艾體寶干貨 | 向量數(shù)據(jù)庫是如何工作的？

引導(dǎo)語：

隨著人工智能應(yīng)用的不斷發(fā)展和成熟，高效的數(shù)據(jù)存儲和檢索系統(tǒng)變得尤為關(guān)鍵。向量數(shù)據(jù)庫通過提供一種能夠有效管理和搜索高維向量數(shù)據(jù)的解決方案，成為了支持AI技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施組件。那么，向量數(shù)據(jù)庫的檢索邏輯是什么呢？有哪些應(yīng)用場景？

簡介：

文章介紹了向量數(shù)據(jù)庫的概念、工作原理以及它們在現(xiàn)代計(jì)算中的重要性。向量數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)用來有效處理和檢索復(fù)雜數(shù)據(jù)類型（如圖像、視頻和音頻）的向量嵌入，特別適合于高級搜索功能和AI驅(qū)動的數(shù)據(jù)分析。文章還探討了生成這些向量的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以及如何使用向量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行高效的組織、搜索和分析。

高效存儲和訪問數(shù)據(jù)是當(dāng)前亟需解決的問題。向量數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)管理和人工智能應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對現(xiàn)代計(jì)算起著至關(guān)重要的作用。不同于傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，向量數(shù)據(jù)庫專為高效處理和檢索如圖像、視頻和音頻等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的矢量嵌入而設(shè)計(jì)，特別適合于高級搜索功能和基于人工智能的數(shù)據(jù)分析。但是，矢量嵌入究竟是什么？它們?yōu)楹稳绱擞杏?？我們何時(shí)應(yīng)當(dāng)使用向量數(shù)據(jù)庫？

一、向量數(shù)據(jù)庫是什么？

通常，提到“數(shù)據(jù)”，人們首先想到的是電子表格和圖表，即所謂的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而這只占我們可訪問數(shù)據(jù)的一小部分。這類數(shù)據(jù)非常適合于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。然而，對于沒有整齊列和行的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖片和博客文章，應(yīng)如何存儲？

向量數(shù)據(jù)庫正是為了解決此問題而設(shè)計(jì)的：它能夠存儲圖片、博文等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及其矢量嵌入。通過稱為“矢量化”的過程，我們能將復(fù)雜的高維非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低維的數(shù)字形式，以捕捉數(shù)據(jù)的本質(zhì)并存儲其矢量。這些矢量嵌入包含了大量代表數(shù)據(jù)的信息。矢量化過程還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，意味著每個(gè)存儲的矢量都具有相同的維度。

向量數(shù)據(jù)庫在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集、提供快速而準(zhǔn)確的矢量搜索及與現(xiàn)有技術(shù)的集成方面表現(xiàn)出色，成為依賴人工智能的企業(yè)和研究人員的基石。

二、向量數(shù)據(jù)庫的工作原理

向量數(shù)據(jù)庫的核心功能是存儲矢量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)生成的，而不是隨意創(chuàng)造出來的。多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠?qū)⒎墙Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量嵌入，包括用于處理文本（如描述和博文）的大型語言模型，以及用于生成圖像和視頻矢量嵌入的視覺模型。

向量數(shù)據(jù)庫對存儲的矢量進(jìn)行了優(yōu)化處理，使得用戶可以以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫無法比擬的方式有效地組織、搜索和分析這些復(fù)雜的信息。通過利用嵌入來確定矢量之間的相似性，這些數(shù)據(jù)庫能夠進(jìn)行相似性搜索。

計(jì)算相似性的方法有多種，包括歐氏距離和余弦相似性等，不同的測量方法可以揭示不同的特性，適用的方法取決于使用的模型和嵌入類型。

例如，圖像的矢量嵌入可能包含顏色信息、圖像中線條的軟硬、是否有明顯的形狀或數(shù)字以及這些數(shù)字的上下文信息。這些由模型類型和其訓(xùn)練數(shù)據(jù)所決定的上下文信息，能夠顯著改善搜索體驗(yàn)。假設(shè)使用一張兩人跳舞的圖片進(jìn)行搜索，理想的搜索結(jié)果應(yīng)該是與之相關(guān)的圖片，而非因顏色相近而匹配的兩條魚的圖片。矢量搜索能夠更準(zhǔn)確地檢索到內(nèi)容匹配的圖片，即使單個(gè)像素的匹配度不是最高。

在我們給出的例子（Redis as a vector database quick start guide | Redis）中，每個(gè)高維向量存儲了768個(gè)數(shù)字，每個(gè)數(shù)字代表其描述數(shù)據(jù)的某種信息，例如自行車的描述文本。向量數(shù)據(jù)庫通過使用不同的相似性測量方法來確定哪些向量與搜索中的向量最為接近，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的搜索結(jié)果。

