【Milvus的以文搜图】

0. 介绍

以文搜图指的是，根据文本描述，从图像数据库中检索与文本内容相似的图像数据并返回。通过在CSDN中搜索以文搜图，找到了如下两篇文章：

• 从零到一，教你搭建「以文搜图」搜索服务（一）_Zilliz Planet的博客-CSDN博客_以文搜图 搜索引擎技术
• 从零到一，教你搭建「CLIP 以文搜图」搜索服务（二）：5 分钟实现原型_Zilliz Planet的博客-CSDN博客

 这两篇文章的内容介绍了以文搜图的原理，以及如何使用Faiss来搭建以文搜图的应用。

与上述两篇文章不同，本文主要讲述如何基于Chinese-CLIP和Milvus来搭建一个以文搜图应用。

1. Chinese-CLIP

CLIP是OpenAI在2021年提出的多模态神经网络模型，该模型基于OpenAI 收集到的 4 亿对图像文本对进行训练，分别将文本和图像进行编码，之后使用 metric learning 进行权重，其目标是将图像与文本的相似性提高，大致如下图所示。具体内容不在本文赘述。

 Chinese-CLIP是CLIP模型的中文版本，使用大规模的图文对进行训练得到，针对中文领域数据能够实现更好的效果。本文的以文搜图应用使用中文CLIP作为文本和图像的特征提取器，提取数据集中所有图像的特征作为数据库，用于检索。

1.1 安装中文CLIP

中文CLIP的README文件详细描述了如何安装、跨模态检索的Finetune、预测和评估，以及零样本分类等内容，本文主要基于该文件，进行相关实验。

依赖环境

安装中文CLIP库之前，需要满足如下环境配置：

• python >= 3.6.4
• pytorch >= 1.8.0 (with torchvision >= 0.9.0)
• CUDA Version >= 10.2

pip安装

# 通过pip安装
pip install cn_clip

 功能测试

通过下面的代码，可以验证中文CLIP库是否安装正确，主要内容是提取给定的图像和文本特征，并计算它们之间的相似度。

import torch
from PIL import Image

import cn_clip.clip as clip
from cn_clip.clip import load_from_name, available_models
print("Available models:", available_models())
# Available models: ['ViT-B-16', 'ViT-L-14', 'ViT-L-14-336', 'ViT-H-14', 'RN50']

device = "cpu"
if torch.cuda.is_available():
    device = "cuda"

model, preprocess = load_from_name("RN50", \
                                    device=device,
                                    download_root="./")

model.eval()

# image preprocess

image_data = Image.open("examples/pokemon.jpeg")
infer_data = preprocess(image_data).unsqueeze(0).to(device)

# text data
text_data = clip.tokenize(["杰尼龟", "妙蛙种子", "小火龙", "皮卡丘"]).to(device)

with torch.no_grad():
    # image_features = model.encode_image(infer_data)
    # text_features  = model.encode_text(text_data)

    # # 对特征进行归一化，请使用归一化后的图文特征用于下游任务
    # image_features /= image_features.norm(dim=-1, keepdim=True) 
    # text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)

    logits_per_image, logits_per_text = model.get_similarity(infer_data, text_data)
    probs = logits_per_image.softmax(dim=-1).cpu().numpy()

print("Label probs:", probs)  

 现阶段，中文CLIP提供5种不同规模的模型，如下图所示，上述例子使用了RN50，probs输出pookemon图像与4个文本之间的相似性。

 1.2 提取图文特征

在README文件中，跨模态检索部分介绍了如何在下游数据集中对模型进行finetune、预测和评估模型性能。

本节中，主要内容是基于中文clip如何提取图文特征，即使用现有的预训练模型，不做finetune，对数据集进行推理，得到数据集图文特征文件。

准备数据集

按照介绍，为了提高效率，需要将数据集转换为tsv和jsonl格式的文件，然后将其转换为内存索引的LMDB数据库文件。为了简化实验的步骤，本文直接使用项目中提供的已经转换好的数据集，进行后续的实验，如下图所示，下载文件放到对应文件目录下。本文以Flickr30K-CN数据集进行实验。

