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大规模特征向量检索算法总结 (LSH PQ HNSW)

编辑整理 梁尔舒

向量检索基本概念

向量从表现形式上就是一个一维数组。我们需要解决的问题是使用下面的公式度量距离寻找最相似的 K 个向量。
向量检索基本概念

  • 欧式距离: 两点间的真实距离,值越小,说明距离越近;
  • 余弦距离:就是两个向量围成夹角的 cosine 值,cosine 值越大,越相似;
  • 汉明距离:一般作用于二值化向量,二值化的意思是向量的每一列只有 0 或者 1 两种取值。
    • 汉明距离的值就两个向量每列数值的异或和,值越小说明越相似,一般用于图片识别;
  • 杰卡德相似系数:* 把向量作为一个集合,所以它可以不仅仅是数字代表,也可以是其他编码,比如词,该值越大说明越相似,一般用于相似语句识别;

因为向量检索场景的向量都是维度很高的,比如 256,512 位等,计算量很大,在工业上,常用的大规模特征向量索引方法主要以倒排、PQ 及其变种、基于树的方法(比如 KD 树)和哈希(典型代表 LSH 和 ITQ)为主流。

首先从检索的召回率上来评估,基于图的索引方法要优于目前其他一些主流 ANN 搜索方法,比如乘积量化方法(PQ、OPQ)、哈希方法等。虽然乘积量化方法的召回率不如 HNSW(基于图的代表方法),但由于乘积量化方法具备内存耗用更小、数据动态增删更灵活等特性,使得在工业检索系统中,在对召回率要求不是特别高的场景下,乘积量化方法仍然是使用得较多的一种索引方法,淘宝(详见 Fast Approximate Nearest Neighbor Search With The Navigating Spreading-out Graph)、蘑菇街等公司均有使用。乘积量化和 HNSW 特性对比如下:

特性 OPQ HNSW
内存占用
召回率 较高
数据动态增删 灵活 不易

基于图 ANN 方法由于数据在插入索引的时候,需要计算(部分)数据间的近邻关系,因而需要实时获取到到数据的原始特征,几乎所有基于图 ANN 的方法在处理该问题的时候,都是直接将原始特征加载在内存(索引)里,从而造成对内存使用过大,至于召回率图 ANN 方法要比基于量化的方法要高,这个理解起来比较直观。

向量检索算法

KNN 算法

KNN 算法表示的是准确的召回 topK 的向量,这里主要有两种算法,一种是 KDTtree,一种是 Brute Force。我们首先分析了 KDTree 的算法,发现 KDTree 并不适合高维向量召回,于是我们实现的 ES 的 Brute Force 插件,并使用了一些 Java 技巧进行加速运算。

KDTree 算法

简单来讲,就是把数据按照平面分割,并构造二叉树代表这种分割,在检索的时候,可以通过剪枝减少搜索次数。

构建树

KD 树选择从哪一维度进行开始划分的标准,采用的是求每一个维度的方差,然后选择方差最大的那个维度开始划分。为何要选择方差作为维度划分选取的标准?我们知道,方差的大小可以反映数据的波动性。方差大表示数据波动性越大,选择方差最大作为划分空间标准的好处在于,可以使得所需的划分面数目最小,反映到树的数据结构上,可以使得我们构建的 KD 树的树深度尽可能小。

以二维平面点 (x,y) 的集合 (2,3),(5,4),(9,6),(4,7),(8,1),(7,2) 为例构建树:

  • 构建根节点时,x 维度上面的方差较大,如上点集合在 x 维从小到大排序为 (2,3),(4,7),(5,4),(7,2),(8,1),(9,6),其中值为 (7,2)
  • (2,3),(4,7),(5,4) 挂在 (7,2) 节点的左子树,(8,1),(9,6) 挂在 (7,2) 节点的右子树。
  • 构建 (7,2) 节点的左子树时,点集合 (2,3),(4,7),(5,4) 此时的切分维度为 y,中值为 (5,4) 作为分割平面,(2,3) 挂在其左子树,(4,7) 挂在其右子树。
  • 构建 (7,2) 节点的右子树时,点集合 (8,1),(9,6) 此时的切分维度也为 y,中值为 (9,6) 作为分割平面,(8,1) 挂在其左子树。
    构建树

上述的构建过程结合下图可以看出,构建一个 KDTree 即是将一个二维平面逐步划分的过程。

kdtreebuildingpic.png

搜索 (3,5) 的最近邻:

