "query_vector": [0.3, 0.1, 1.2, ...],
    "k": 10,
    "num_candidates": 100
  },
  "_source": ["name", "date"]
}

使用 _knn_search 搜索的优点就是搜索速度非常快,缺点就是精确度不是百分百,同时无法与 Query DSL 一起使用,即无法进行混合搜索。

参考文档

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