 文件结构如下所示：

 图文特征提取

通过执行如下命令，能够完成对数据集中图像和文本的特征提取。

#!/bin/bash

# Usage: extract image and text features
# only supports single-GPU inference
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=${1}
export PYTHONPATH=${PYTHONPATH}:`pwd`/cn_clip

SPLIT=${2}
DATAPATH=${3}
RESUME=${DATAPATH}/pretrained_weights/clip_cn_rn50.pt
DATASET_NAME=Flickr30k-CN

python -u cn_clip/eval/extract_features.py \
    --extract-image-feats \
    --extract-text-feats \
    --image-data="${DATAPATH}/datasets/${DATASET_NAME}/lmdb/${SPLIT}/imgs" \
    --text-data="${DATAPATH}/datasets/${DATASET_NAME}/${SPLIT}_texts.jsonl" \
    --img-batch-size=32 \
    --text-batch-size=32 \
    --context-length=52 \
    --resume=${RESUME} \
    --vision-model=RN50 \
    --text-model=RBT3-chinese

其中第一个参数是用于推理的GPU ID，第二参数DATAPATH指的数据存放的目录，split指的是train、test或者valid。图片特征保存于${split}_imgs.img_feat.jsonl文件，文本特征则保存于${split}_texts.txt_feat.jsonl。

KNN检索

在中文CLIP项目中，提供了一个简单的KNN检索，用来计算文到图、图到文检索的top-k召回结果，本文主要计算从文到图的检索结果，与后续使用Milvus进行检索的结果对比。

#!/bin/bash

# Usage: topK search
# only supports single-GPU inference
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=${1}
export PYTHONPATH=${PYTHONPATH}:`pwd`/cn_clip

SPLIT=${2}
DATAPATH=${3}
RESUME=${DATAPATH}/pretrained_weights/clip_cn_rn50.pt
DATASET_NAME=Flickr30k-CN

python -u cn_clip/eval/make_topk_predictions.py \
    --image-feats="${DATAPATH}/datasets/${DATASET_NAME}/${SPLIT}_imgs.img_feat.jsonl" \
    --text-feats="${DATAPATH}/datasets/${DATASET_NAME}/${SPLIT}_texts.txt_feat.jsonl" \
    --top-k=10 \
    --eval-batch-size=32768 \
    --output="${DATAPATH}/datasets/${DATASET_NAME}/${SPLIT}_predictions.jsonl"

结果保存到${split}_predictions.jsonl文件中，每行表示一个文本召回的top-k图片id，格式如下：

{"text_id": 153915, "image_ids": [5791244, 1009692167, 7454547004, 3564007203, 38130571, 2525270674, 2195419145, 2503091968, 4966265765, 3690431163]}

 至此，对于中文CLIP如何提取图像和文本特征有了大致的了解，接下来，将中文CLIP提取的图像特征存储到Milvus中，然后输入文本，CLIP提取文本特征，在图像数据库中检索得到topK个内容与文本相似的图像结果。

2. Milvus

如前面文章介绍，Milvus是一个向量数据库，基于深度学习网络提取的特征进行对象之间相似度计算，返回topK个相似的结果。

不同的检索任务，需要对milvus和mysql的数据内容进行设计，以及如何提取对象的特征是十分重要的。

 以文搜图的整体流程如上图所示，图片来自链接：

1. 构建图像特征库

图像数据集通过多模态模型提取特征，本文中使用中文CLIP多模态模型，然后将特征存储到Milvus中，用于后续的检索。

2. 文本检索

请求文本通过多模态模型提取特征，得到文本特征，然后从Milvus数据库中进行检索，得到topK个相似的内容。

2.1 构建特征提取网络

 如下方的代码所示，基于中文CLIP构建一个特征提取类，使用extract_image_featuresh和extract_text_features提取图像和文本特征。

build_Flickr30kCN_image_db函数用于从第一部分生成的图像特征文件中提取图像ID和特征来构建图像数据库，用于后续的检索任务。

load_images函数用于提取图像ID和以base64编码的二进制图像数据，后续插入到MySQL中，检索时，返回相应的图像内容。

import torch
from PIL import Image
import os
import json
from tqdm import tqdm
import cn_clip.clip as clip
from cn_clip.clip import available_models
print("Available models:", available_models())
# Available models: ['ViT-B-16', 'ViT-L-14', 'ViT-L-14-336', 'ViT-H-14', 'RN50']



