从零到一，教你搭建「以文搜图」搜索服务（一）数据库向量图片处理图像识别

一图胜千言: don't waste my time, show me the image 为什么「以文搜图」如此重要？以文本的方式发出问题，再以图片的方式返回答案，这种信息获取范式，连我奶奶都说好。电商平台淘东西，找喜欢的宠物，租心仪的房子，学菜谱，找喜欢的短视频……不论是哪一类强交互的应用，图文的跨模态理解都是大幅提升用户体验的利器。
嗯，问题挺重要。但如果用传统技术做文本和图像的语义理解，在实际应用中还是稍微差了那么一点意思，所以直接硬刚去解决问题还是挺有挑战的。落地靠谱的解决方案多少都会迂回一下，并不尝试直接理解数据语义，而是通过协同过滤的方式，依赖大规模的用户浏览行为串起数据间的语义关联。这听起来有点先有鸡还是现有蛋的味道——对数据理解不到位，就很难建立用户粘性，但要理解到位，又要依赖大量的用户数据？？？
现实情况也确实如此，大规模图文的跨模态应用一直都是头部大厂的地盘，小一点的项目想玩转这套技术，启动都很困难。直到去年，OpenAI 丢了个 CLIP 模型到平静湖面，并告诉所有人，“我们搞了一套 4 亿规模的文本-图片对，大力出奇迹了一把，现在有了 CLIP，文本和图片之间的语义桥已经搭好了。”
关于本篇: 我们从哪里来，要到哪里去「以文搜图」系列文章会从零到一地介绍如何应用 CLIP 构建大规模以文搜图服务，包括：

了解搜索、CLIP，以及以文搜图
5 分钟完成以文搜图的原型
进阶 1：部署向量数据库，进行大规模向量召回
进阶 2：部署推理服务，让你的推理请求处理超过 1000 QPS
进阶 3：向量数据压缩

本篇是这个系列的开篇，会覆盖第一个主题。接下来，我们需要先积累一些基础知识，快速地建立对以下内容的基础理解，包括：搜索、CLIP、以文搜图的基础组件，一起来吧！
来点儿基础知识-1：搜索与语义相似但凡讲到搜索，不论是传统的还是新派的，或是单一模态、跨模态的，都离不开一样东西：语义相似的度量，或者说，两样东西的语义距离。这听起来好像有点抽象，我们举几个例子。
让我们从一维的整数空间开始，这是从小学就刻在大家 DNA 里面的知识。给定 5 个正整数 { 1, 5, 6, 8, 10 }，问，和 5 最接近的是哪个数字？（不用抢答 6，毕竟大家都是成年人......）
【从零到一，教你搭建「以文搜图」搜索服务（一）】

文章图片

当年，老师会说，“ 5 和 6 之间的距离是 1，是所有数中和 5 距离最近的。” 这里提到的“距离 1 ”，就是 5 和 6 这两个东西的语义距离。
这好像有点小儿科，让我们甩开腿，再往前迈一步，看一看传统的文本搜索是怎么做的。如果你和搞文本搜索的朋友同学聊，那大概率会听到 TF-IDF 这么个词。这里面 TF 指的是 term frequency，也就是词频。想象有一个高维空间，这个空间的维度和字典中的词一样多。我们统计每篇文章中相同词语出现的次数，并将这个次数设为这个空间相应维度上的值。这样，我们可以将任何一篇文章描述为一个这个词向量空间上的稀疏向量（之所以稀疏，是因为通常每篇文章只能覆盖字典上很少的一部分词）。

文章图片

这是个非常朴素且实用的思路。如上图所示，如果两篇文章的领域或内容相近，那么在词向量空间中，这两篇文章对应的向量应该离得不远，如果两篇文章完全相同，那他们的词向量之间的距离为 0。在文本搜索中，我们将第一个例子的一维正整数空间扩展到了高维词向量空间，但搜索技术背后的套路是基本一致的：定义一个能用来描述数据语义的空间，再确定数据语义间的距离。
走到这一步，拍拍聪明的脑袋瓜，思路来了：我们甩开腿再往前迈一步，再泛化一下。既然文本搞定了，我们把图片的语义也投到词向量空间，这样不就能文本-图像跨模态了么？
思路没毛病，但是少了点东西。不用特别仔细看，我们就能发现图片和文本不一样，文本有“词”这个天生白送的自然语义基本单元，我们在这个基础上可以很容易搞上面说的词袋模型。但图片不一样，首先，像素明显不会像词那样一套就 work 了，其次，我们如果尝试提取图像中的图元，成本会很高，另外图片的结构化信息提取也很难做到全面、精准。
“没有自然语义单元，怎么向量化？” 在以前，这不仅仅是图片搜索的特有问题，而是非结构化数据应用的普遍问题，因为绝大多数数据类型（想想图片、视频、音频、点云这些数据）都不会天生存在自然的语义单元。这个问题直到数据、算力变得便宜，神经网络技术得到普及才得以有效解决。我们来看看通过神经网络是怎么解决这个问题的。

