近似最近邻搜索ANN(Approximate Nearest Neighbor)

目录

一、随机投影森林-一种近似最近邻方法（ANN）

1. 随机投影森林介绍

2、LSHForest/sklearn

二、Kd-Tree的最近邻查找

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参考阅读：

annoy 源码阅读 (近似最近邻搜索 ANN)

https://blog.csdn.net/KIDGIN7439/article/details/76599027?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

KNN（二）--近似最近邻算法ANN

https://blog.csdn.net/ccblogger/article/details/60480446?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

最近邻检索（NN）和近似最近邻（ANN）检索

https://blog.csdn.net/zijikanwa/article/details/85604689

最近邻检索（Nearest Neighbor Search）的简单综述

https://blog.csdn.net/lovego123/article/details/67638789

本文主要介绍两种近似最近邻算法，随机投影森林算法和K-D树

一、随机投影森林-一种近似最近邻方法（ANN）

相关参考：

http://yongyuan.name/blog/approximate-nearest-neighbor-search.html

https://blog.csdn.net/sinat_26917383/article/details/70243066

 http://blog.sina.com.cn/s/blog_7103b28a0102w1ny.html

https://blog.csdn.net/sinat_26917383/article/details/70243066

1. 随机投影森林介绍

当数据个数比较大的时候，线性搜索寻找KNN的时间开销太大，而且需要读取所有的数据在内存中，这是不现实的。因此，实际工程上，使用近似最近邻也就是ANN问题。
其中一种方法是利用随机投影树，对所有的数据进行划分，将每次搜索与计算的点的数目减小到一个可接受的范围，然后建立多个随机投影树构成随机投影森林，将森林的综合结果作为最终的结果。

​建立一棵随机投影树的过程大致如下（以二维空间为例）：

 

随机选取一个从原点出发的向量，与这个向量垂直的直线将平面内的点划分为了两部分，将属于这两部分的点分别划分给左子树和右子树。在数学计算上，是通过计算各个点与垂直向量的点积完成这一步骤的，点积大于零的点划分到左子树，点积小于零的点划分到右子树。注意一点，图中不带箭头的直线是用于划分左右子树的依据，带箭头的向量是用于计算点积的。这样，原有的点就划分为了两部分

但是此时一个划分结果内的点的数目还是比较多，因此继续划分。再次随机选取一个向量，与该向量垂直的直线将所有点进行了划分。

注意一点，此时的划分是在上一次划分的基础上进行的。​也就是说现在图中的点已经被划分成了四部分，对应于一棵深度为2，有四个叶节点的树。以此类推继续划分下去，直到每个叶节点中点的数目都达到一个足够小的数目。注意这棵树并不是完全树。

利用这棵树对新的点进行最近邻计算时，首先通过计算该点与每次划分所用向量的点积，来找到其所属于的叶节点，然后利用这个叶节点内的​​这些点进行最近邻算法的计算。这个过程是一棵随机投影树的计算过程，利用同样的方法，建立多个随机投影树构成随机森林，将森林的总和结果作为最终的结果。

python中可以完成这个功能的模块包括RPForest和sklearn.neighbors中的LSHForest。

2、LSHForest/sklearn

参考：python实现局部敏感随机投影森林——LSHForest/sklearn

https://blog.csdn.net/sinat_26917383/article/details/70243066

>>> from sklearn.neighbors import LSHForest


>>> X_train = [[5, 5, 2], [21, 5, 5], [1, 1, 1], [8, 9, 1], [6, 10, 2]]
>>> X_test = [[9, 1, 6], [3, 1, 10], [7, 10, 3]]

>>> lshf = LSHForest(random_state=42)
>>> lshf.fit(X_train)  
LSHForest(min_hash_match=4, n_candidates=50, n_estimators=10,
          n_neighbors=5, radius=1.0, radius_cutoff_ratio=0.9,
          random_state=42)

>>> distances, indices = lshf.kneighbors(X_test, n_neighbors=2)

>>> distances                                        
array([[ 0.069...,  0.149...],
       [ 0.229...,  0.481...],
       [ 0.004...,  0.014...]])

>>> indices
array([[1, 2],
       [2, 0],
       [4, 0]])

LSHForest(random_state=42)树的初始化，
lshf.fit(X_train)开始把数据载入初始化的树；
lshf.kneighbors(X_test, n_neighbors=2)，找出X_test每个元素的前2个（n_neighbors）相似内容。
其中，这个是cos距离，不是相似性，如果要直观，可以被1减。
 

二、Kd-Tree的最近邻查找

参考：

https://blog.csdn.net/si894438380/article/details/101535804?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

https://blog.csdn.net/zrh_CSDN/article/details/80626722

输入：已经构造的kd树，目标点x；

输出：x的最近邻

1在kd树中找出包含目标点x的叶节点：从根结点出发，递归地向下访问kd树。若目标点x当前维的坐标小于切分点的坐标，则移动到左叶子结点，否则移动到右叶子结点。直到子节点为叶节点为止。

2以此叶节点为“当前最近点”

3递归地向上回退，在每个结点进行以下操作：

a．如果该结点保存的实例点比当前最近点距离目标点更近，则以该实例点为“当前最近点”

b．当前最近点一定存在于该结点一个子结点对应的区域。检查该子结点的父结点的另一子结点对应的区域是否有更近的点。具体来说，检查另一子结点对应的区域是否与以目标点为球心，以目标点与“当前最近点”间的距离为半径的超球体相交。

如果相交，可能在另一子结点对应的区域内存在距离目标点更近的点，移动到另一个子结点。接着，递归地进行最近邻搜索；

如果不相交，向上回退。

4当回退到根结点使，搜索结束，最后的“当前最近点”即为x的最近邻点。
 

实现过程举例，如下：

下面用一个简单的例子来演示基于Kd-Tree的最近邻查找的过程。

数据点集合：(2,3), (4,7), (5,4), (9,6), (8,1), (7,2) 。

已建好的Kd-Tree：

假设我们的k-d tree就是上面通过样本集{(2,3), (5,4), (9,6), (4,7), (8,1), (7,2)}创建的。
我们来查找点(2.1,3.1)，在(7,2)点测试到达(5,4)，在(5,4)点测试到达(2,3)，然后search_path中的结点为<(7,2), (5,4), (2,3)>，从search_path中取出(2,3)作为当前最佳结点nearest, dist为0.141；
然后回溯至(5,4)，以(2.1,3.1)为圆心，以dist=0.141为半径画一个圆，并不和超平面y=4相交，如下图，所以不必跳到结点(5,4)的右子空间去搜索，因为右子空间中不可能有更近样本点了。
于是在回溯至(7,2)，同理，以(2.1,3.1)为圆心，以dist=0.141为半径画一个圆并不和超平面x=7相交，所以也不用跳到结点(7,2)的右子空间去搜索。
至此，search_path为空，结束整个搜索，返回nearest(2,3)作为(2.1,3.1)的最近邻点，最近距离为0.141。