class Chinese_CLIP:
    def __init__(self) -> None:
        self.device = "cpu"
        if torch.cuda.is_available():
            self.device = "cuda"
        self.splits = ["valid"]
        self.model, self.preprocess = clip.load_from_name(  "RN50", \
                                                            device=self.device,
                                                            download_root="./")
        self.model.eval()

    def extract_image_features(self, img_name):        # for upload
        image_data = Image.open(img_name).convert("RGB")
        infer_data = self.preprocess(image_data)
        infer_data = infer_data.unsqueeze(0).to(self.device)
        with torch.no_grad():
            image_features = self.model.encode_image(infer_data)
        image_features /= image_features.norm(dim=-1, keepdim=True) 

        return image_features.cpu().numpy()[0]     # [1, 1024]

    def extract_text_features(self, text):            # for search

        text_data = clip.tokenize([text]).to(self.device)
        with torch.no_grad():
            text_features = self.model.encode_text(text_data)
        text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
        return text_features.cpu().numpy()[0]      # [1, 1024]
    
    def build_Flickr30kCN_image_db(self, data_path):        # for load 
        image_ids = list()
        image_feats = list()
        for split in self.splits:
            image_path = os.path.join(data_path, split + "_imgs.img_feat.jsonl")
            if not os.path.isfile(image_path):
                print("error, file {} is not exist.".format(image_path))
                continue
            with open(image_path, "r") as fin:
                for line in tqdm(fin, desc="build image {} part: ".format(split)):
                    obj = json.loads(line.strip())
                    image_ids.append(obj['image_id'])
                    image_feats.append(obj['feature'])
        return image_ids, image_feats
    
    
    def load_images(self, data_path):        # for mysql
        image_dicts = dict()
        for split in self.splits:
            file_path = os.path.join(data_path, split + "_imgs.tsv")
            if not os.path.isfile(file_path):
                print("error, file {} is not exist.".format(file_path))
            with open(file_path, "r") as fin_imgs:
                for line in tqdm(fin_imgs):
                    line = line.strip()
                    image_id, b64 = line.split("\t")
                    image_dicts[image_id] = b64.encode()
        return image_dicts               

2.2 设计collection

和其他任务一样，以文搜图任务的collection内容设计如下，milvus index是milvus生成的索引index，embedding是图像的特征。

  def create_collection(self, collection_name):       # 创建collection对象
        # Create milvus collection if not exists
        try:
            if not self.has_collection(collection_name):
                field1 = FieldSchema(name="id", dtype=DataType.INT64, descrition="int64", is_primary=True, auto_id=True)
                field2 = FieldSchema(name="embedding", dtype=DataType.FLOAT_VECTOR, descrition="float vector",
                                     dim=VECTOR_DIMENSION, is_primary=False)
                schema = CollectionSchema(fields=[field1, field2], description="collection description")
                self.collection = Collection(name=collection_name, schema=schema)
                LOGGER.debug(f"Create Milvus collection: {collection_name}")
            else:
                # utility.drop_collection(collection_name)
                # self.create_collection(collection_name)
                self.set_collection(collection_name)
            return "OK"
        except Exception as e:
            LOGGER.error(f"Failed to create collection to Milvus: {e}")
            sys.exit(1)