  • 首先从根节点 (7,2) 出发,将当前最近邻设为 (7,2),对该 KDTree 作深度优先遍历。以 (3,5) 为圆心,其到 (7,2) 的距离为半径画圆(多维空间为超球面),可以看出 (8,1) 右侧的区域与该圆不相交,所以 (8,1) 的右子树全部忽略。
  • 接着走到 (7,2) 左子树根节点 (5,4),与原最近邻对比距离后,更新当前最近邻为 (5,4)。以 (3,5) 为圆心,其到 (5,4) 的距离为半径画圆,发现 (7,2) 右侧的区域与该圆不相交,忽略改厕所有节点,这样 (7,2) 的整个右子树被标记为已忽略。
  • 遍历完 (5,4) 的左右叶子节点,发现与当前最优距离相等,不更新最近邻。所以 (3,5) 的最近邻为 (5,4)

kdtree-search
KDTree 的查询复杂度为O(kn^{(k-1)/k})k 表示维度,n 表示数据量。说明 k 越大,复杂度越接近线性,所以它并不适合高维向量召回。

Brute Force

顾名思义,就是暴力比对每一条向量的距离,我们使用 BinaryDocValues 实现了 ES 上的 BF 插件。更进一步,我们要加速计算,所以使用了 Java Vector API 。Java Vector API 是在 OpenJDK project Panama 项目中的,它使用了 SIMD 指令优化
Brute Force

LSH 算法

Local Sensitive Hashing,局部敏感哈希,我们可以把向量通过平面分割做 hash。如下图所示,0 表示点在平面的左侧,1 表示点在平面的右侧,然后对向量进行多册 hash,可以看到 hash 值相同的点都比较靠近,所以在 hash 之后,我们只需要计算 hash 值类似的向量,就能较准确地召回 topK
lsh
下面是一些需要重点理解的知识:

1. 局部敏感是啥意思?

当一个函数(或者更准确的说,哈希函数家族)具有如下属性的时候,我们说该哈希函数是局部敏感的:相似的样本点对比相远的样本点对更容易发生碰撞。

2. 用哈希为什么可以加速查找?

对于 Brute Force 搜索,需要遍历数据集中的所有点,而使用哈希,我们首先找到查询样本落入在哪个 cell(即所谓的桶)中,如果空间的划分是在我们想要的相似性度量下进行分割的,则查询样本的最近邻将极有可能落在查询样本的 cell 中,如此我们只需要在当前的 cell 中遍历比较,而不用在所有的数据集中进行遍历。

3. 为什么要用多表哈希?

对于单表哈希,当哈希函数数目 K 取得太大,查询样本与其对应的最近邻落入同一个桶中的可能性会变得很微弱,针对这个问题,我们可以重复这个过程 L 次,从而增加最近邻的召回率。这个重复 L 次的过程,可以转化为构建 L 个哈希表,这样在给定查询样本时,我们可以找到 L 个哈希桶(每个表找到一个哈希桶),然后我们在这 L 个哈希表中进行遍历。这个过程相当于构建了 K*L 个哈希函数(注意是相当,不要做等价理解)。

4. 多表哈希中哈希函数数目 K 和哈希表数目 L 如何选取?



哈希函数数目 K 如果设置得过小,会导致每一个哈希桶中容纳了太多的数据点,从而增加了查询响应的时间;而当 K 设置得过大时,会使得落入每个哈希桶中的数据点变小,而为了增加召回率,我们需要增加 L 以便构建更多的哈希表,但是哈希表数目的增加会导致更多的内存消耗,并且也使得我们需要计算更多的哈希函数,同样会增加查询相应时间。通过选取合理的 KL,我们可以获得比线性扫描极大的性能提升。

5. Multiprobe LSH 是为了解决什么问题?
多 probe LSH 主要是为了提高查找准确率而引入的一种策略。首先解释一下什么是 Multiprobe。对于构建的L个哈希表,我们在每一个哈希表中找到查询样本落入的哈希桶,然后再在这个哈希桶中做遍历,而 Multiprobe 指的是我们不止在查询样本所在的哈希桶中遍历,还会找到其他的一些哈希桶,然后这些找到的T个哈希桶中进行遍历。这些其他哈希桶的选取准则是:跟查询样本所在的哈希桶邻近的哈希桶,“邻近”指的是汉明距离度量下的邻近。

通常,如果不使用 Multiprobe,我们需要的哈希表数目L在 100 到 1000 之间,在处理大数据集的时候,其空间的消耗会非常的高,幸运地是,因为有了上面的 Multiprobe 的策略,LSH 在任意一个哈希表中查找到最近邻的概率变得更高,从而使得我们能到减少哈希表的构建数目。

综上,对于 LSH,涉及到的主要的参数有三个:

  • L:哈希表(每一个哈希表有K个哈希函数)的数目
  • K:每一个哈希表的哈希函数(空间划分)数目
  • T: 近邻哈希桶的数目,即 the number of probes

