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。

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：

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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：

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{
  "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：

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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_norm 、dot_product、cosine 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：

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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

• text-similarity-search-with-vectors-in-elasticsearch
• dense-vector
• knn-search
• introducing-approximate-nearest-neighbor-search-in-elasticsearch