三、理解向量數(shù)據(jù)庫中的查詢矢量

查詢矢量是向量數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)核心概念，它是高級搜索功能的基礎(chǔ)。查詢矢量實(shí)際上是搜索查詢的矢量表示形式，可以源自任何形式的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如文本描述、圖像或音頻片段。這種矢量以數(shù)字形式概述了查詢的本質(zhì)，使得數(shù)據(jù)庫能夠執(zhí)行相似性搜索，尋找與之最相關(guān)的結(jié)果。

用戶提交查詢到向量數(shù)據(jù)庫時(shí)，系統(tǒng)首先利用與數(shù)據(jù)存儲相同的矢量化過程，將查詢轉(zhuǎn)化為矢量表示。這保證了查詢與數(shù)據(jù)庫內(nèi)容在同一維度空間內(nèi)，便于測量查詢矢量與數(shù)據(jù)庫中矢量之間的相似性。隨后，數(shù)據(jù)庫使用歐氏距離或余弦相似度等算法，根據(jù)存儲矢量與查詢矢量的相似度進(jìn)行排序和識別，有效地定位到與用戶查詢最為匹配的數(shù)據(jù)片段。
通

過將查詢轉(zhuǎn)化為矢量并搜索相似項(xiàng)目的能力，向量數(shù)據(jù)庫成為了廣泛應(yīng)用的有力工具，從個(gè)性化推薦系統(tǒng)到復(fù)雜的內(nèi)容檢索和自然語言處理（NLP）任務(wù)等。查詢矢量使得這些數(shù)據(jù)庫能夠精準(zhǔn)理解和解釋搜索查詢的細(xì)微差異及上下文，相比傳統(tǒng)基于關(guān)鍵詞的搜索方法，能提供更精確、更相關(guān)的結(jié)果。

四、用例

向量數(shù)據(jù)庫在支持人工智能應(yīng)用的開發(fā)和部署中扮演著重要角色，隨著這些應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，對能處理復(fù)雜查詢和海量數(shù)據(jù)的高效數(shù)據(jù)存儲和檢索系統(tǒng)的需求日益增長。向量數(shù)據(jù)庫以其處理高維矢量數(shù)據(jù)的高效性，日漸被視為人工智能驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施組成部分。

1、推薦系統(tǒng)

推薦系統(tǒng)通過利用向量數(shù)據(jù)庫理解用戶偏好和內(nèi)容特征，為電子商務(wù)、流媒體服務(wù)及社交媒體平臺提供定制化建議。

2、圖像與視頻檢索

在圖像與視頻檢索方面，向量數(shù)據(jù)庫能夠通過比較代表圖像或視頻幀的矢量之間的相似度，實(shí)現(xiàn)快速且精確的視覺內(nèi)容查找，對于數(shù)字圖書館、圖片庫網(wǎng)站和監(jiān)控系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

3、自然語言處理（NLP）

自然語言處理（NLP）應(yīng)用中，向量數(shù)據(jù)庫通過存儲和查詢表現(xiàn)為矢量的文本數(shù)據(jù)，捕捉語境之間的相似性，支持語義搜索、聊天機(jī)器人和語言翻譯服務(wù)等NLP應(yīng)用。

4、欺詐檢測

在欺詐檢測與安全領(lǐng)域，向量數(shù)據(jù)庫通過分析行為模式和實(shí)時(shí)監(jiān)測異常行為，幫助識別欺詐交易和潛在的安全漏洞，增強(qiáng)在線系統(tǒng)的安全性。

5、生物識別

生物識別技術(shù)中，使用向量數(shù)據(jù)庫可以快速且準(zhǔn)確地匹配生物識別數(shù)據(jù)，如面部識別和指紋識別，實(shí)現(xiàn)安全性和身份驗(yàn)證。

五、向量數(shù)據(jù)庫的未來

對于向量數(shù)據(jù)庫的未來，其與生成式人工智能的快速發(fā)展緊密相連，預(yù)示著數(shù)據(jù)管理、搜索和應(yīng)用方式的變革。隨著人工智能生成技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的復(fù)雜、高維數(shù)據(jù)被生成，從合成圖像到自然語言結(jié)構(gòu)。在此背景下，向量數(shù)據(jù)庫的重要性日益凸顯，成為高效存儲和查詢這些數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，為人工智能驅(qū)動的創(chuàng)新提供動力。向量數(shù)據(jù)庫與生成式人工智能的融合，將推動更為復(fù)雜、精細(xì)的應(yīng)用發(fā)展，從實(shí)時(shí)生成高度個(gè)性化內(nèi)容到開發(fā)先進(jìn)的模擬和預(yù)測模型，覆蓋醫(yī)療保健、娛樂和自主系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。這種協(xié)同作用預(yù)計(jì)將打破現(xiàn)有界限，使數(shù)據(jù)更加易于訪問、解釋和操作，為人工智能與數(shù)據(jù)技術(shù)的下一輪突破奠定基礎(chǔ)。

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