Faiss简单使用

Faiss是Facebook AI Research开发的快速相似性搜索（similarity search）计算库，为稠密向量提供高效相似度搜索和聚类，支持十亿级别向量的搜索。

Faiss 的核心原理是基于向量索引和近似最近邻搜索。它通过构建索引结构来加速相似性搜索，以在大规模数据集中快速找到最相似的向量。

本节不介绍Faiss的原理，只介绍使用方法。

1. 安装

# Faiss分为cpu和gpu两个版本，按需进行安装
#cpu版,faiss-cpu仅支持cpu
conda install -c pytorch faiss-cpu 

#gpu版，faiss-gpu支持cpu和gpu
conda install -c pytorch faiss-gpu

2. Faiss使用

Faiss使用较为简单，主要分为三部分，构建数据集、建立索引并添加向量、检索。

2.1 构建数据集

首先拥有数据集，然后转化为向量。文本向量化可以使用向量模型，比如m3e,ernie-base,text2vec等等。

注意，在 Python 中，矩阵始终表示为 numpy 数组。数据类型dtype必须是float32.

#例一，官方代码
import numpy as np
d = 64                           # dimension
nb = 100000                      # database size
nq = 10000                       # nb of queries
np.random.seed(1234)             # make reproducible
xb = np.random.random((nb, d)).astype('float32')
xb[:, 0] += np.arange(nb) / 1000.
xq = np.random.random((nq, d)).astype('float32')
xq[:, 0] += np.arange(nq) / 1000.
print(xb,xb.shape,xb.dtype)
print("*"*80)
print(xq,xq.shape,xq.dtype)

# 例二，使用text2vec-large-chinese模型演示
from text2vec import SentenceModel
sentences = ['如何更换花呗绑定银行卡', '花呗更改绑定银行卡','怎么换银行卡', '银行卡毁坏如何补办', '花呗如何打开']

model = SentenceModel('GanymedeNil/text2vec-large-chinese')
embeddings = model.encode(sentences)
if embeddings.dtype!='float32':
    embeddings = embeddings.astype('float32')
else:
    pass

print(embeddings,embeddings.shape,embeddings.dtype)

2.2 构建索引并添加向量

Faiss的核心是索引，建立索引可以提高搜索效率。Faiss含有多种索引，如IndexFlatL2，IndexFlatIP，IndexIVFFlat等。建立索引之前需要明确向量的维数。大多数索引需要进行训练，以分析向量的分布。

当索引建立并训练后，可以对索引执行两个操作：add和search。

#例一，跟2.1例一承接
import faiss                   # make faiss available
index = faiss.IndexFlatL2(d)   # build the index，d is dimension
print(index.is_trained)        # 指示索引是否需要训练，输出为True，代表该类index不需要训练，只需要add向量进去即可
index.add(xb)                  # add vectors to the index
print(index.ntotal)            # 索引向量的数量

#例二，跟2.1例二承接

import faiss
num,d = embeddings.shape
index = faiss.IndexFlatL2(d)  
print(index.is_trained) 
index.add(embeddings) 
print(index.ntotal)

2.3 检索

Faiss在索引上进行的基本搜索操作是k-近邻搜索，即对于每个查询向量，在数据库中找到其k个近邻。

k = 4                          # we want to see 4 nearest neighbors
D, I = index.search(xb[:5], k) # sanity check
print(I)                       # I是每个待检索query最相似TopK的索引列表
print(D)                       # D是每个待检索query最相似TopK的索引对应的距离
D, I = index.search(xq, k)     # actual search
print(I[:5])                   # neighbors of the 5 first queries
print(I[-5:])                  # neighbors of the 5 last queries

k = 4
query = ['花呗如何更换银行卡呢']
query_embedding = model.encode(query)
if query_embedding.dtype!='float32':
    query_embedding = query_embedding.astype('float32')
else:
    pass
D, I = index.search(query_embedding, k)
print(I)
print(D)
#结果解读：I是检索返回结果排序，相对来说检索结果还算准确，但是分数有点大，说明文本向量化不够准确。

2.4 总结

在本节中使用的索引类型不需要训练，大家可以使用IndexIVFFlat（倒排索引）试试，倒排索引需要进行索引训练，而且检索效率更高。

3. 小结

Faiss检索使用简单，主要在于如何进行准确的文本向量化，才能确保返回正确的检索结果。目前大模型外接知识库中，其中一步就是文本检索，文本检索不准确就会导致“garbage in, garbage out“。

参考

• https://www.writebug.com/article/1c571b48-1b41-11ee-8711-0242ac14000f

• https://github.com/facebookresearch/faiss

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/357414033

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/133210698

• https://blog.csdn.net/weixin_43791511/article/details/122513786