Elasticsearch向量检索需要的数据集以及768维向量生成

Elasticsearch8.17.0在mac上的安装

Kibana8.17.0在mac上的安装

Elasticsearch检索方案之一：使用from+size实现分页

快速掌握Elasticsearch检索之二：滚动查询(scrool)获取全量数据(golang)

Elasticsearch检索之三：官方推荐方案search_after检索实现（golang）

1、面临的首要问题

对于elasticsearch的向量检索的学习，我打算做一个图片检索的方案，图片检索在自动驾驶、ai识图、搜索都有广泛的应用，因此就借着学习elasticsearch的机会，设计一个mvp版本的图像搜索方案，以供有需要的各位小伙伴参考。

在学习向量检索之前，数据是基石，从哪里找上几千张图片，而且还有有一定的代表性，又如何将这些图片转化成向量，都是首先要解决的问题。

2、寻找数据集

12月中旬去阿里参加了elastic的线下meetup，当时阿里同学分享了一个向量测试的性能数据，我对这个数据印象非常深刻，于是在问答环节，请教了这个性能数据测试使用了多大的数据量，索引大小多少等问题，当时说到了一个数据集：ANN_GIST1M 960维，我们可以从这里下载到它：

http://corpus-texmex.irisa.fr/

下载解压后：

这些文件数据，需要使用matlab读取，咱也不太懂，还是找找图片的吧，再用模型跑一下就能出向量。

之后搜索了一些公开的图片数据集，找到了一个小猫、小狗数据集，这个挺有意思，小猫1000张图片，小狗1000张图片，除了训练集还有200张评测集，就用它了，我将数据集上传到了github上，点击查看https://github.com/liupengh3c/career/tree/main/cats_and_dogs_v2需要的同学可以自取。

 这样数据集的问题就解决了，接下来解决抽取图像特征的问题。

3、寻找开源模型，抽取图像特征

本想着网上找个免费的api，输入图片，返回图片768维的特征向量，最后没有找到，只好求助于团队内算法同学，他给推荐了一个openai的开源模型：

https://hf-mirror.com/openai/clip-vit-large-patch14/tree/main

这里所有的文件都需要下载下来：

并汇总放到一个文件夹下，之后编写python代码，用此模型抽取图片特征：

import torch
from PIL import Image
from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel
import numpy as np
# 加载预训练的CLIP模型和处理器
model = CLIPModel.from_pretrained("/Users/liupeng/Downloads/clip-vit-large-patch14")
processor = CLIPProcessor.from_pretrained("/Users/liupeng/Downloads/clip-vit-large-patch14")
# 加载图像并进行预处理
image = Image.open("/Users/liupeng/Downloads/dog.11001.jpg")  # 替换为你的图像路径
inputs = processor(images=image, return_tensors="pt")
# 提取图像特征
with torch.no_grad():image_features = model.get_image_features(**inputs)
print("shape:",image_features.shape)
# 对图像特征进行 L2 归一化
# 使用 .norm() 计算 L2 范数并进行归一化
image_features_normalized = image_features / image_features.norm(p=2, dim=-1, keepdim=True)
numpy_array = image_features_normalized.numpy()
# 打印归一化后的特征和特征的模长（应该为 1）
print("归一化后的图像特征:", numpy_array[0])
print("归一化后的模长:", image_features_normalized.norm(p=2, dim=-1))  # 应该接近 1

上面代码实现了单张图片特征提取，后面根据需求再完善。

4、向量索引设计

向量检索，最大的机器瓶颈就是内存，因此我们在设计索引时，应该最大限度的保证内存的占用最低，即使牺牲掉部分精度。

而检索算法：KNN(最近邻检索)，它的原理是：计算待查询向量与数据库中所有向量之间的距离，然后按照距离从小到大排序，选择距离最近的 K 个向量作为查询结果。KNN 算法的优点是可以保证精确的结果，但是效率较低，不是elastic的默认检索算法，大家可以参考这篇文章：

