PostgreSQL【应用 01】使用Vector插件实现向量相似度查询（Docker部署的PostgreSQL安装pgvector插件说明）和Milvus向量库对比

1.背景

想要实现一个图片特征向量相似度搜索的功能，项目使用的是Java开发，数据库是PostgreSQL，可选择的方案有：

• Vector database - Milvus部署方便，有可视化界面Attu，有JavaSDK（但是需要专门部署）。
• PostgreSQL插件（Cube 支持100维，Pase 支持512维，Vector 支持16000维）。

由于提取的图片的特征向量有1024维，所以只能使用Milvus和PostgreSQL插件Vector了。

2.应用

2.1 Milvus

Milvus官网有详细的安装流程和代码这里不再赘述，使用Docker安装，版本为2.2.9，这里为大家提供一个简单的工具类，数据库连接参数没有参数化，小伙伴们可以优化，对结果数据进行了简单的格式化：

结果封装：

@Data
@Builder
public class MilvusRes {
    
    
    public float score;
    public String imagePath;
}

工具类：

@Slf4j
@Component
public class MilvusUtil {
    
    
    public MilvusServiceClient milvusServiceClient;
    @PostConstruct
    private void connectToServer() {
    
    
        milvusServiceClient = new MilvusServiceClient(
                ConnectParam.newBuilder()
                        .withHost("your service host")
                        .withPort(19530)
                        .build());
        // 加载数据
        LoadCollectionParam faceSearchNewLoad = LoadCollectionParam.newBuilder().withCollectionName("CollectionName").build();
        R<RpcStatus> rpcStatusR = milvusServiceClient.loadCollection(faceSearchNewLoad);
        log.info("Milvus LoadCollection [{}]", rpcStatusR.getStatus());

    }

    public int insertDataToMilvus(String id, String path, float[] feature) {
    
    
        List<InsertParam.Field> fields = new ArrayList<>();
        List<Float> featureList = new ArrayList<>(feature.length);
        for (float v : feature) {
    
    
            featureList.add(v);
        }
        fields.add(new InsertParam.Field("field1", Collections.singletonList(id)));
        fields.add(new InsertParam.Field("field2", Collections.singletonList(path)));
        fields.add(new InsertParam.Field("field3", Collections.singletonList(featureList)));

        InsertParam insertParam = InsertParam.newBuilder()
                .withCollectionName("CollectionName")
                //.withPartitionName("novel")
                .withFields(fields)
                .build();
        R<MutationResult> insert = milvusServiceClient.insert(insertParam);
        return insert.getStatus();
    }

    public List<MilvusRes> searchImageByFeature(float[] feature) {
    
    
        List<Float> featureList = new ArrayList<>(feature.length);
        for (float v : feature) {
    
    
            featureList.add(v);
        }
        List<String> queryOutputFields = Arrays.asList("field");
        SearchParam faceSearch = SearchParam.newBuilder()
                .withCollectionName("CollectionName")
                .withMetricType(MetricType.IP)
                .withVectorFieldName("VectorFieldName")
                .withVectors(Collections.singletonList(featureList))
                .withOutFields(queryOutputFields)
                .withTopK(10).build();
        // 执行搜索
        long l = System.currentTimeMillis();
        R<SearchResults> respSearch = milvusServiceClient.search(faceSearch);
        log.info("MilvusServiceClient.search cost [{}]", System.currentTimeMillis() - l);
        // 解析结果数据
        SearchResultData results = respSearch.getData().getResults();
        int scoresCount = results.getScoresCount();
        SearchResultsWrapper wrapperSearch = new SearchResultsWrapper(results);
        List<MilvusRes> milvusResList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < scoresCount; i++) {
    
    
            float score = wrapperSearch.getIDScore(0).get(i).getScore();
            Object imagePath = wrapperSearch.getFieldData("field1", 0).get(i);
            MilvusRes milvusRes = MilvusRes.builder().score(score).imagePath(imagePath.toString()).build();
            milvusResList.add(milvusRes);
        }
        return milvusResList;
    }
}

数量如图：

性能测试结果如下：

MilvusServiceClient.search cost [24]

2.2 Vector

基础信息以下网站都有说明，这里不再赘述。

• 高维向量相似度搜索（pgvector） (aliyun.com)

• 如何启用和使用 pgvector - Azure Database for PostgreSQL 灵活服务器 | Microsoft Learn

数据库PostgreSQL使用的是Docker部署，版本为12.12，插件安装流程如下：

# 进入容器
docker exec -it CONTAINER ID /bin/bash

# 1.更新 apt-get 
apt-get update
# 未更新直接安装会报错
Reading package lists... Done
Building dependency tree... Done
Reading state information... Done
E: Unable to locate package postgresql-12-postgis-3
E: Unable to locate package postgresql-12-postgis-3-dbgsym
E: Unable to locate package postgresql-12-postgis-3-scripts

# 2.安装插件
apt-get install postgresql-12-pgvector

数据库操作：

-- 添加 vector 扩展
CREATE EXTENSION vector;

-- 查询可使用的扩展
SELECT * FROM pg_available_extensions;

-- 创建表
CREATE TABLE "public"."test" ( 
  "field1" VARCHAR ( 64 ), 
  "field2" VARCHAR ( 128 ), 
  "field3" vector ( 1024 ), 
  CONSTRAINT "test_pkey" PRIMARY KEY ( "field1" ) 
);

创建索引的时候要根据使用的算法：

-- 创建索引
CREATE INDEX ON test USING ivfflat ( field3);
CREATE INDEX ON test USING ivfflat ( field3 vector_ip_ops) WITH (lists = 50);
CREATE INDEX ON test USING ivfflat ( field3 vector_ip_ops) WITH (lists = 500);
CREATE INDEX ON test USING ivfflat ( field3 vector_ip_ops) WITH (lists = 1024);

这里提供一个mapper文件内SQL的书写方法【查询相似度排名前十】：

    <select id="queryId" resultType="map">
        SELECT
        field1,
        field2,
        field3 <![CDATA[ <#> ]]> CAST ( #{featrue}  AS vector ) AS "score"
        FROM test
        ORDER BY field1 <![CDATA[ <#> ]]> CAST ( #{featrue}  AS vector )
        LIMIT 10;
    </select>

符号说明：

1. L2 Distance（<->）：L2 距离，也称为欧氏距离或欧几里得距离，用于度量两个向量之间的直线距离。L2 距离的计算方法是将两个向量的对应元素差的平方相加，然后取平方根。L2 距离较小表示向量之间更接近。
2. Inner Product（<#>）：内积距离，也称为余弦距离或内积相似度，用于度量两个向量之间的夹角余弦值。内积距离的计算方法是两个向量的点积除以两个向量的范数的乘积。内积距离越大表示向量之间的夹角越小，相似度越高。
3. Cosine Distance（<=>）：余弦距离，也称为余弦相似度的补数。余弦距离是一种度量两个向量之间夹角的距离指标，取值范围从 0 到 2，其中 0 表示完全相似，2 表示完全不相似。余弦距离的计算方法是两个向量的点积除以两个向量的范数的乘积的补数。

性能测试如下：

PostgreSQL.vector.search cost [30]

3.总结

各有优势：Milvus无需重建索引，查询速度较快；Vector不用专门部署，好维护。