2.3 设计MySQL表

与Milvus对应的，MySQL table的设计如下，milvus index是milvus生成的索引index，image id是图像对应的图像名，image data是base64编码后的二进制图像数据。

    def create_mysql_table(self, table_name):
        # Create mysql table if not exists
        self.test_connection()
        sql = "create table if not exists " + table_name + "(milvus_id TEXT, image_id TEXT, image_data MEDIUMBLOB not null );"
        try:
            self.cursor.execute(sql)
            LOGGER.debug(f"MYSQL create table: {table_name} with sql: {sql}")
        except Exception as e:
            LOGGER.error(f"MYSQL ERROR: {e} with sql: {sql}")
            sys.exit(1)
    def load_data_to_mysql(self, table_name, data):
        # Batch insert (Milvus_ids, img_path) to mysql
        self.test_connection()
        sql = "insert into " + table_name + " (milvus_id,image_id, image_data) values (%s,%s, %s);"
        try:
            self.cursor.executemany(sql, data)
            self.conn.commit()
            LOGGER.debug(f"MYSQL loads data to table: {table_name} successfully")
        except Exception as e:
            LOGGER.error(f"MYSQL ERROR: {e} with sql: {sql}")
            sys.exit(1)

2.4 构建图像数据库

在operations目录下的load文件的功能是构建图像特征库，本文是从第一部分的文件中解析得到图像ID和图像特征，并将其插入到milvus中，将图像id和图像数据插入MySQL中。

# Get the vector of images
def extract_features(data_path, model):
    try:
        image_ids, image_feats = model.build_Flickr30kCN_image_db(data_path)
        print(f"Extracting feature from {len(image_ids)} images in total")
            
        return image_ids, image_feats
    except Exception as e:
        LOGGER.error(f"Error with extracting feature from image {e}")
        sys.exit(1)


# Combine the id of the vector and the name of the image into a list
def format_data(ids, image_ids, image_dicts):
    data = []
    for i in range(len(ids)):
        value = (str(ids[i]), str(image_ids[i]), image_dicts[str(image_ids[i])])
        data.append(value)
    return data


# Import vectors to Milvus and data to Mysql respectively
def do_load(table_name, image_dir, model, milvus_client, mysql_cli):
    if not table_name:
        table_name = DEFAULT_TABLE
    # 利用模型提取图像特征得到特征向量
    image_ids, vectors = extract_features(image_dir, model)

    ids = milvus_client.insert(table_name, vectors)
    milvus_client.create_index(table_name)

    image_dicts = model.load_images(image_dir)

    mysql_cli.create_mysql_table(table_name)
    mysql_cli.load_data_to_mysql(table_name, format_data(ids, image_ids, image_dicts))
    return len(ids)

2.5 文本检索

在operations目录下的search文件功能是根据给定的文本内容，执行图像检索，具体实现如下：

def do_search(table_name, text_content, top_k, model, milvus_client, mysql_cli):
    try:
        if not table_name:
            table_name = DEFAULT_TABLE
        features = model.extract_text_features(text_content)
        vectors = milvus_client.search_vectors(table_name, [features], top_k)
        vids = [str(x.id) for x in vectors[0]]
        paths = mysql_cli.search_by_milvus_ids(vids, table_name)
        distances = [x.distance for x in vectors[0]]
        return paths, distances
    except Exception as e:
        LOGGER.error(f"Error with search : {e}")
        sys.exit(1)

2.6  配置文件

同样，需要修改config文件中collection名称和特征的维度。

3. FastApi服务端

在main文件中，由于任务发生了变化，因此需要对search条目的函数进行修改，输入文本内容，将输出的base64编码的图像数据解码保存下来。

@app.post('/img/search')
async def search_images( table_name: str = None, content: str = None, topk: int = Form(TOP_K)):
    # Search the upload image in Milvus/MySQL
    try:
        shutil.rmtree(UPLOAD_PATH)
        os.mkdir(UPLOAD_PATH)
        paths, distances = do_search(table_name, content, topk, MODEL, MILVUS_CLI, MYSQL_CLI)
        res = list()
        for data, dist in zip(paths, distances):
            image_path = os.path.join(UPLOAD_PATH, data["image_id"] + ".jpg")
            with open(image_path, "wb") as f:
                img_data = base64.b64decode(data["image_data"])
                f.write(img_data)

            res.append({
                "distance": dist,
                "image_id": image_path,
                # "image_data": data["image_data"]
            })
        # res = sorted(res.items(), key=lambda item: item[1])
        res.sort(key=lambda item: item["distance"])
        LOGGER.info("Successfully searched similar images!")
        return res
    except Exception as e:
        LOGGER.error(e)
        return {'status': False, 'msg': e}, 400