这三个设置参数可以按照如下顺序进行:首先,根据可使用的内存大小选取L,然后在KT之间做出折中:哈希函数数目K越大,相应地,近邻哈希桶的数目的数目
T也应该设置得比较大,反之K越小,L也可以相应的减小。获取KL最优值的方式可以按照如下方式进行:对于每个固定的K,如果在查询样本集上获得了我们想要的精度,则此时 T的值即为合理的值。在对 T进行调参的时候,我们不需要重新构建哈希表,甚至我们还可以采用二分搜索的方式来加快 T$ 参数的选取过程。

乘积量化

乘积量化(Product QuantizationPQ)是一种非常经典实用的矢量量化索引方法,在工业界向量索引中已得到广泛的应用,并作为主要的向量索引方法,在 Faiss 中有非常高效的实现。乘积量化的核心思想是分段(划分子空间)和聚类,或者说具体应用到 ANN 近似最近邻搜索上,KMeansPQ 乘积量化子空间数目为 1 的特例。

矢量量化方法,即 Vector Quantization,其具体定义为:将一个向量空间中的点用其中一个有限子集来进行编码的过程

PQ 乘积量化生成码本和量化的过程可以用如下图示来说明:
pq
在训练阶段,针对 N 个训练样本,假设样本维度为 128 维,我们将其切分为 4 个子空间,则每一个子空间的维度为 32 维,然后我们在每一个子空间中,对子向量采用 KMeans 对其进行聚类(图中示意聚成 256 类),这样每一个子空间都能得到一个码本。这样训练样本的每个子段,都可以用子空间的聚类中心来近似,对应的编码即为类中心的 ID。如图所示,通过这样一种编码方式,训练样本仅使用很短的一个编码得以表示,从而达到量化的目的。对于待编码的样本,将它进行相同的切分,然后在各个子空间里逐一找到距离它们最近的类中心,然后用类中心的 id 来表示它们,即完成了待编码样本的编码。

正如前面所说的,在矢量量化编码中,关键是码本的建立和码字的搜索算法,在上面,我们得到了建立的码本以及量化编码的方式。剩下的重点就是查询样本与 dataset 中的样本距离如何计算的问题了。

在查询阶段,PQ 同样在计算查询样本与 dataset 中各个样本的距离,只不过这种距离的计算转化为间接近似的方法而获得。PQ 乘积量化方法在计算距离的时候,有两种距离计算方式,一种是对称距离,另外一种是非对称距离。非对称距离的损失小(也就是更接近真实距离),实际中也经常采用这种距离计算方式。下面过程示意的是查询样本来到时,以非对称距离的方式(红框标识出来的部分)计算到 dataset 样本间的计算示意:
pqsearch.png
具体地,查询向量来到时,按训练样本生成码本的过程,将其同样分成相同的子段,然后在每个子空间中,计算子段到该子空间中所有聚类中心的距离,如图中所示,可以得到 4*256 个距离,这里为便于后面的理解说明,可以把这些算好的距离称作距离表。在计算库中某个样本到查询向量的距离时,比如编码为 (124,56,132,222) 这个样本到查询向量的距离时,我们分别到距离表中取各个子段对应的距离即可,比如编码为 124 这个子段,在第 1 个算出的 256 个距离里面把编号为 124 的那个距离取出来就可,所有子段对应的距离取出来后,将这些子段的距离求和相加,即得到该样本到查询样本间的非对称距离。所有距离算好后,排序后即得到我们最终想要的结果。

从上面这个过程可以很清楚地看出 PQ 乘积量化能够加速索引的原理:即将全样本的距离计算,转化为到子空间类中心的距离计算。比如上面所举的例子,原本 brute-force search 的方式计算距离的次数随样本数目 N 成线性增长,但是经过 PQ 编码后,对于耗时的距离计算,只要计算 4*256 次,几乎可以忽略此时间的消耗。另外,从上图也可以看出,对特征进行编码后,可以用一个相对比较短的编码来表示样本,自然对于内存的消耗要大大小于 brute-force search 的方式。

在某些特殊的场合,我们总是希望获得精确的距离,而不是近似的距离,并且我们总是喜欢获取向量间的余弦相似度(余弦相似度距离范围在 [-1,1] 之间,便于设置固定的阈值),针对这种场景,可以针对 PQ 乘积量化得到的前 top@K 做一个 brute-force search 的排序。