ElasticSearch向量检索技术方案介绍，

为了提升向量检索的效率、降低机器内存占用，elastic采用HNSW算法支持向量检索，HNSW是一种近似紧邻检索，牺牲了一定的精度，但是大大提升了检索的效率。

对于向量索引，我们只设计3个字段：

name：本张图片小动物名称，猫or狗
IFV：本章图片向量
path：图片路径或地址

其中检索算法采用hnsw，并使用int8量化，以减少内存占用，这样会牺牲一定的精度，同时磁盘占用量会增加25%左右，向量距离计算逻辑为欧氏距离： 

PUT /vector_search_202412
{"mappings": {"properties": {"name": {"type": "keyword","ignore_above": 256},"path": {"type": "keyword","ignore_above": 256},"IFV": {"type": "dense_vector","index": true,"dims": 768,"similarity": "l2_norm","index_options": {"type": "int8_hnsw"}}}}
}

5、全部数据集抽取特征并入库

首先调整我们抽取特征脚本，增加遍历文件夹所有图片+写入es部分：

import torch
from PIL import Image
from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel
import numpy as np
import os
from elasticsearch import Elasticsearch, helpers
# Elasticsearch服务器地址和端口
host = 'https://localhost:9200'
# 用户名和密码
username = 'elastic'
password = 'xpE4DQGWE9bCkoj7WXYE'# 创建Elasticsearch客户端实例，并提供用户名和密码
es = Elasticsearch(hosts=[host], http_auth=(username, password), verify_certs=False,ca_certs="/Users/liupeng/Documents/study/elasticsearch-8.17.0/config/certs/http_ca.crt")
# 检查连接是否成功
if not es.ping():print("无法连接到Elasticsearch")exit()
else:print("成功连接到Elasticsearch")
# 现在你可以使用es变量来与Elasticsearch进行交互了
# 加载预训练的CLIP模型和处理器
model = CLIPModel.from_pretrained("/Users/liupeng/Documents/career/clip-vit-large-patch14")
processor = CLIPProcessor.from_pretrained("/Users/liupeng/Documents/career/clip-vit-large-patch14")
# 加载图像并进行预处理
# folder = "/Users/liupeng/Documents/career/cats_and_dogs_v2/train/cats"
folder = "/Users/liupeng/Documents/career/cats_and_dogs_v2/train/dogs"
for root, dirs, files in os.walk(folder):index_id = 1000for file in files:index_id += 1print(os.path.join(root, file))image = Image.open(os.path.join(root, file))  inputs = processor(images=image, return_tensors="pt")# 提取图像特征with torch.no_grad():image_features = model.get_image_features(**inputs)print("shape:",image_features.shape)# 对图像特征进行 L2 归一化# 使用 .norm() 计算 L2 范数并进行归一化image_features_normalized = image_features / image_features.norm(p=2, dim=-1, keepdim=True)numpy_array = image_features_normalized.numpy()# 打印归一化后的特征和特征的模长（应该为 1）# print("归一化后的图像特征:", numpy_array[0])# print("归一化后的模长:", image_features_normalized.norm(p=2, dim=-1))  # 应该接近 1documents = [{"name": "cat_"+str(index_id), "IFV": numpy_array[0].tolist(),"path":file},]helpers.bulk(es, [{"_index": "vector_search_202412","_id": index_id,"_source": doc}for doc in documents])

上面代码，由于数据集中小猫和小狗是两个不同的文件夹，所以需要跑2次，小猫和小狗各一次。

同时代码都已上传到github上： 

https://github.com/liupengh3c/career/blob/main/features/main.py

推理过程很耗费资源，mac的风扇呼呼的转呀。

占用的空间大小35M：

 到这里向量数据就全部入库完成了。

新的一年。就让我们对过去所有开心的事做个总结，对不开心的所有事也做个了结，微笑着迎接属于我们所有人的2025年，祝我可爱的小伙伴们新年快乐。 

天亮了，去跑个20.25km迎接新一年的到来~~~~~~~~~~~~~