 同样，使用uvicorn main:app --reload命令启动fastapi服务，在浏览器中进入docs页面。

3.1 构建图像数据库

进入/img/load条目，输入collection名称和图像特征文件存放的目录，执行。

 后台返回日志如下：

 数据文件目录结果如下：

3.2 执行文本检索

本文以Flickr30k-CN数据集中valid子集作为实验，其中的一些文本描述如下：

{"text_id": 148915, "text": "这个小女孩穿着古怪的有条纹的裤子是图，你必须要问，这是更大的，她的脚和她的疲倦的微笑。", "image_ids": [104816788]}
{"text_id": 148916, "text": "一个熟睡的婴儿是在某人的手臂上，穿着一件粉红色条纹的衣服。", "image_ids": [104816788]}
{"text_id": 148917, "text": "一个熟睡的婴儿在一个粉红色的条纹衣服。", "image_ids": [104816788]}
{"text_id": 148918, "text": "在某人的怀里抱着一个小婴儿。", "image_ids": [104816788]}
{"text_id": 148919, "text": "一个小宝宝穿着紫色的裤子。", "image_ids": [104816788]}
{"text_id": 148920, "text": "一个穿着蓝色游泳裤的男孩在水里滑了一个黄色的幻灯片，在水里漂浮着充气玩具。", "image_ids": [1077546505]}
{"text_id": 148921, "text": "一个孩子正从一个漂浮在水面上的彩色气球上掉下来。", "image_ids": [1077546505]}
{"text_id": 148922, "text": "一个男孩在一个池塘里滑了一个彩色的管子。", "image_ids": [1077546505]}
{"text_id": 148923, "text": "一个穿着蓝色短裤的男孩在一个游泳池里滑了一个幻灯片。", "image_ids": [1077546505]}
{"text_id": 148924, "text": "一个男孩骑到一个小后院游泳池。", "image_ids": [1077546505]}
{"text_id": 148925, "text": "两家人正在厨房准备食物。", "image_ids": [1079013716]}
{"text_id": 148926, "text": "厨师为顾客准备汉堡。", "image_ids": [1079013716]}
{"text_id": 148927, "text": "两家厨师在餐厅厨房准备汉堡。", "image_ids": [1079013716]}
{"text_id": 148928, "text": "两家人在厨房准备食物。", "image_ids": [1079013716]}
{"text_id": 148929, "text": "厨房烹饪中的2个厨师。", "image_ids": [1079013716]}

 在search条目中，使用如上的一个描述进行检索

 返回的topK结果如下：

3.3 结果对比

通过对比milvus返回的结果和中文CLIP项目中KNN检索的结果，来判断检索的正确性。找到上述文本对应的text ID，在valid_predictions.jsonl文件中，找到对应的topK个Image ID。

KNN 检索结果：

{"text_id": 148924, "image_ids": [989754491, 2508918369, 1077546505, 154094533, 4637950362, 1131340021, 3621652774, 1100214449, 811663364, 2687539673]}

Milvus返回的结果： 

[
  {
    "distance": 0.8329496383666992,
    "image_id": "tmp/search-images/989754491.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8518763780593872,
    "image_id": "tmp/search-images/2508918369.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8582218885421753,
    "image_id": "tmp/search-images/1077546505.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8794834613800049,
    "image_id": "tmp/search-images/154094533.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8805474638938904,
    "image_id": "tmp/search-images/4637950362.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8876401782035828,
    "image_id": "tmp/search-images/1131340021.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8878381848335266,
    "image_id": "tmp/search-images/3621652774.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8895268440246582,
    "image_id": "tmp/search-images/1100214449.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.8895866870880127,
    "image_id": "tmp/search-images/811663364.jpg"
  },
  {
    "distance": 0.9175957441329956,
    "image_id": "tmp/search-images/2687539673.jpg"
  }
]

 通过对比，可以发现两者之间的结果一致。

4. 总结

本文，基于中文CLIP和Milvus简单实现以文搜图应用，使用Flickr30k-CN数据集中valid子集作为实验，FastAPI构建可交互的接口，完成小规模的文本检索图像功能。