文章图片

Convolutional Neural Network Layers and Architectures
深度神经网络，很大的一个特点就是“够深”。观察上图，左边输入是一张 224 x 224 的图片，右边输出是一个 4096 维的向量。从左到右，一张图片会经过很多的神经网络层，每往右一步，神经网络就会将原图片像素上的空间信息逐步压缩成语义信息。在这个过程中，可以看到空间维度越来越窄，语义维度越来越长（这个说法严格上讲不是特别准确，但是我没有找到更合适的表达）。本质上，这个过程就是一个将图片语义映射到一个具有 4096 维的实向量空间的过程。和前面讲的技术相比，通过深度神经网络对数据语义进行向量化编码，有几点明显优势：

不要求原始数据具备自然的，可直接分割的基础语义单元，例如 “词”。
对于“数据相似”的定义十分灵活，由模型的训练数据以及目标函数确定，可以面向应用特性定制。
数据向量化的过程即模型的推理过程，这个过程中的运算主要是矩阵运算，可以充分利用现代 GPU 的加速能力。

最后，我们来看一下 CLIP 在文本-图片跨模态这个领域做了哪些事。首先，在数据方面，OpenAI 搞了一套文本-图片跨模态的大规模数据集 WIT (WebImageText)。模型训练则采用了对比学习的方法，预测图片和文本是否配对。整个模型的设计还是非常简洁的。用通俗的话讲，这个模型包含三步，
1）文本和图片两路分别进行特征编码；
2）将文本、图片的特征从各自的单模态特征空间投射到一个多模态的特征空间；
3）在多模态的特征空间中，原本成对的图像文本（正样本）的特征向量之间的距离应该越近越好，互相不成对的图像文本（负样本）的特征向量之间的距离应该越远越好。

文章图片

Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision[1]
这里比较关键的是 2），通过投射层，将来自文本、图片的单模态特征投射到一个多模态的特征空间。从搜索的角度看，这意味着我们可以将图片和文本的语义映射到同一个高维空间。这个语义空间就是 CLIP 为文本-图片跨模态搜索准备的那座桥。现在，我们可以将一段描述性文本编码为一个向量，在通过这个向量找到附近具有近似语义的图片向量，再通过这些图片的向量找到我们想要的原始图片！
有点绕，我们总结一下。整体上看，还是经典套路，向量空间 + 语义相似的度量。重点在于，CLIP 帮我们搞了一个统一文本与图像语义的高维空间，在这个空间中，文本和图像的语义越接近，对应向量的距离越小。
到这里，我们所需的 CLIP 基础知识基本够用了。如果你觉得 CLIP 很酷，想来一个 CLIP 的 deep dive，墙裂建议观看李沐老师的论文精读系列[2]。
来点儿基础知识-2：以文搜图服务需要的基础组件「以文搜图」顾名思义，所需要的基础组件涉及「文」「搜」「图」三部分。
先来看看「图」。「图」构成的是底库的部分，主要包含三套东西，一个是原始图片库，另一个是与原始图片相对应的向量库。中间是负责对原始图片进行语义向量化编码的模型推理服务。
「文」对应的是请求侧的内容。请求侧主要需要的是对文本进行语义向量化编码的模型推理服务。
「搜」对应的是连接请求、向量库、图片库的搜索过程。一条请求的文本，经过模型编码后，我们可以获得与请求对应的向量。我们拿这个向量到向量数据库进行近似搜索，获得 topK 个最近的图片向量。最后，通过向量-图片的ID关联，从图片库获得对应的原始图片（或图片url），组织请求的返回结果。

文章图片

好了，本篇打基础的内容到这里就差不多结束了。在接下来的文章中，我们会结合本篇讲到的基础知识进行一次动手实践：5 分钟搭建以文搜图的原型。感谢观众老爷的观看学习！
更多项目更新及详细内容请关注我们的项目:https://github.com/towhee-io/...，您的关注是我们用爱发电的强大动力，欢迎 star, fork, slack 三连 :)
参考文献
[1] https://arxiv.org/pdf/2103.00...
[2] https://www.bilibili.com/vide...
Zilliz 以重新定义数据科学为愿景，致力于打造一家全球领先的开源技术创新公司，并通过开源和云原生解决方案为企业解锁非结构化数据的隐藏价值。
Zilliz 构建了 Milvus 向量数据库，以加快下一代数据平台的发展。Milvus 数据库是 LF AI & Data 基金会的毕业项目，能够管理大量非结构化数据集，在新药发现、推荐系统、聊天机器人等方面具有广泛的应用。