倒排乘积量化

倒排乘积量化(IVFPQ)是 PQ 乘积量化的更进一步加速版。其加速的本质逃不开在最前面强调的加速原理:brute-force 搜索的方式是在全空间进行搜索,为了加快查找的速度,几乎所有的 ANN 方法都是通过对全空间分割,将其分割成很多小的子空间,在搜索的时候,通过某种方式,快速锁定在某一(几)个子空间,然后在该(几个)子空间里做遍历。在上一小节可以看出,PQ 乘积量化计算距离的时候,距离虽然已经预先算好了,但是对于每个样本到查询样本的距离,还是得老老实实挨个去求和相加计算距离。但是,实际上我们感兴趣的是那些跟查询样本相近的样本(姑且称这样的区域为感兴趣区域),也就是说老老实实挨个相加其实做了很多的无用功,如果能够通过某种手段快速将全局遍历锁定为感兴趣区域,则可以舍去不必要的全局计算以及排序。倒排 PQ 乘积量化的”倒排“,正是这样一种思想的体现,在具体实施手段上,采用的是通过聚类的方式实现感兴趣区域的快速定位,在倒排 PQ 乘积量化中,聚类可以说应用得淋漓尽致。
ivfpq

PQ 乘积量化之前,增加了一个粗量化过程。具体地,先对 N 个训练样本采用 KMeans 进行聚类,这里聚类的数目一般设置得不应过大,一般设置 1024 差不多,这种可以以比较快的速度完成聚类过程。得到聚类中心后,针对每一个样本 x_i,找到其距离最近的类中心 c_i 后,两者相减得到样本 x_i 的残差向量(x_i - c_i),后面剩下的过程,就是针对(x_i - c_i)的 PQ 乘积量化过程,此过程不再赘述。

在查询的时候,通过相同的粗量化,可以快速定位到查询向量属于哪个 c_i(即在哪一个感兴趣区域),然后在该感兴趣区域按上面所述的 PQ 乘积量化距离计算方式计算距离。

HNSW 算法(基于图的方法)

讲 HNSW 算法之前,我们先来讲 NSW 算法,如下图,它是一个顺序构建图流程:

  • 例如第 5 次构造 D 点的流程;
  • 构建的时候,我们约定每次加入节点只连 3 条边,防止图变大,在实际使用中,要通过自身的数据;
  • 随机一个节点,比如 A,保存下与 A 的距离,然后沿着 A 的边遍历,E 点最近,连边。然后再重新寻找,不能与之前重复,直到添加完 3 条边;

查找流程包含在了插入流程中,一样的方式,只是不需要构建边,直接返回结果。

nsw

HNSW 算法是 NSW 算法的分层优化,借鉴了 skiplist 算法的思想,提升查询性能,开始先从稀疏的图上查找,逐渐深入到底层的图。
hnsw

总结

以基于 PQ 的量化方法在工业界最为实用,基于图的 ANN 方法,在规模不是特别大但对召回要求非常高的检索场景下,是非常适用的。除此之外,图 ANN 方法可以和 OPQ 结合起来适用,来提高 OPQ 的召回能力,具体可以阅读 Revisiting the Inverted Indices for Billion-Scale Approximate Nearest NeighborsLink and code: Fast indexing with graphs and compact regression codes 这两篇文章。

基于图的方法的突出优点是召回率高,在一开始有三个缺点,分别为速度慢、数据动态增删困难、内存占用大。这几年,速度通过很多方法已经有很大提高。而数据动态增删困难主要是因为,插入删除数据后,需要重新构建近邻图。

所以,目前基于图的方法主要在于内存占用大的缺点,其实问题主要在于为了高召回率,将原数据读到内存中,PQ 利用的是聚类中心来粗表示数据点。

参考

https://www.sofastack.tech/blog/antfin-zsearch-vector-search/
http://blog.rexking6.top/2019/01/27/ANN-Search%E5%8F%8A%E4%B8%80%E4%BA%9B%E6%96%B9%E6%B3%95/
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMzU5Mjc1Nw==&mid=2247485678&idx=1&sn=6d79c6a7b3eea2dac4e8d2e93f9abd16&chksm=faa0e734cdd76e22d574acd3e7178eb3a9bf0b2fa0b7e7871b527abdad6176cb2b93f581f972&scene=27#wechat_redirect
https://blog.csdn.net/richard9006/article/details/90058465
https://zh.wikipedia.org/wiki/欧几里得距离
https://zh.wikipedia.org/wiki/余弦相似性
https://yongyuan.name/blog/vector-ann-search.html
https://yongyuan.name/blog/ann-search.html
https://yongyuan.name/blog/cbir-technique-summary.html
https://yongyuan.name/blog/index-billion-deep-descriptors.html
https://yongyuan.name/blog/opq-and-hnsw.html
https://elasticsearch.cn/uploads/slides/20191210/78fb9e9c515dcd008f8e80c928c1cf32.pdf


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