Elasticsearch 向量检索详解

1、向量检索的用途

• 相似性搜索：根据向量之间的相似度，找到与目标向量最相似的文档。

• 语义搜索：将文本转换为向量后，进行语义级别的搜索。

• 推荐系统：根据用户行为或兴趣向量，推荐相似的内容。

• 图像搜索：将图像特征转换为向量后，搜索相似的图像。

2、适用场景

2.1 自然语言处理（NLP）：

在 NLP 领域，文本数据可以通过词嵌入模型（如 Word2Vec、BERT）转换为向量，从而实现语义级别的搜索和分析。

具体应用

• 语义搜索：

  根据用户输入的查询文本，找到语义上最相似的文档。

  示例：搜索“人工智能”时，返回与“机器学习”“深度学习”相关的文档。

• 问答系统：

  根据问题向量找到最相关的答案。

  示例：用户提问“如何学习编程？”，系统返回相关的学习资源。

• 文本分类与聚类：

  将文本向量化后，进行分类或聚类分析。

  示例：将新闻文章按主题分类（如体育、科技、财经）。

2.2 图像搜索：

图像可以通过卷积神经网络（CNN）提取特征向量，从而实现基于图像内容的搜索。

具体应用

• 图像检索：

  根据用户上传的图像，找到相似的图像。

  示例：电商平台中的“以图搜图”功能。

• 图像分类与标注：

  将图像向量化后，进行分类或自动标注。

  示例：自动识别图像中的物体（如猫、狗、汽车）。

• 人脸识别：

  将人脸图像转换为向量，进行人脸匹配。

  示例：安防系统中的人脸识别功能。

2.3 推荐系统

推荐系统通过分析用户行为或兴趣向量，推荐相似的内容。

具体应用

• 基于内容的推荐：

  根据用户的历史行为（如点击、购买）生成兴趣向量，推荐相似的内容。

  示例：视频平台根据用户观看记录推荐相关视频。

• 协同过滤：

  将用户和物品表示为向量，计算相似度后进行推荐。

  示例：电商平台根据相似用户的购买记录推荐商品。

2.4 音视频搜索

音频和视频数据可以通过特征提取转换为向量，从而实现基于内容的搜索。

具体应用

• 音频检索：

  根据音频特征向量，搜索相似的音频。

  示例：音乐平台中的“听歌识曲”功能。

• 视频检索：

  根据视频特征向量，搜索相似的视频。

  示例：视频平台中的“相关视频推荐”功能。

3、向量检索的核心概念

3.1 向量

向量是一个高维数组，用于表示文档的特征。

例如，文本可以通过词嵌入模型（如 Word2Vec、BERT）转换为向量，图像可以通过卷积神经网络（CNN）提取特征向量。

3.2 相似度计算

向量检索的核心是通过计算向量之间的相似度，找到最相似的文档。

常用的相似度计算方法：

• 余弦相似度：计算两个向量之间的夹角余弦值，范围在 [-1, 1] 之间，值越大表示越相似。

• 欧氏距离：计算两个向量之间的欧氏距离，距离越小表示越相似。

3.3 向量索引

• Elasticsearch 使用特殊的索引结构（如 dense_vector）来存储和检索向量数据。

• 向量索引支持高效的相似度计算和搜索。

4、案例：基于文本的语义搜索

场景描述
假设我们有一个文档集合，每个文档包含一段文本。我们希望根据用户输入的查询文本，找到语义上最相似的文档。

实现步骤

• 文本向量化：使用预训练的词嵌入模型（如 BERT）将文本转换为向量。

• **存储向量：**将向量存储在 Elasticsearch 的 dense_vector 字段中。

• 向量检索：使用 script_score 查询计算查询向量与文档向量的相似度，并返回最相似的文档。

案例代码
步骤 1：定义索引映射

PUT /documents
{
  "mappings": {
    "properties": {
      "text": {
        "type": "text"
      },
      "text_vector": {
        "type": "dense_vector",
        "dims": 768  // BERT 模型的向量维度
      }
    }
  }
}

步骤 2：插入文档
假设我们已经将文本转换为向量（例如使用 BERT 模型）：

POST /documents/_doc/1
{
  "text": "Elasticsearch is a distributed search engine.",
  "text_vector": [0.12, 0.34, ..., 0.56]  // 768 维向量
}

POST /documents/_doc/2
{
  "text": "Machine learning is a key technology for AI.",
  "text_vector": [0.23, 0.45, ..., 0.67]  // 768 维向量
}

步骤 3：向量检索
假设用户输入的查询文本为 “search engine technology”，我们将其转换为向量 query_vector：

POST /documents/_search
{
  "query": {
    "script_score": {
      "query": {
        "match_all": {}
      },
      "script": {
        "source": "cosineSimilarity(params.query_vector, 'text_vector') + 1.0",
        "params": {
          "query_vector": [0.11, 0.33, ..., 0.55]  // 查询向量
        }
      }
    }
  }
}

响应结果
Elasticsearch 会返回与查询向量最相似的文档，并按相似度排序：

{
  "hits": {
    "hits": [
      {
        "_id": "1",
        "_score": 0.95,
        "_source": {
          "text": "Elasticsearch is a distributed search engine.",
          "text_vector": [0.12, 0.34, ..., 0.56]
        }
      },
      {
        "_id": "2",
        "_score": 0.85,
        "_source": {
          "text": "Machine learning is a key technology for AI.",
          "text_vector": [0.23, 0.45, ..., 0.67]
        }
      }
    ]
  }
}

5、总结

Elasticsearch 的向量检索是一种强大的技术，适用于处理高维向量数据的相似性搜索。通过将文本、图像等数据转换为向量，并结合高效的相似度计算，可以实现语义搜索、图像搜索、推荐系统等复杂场景。掌握向量检索的原理和使用方法，可以帮助开发者构建更智能的搜索应用。