Visualização de vectores

Neste exemplo, mostraremos como visualizar os embeddings (vectores) em Milvus utilizando t-SNE.

As técnicas de redução de dimensionalidade, como o t-SNE, são inestimáveis para visualizar dados complexos e de alta dimensão num espaço 2D ou 3D, preservando a estrutura local. Isto permite o reconhecimento de padrões, melhora a compreensão das relações entre caraterísticas e facilita a interpretação dos resultados do modelo de aprendizagem automática. Além disso, ajuda na avaliação de algoritmos através da comparação visual de resultados de agrupamento, simplifica a apresentação de dados a audiências não especializadas e pode reduzir os custos computacionais ao trabalhar com representações de dimensão inferior. Através destas aplicações, o t-SNE não só ajuda a obter conhecimentos mais profundos sobre conjuntos de dados, como também apoia processos de tomada de decisões mais informados.

Preparação

Dependências e ambiente

$ pip install --upgrade pymilvus openai requests tqdm matplotlib seaborn

Neste exemplo, vamos utilizar o modelo de incorporação do OpenAI. Deve preparar a chave da API OPENAI_API_KEY como uma variável de ambiente.

import os

os.environ["OPENAI_API_KEY"] = "sk-***********"

Preparar os dados

Utilizamos as páginas de FAQ da Documentação do Milvus 2.4.x como conhecimento privado no nosso RAG, que é uma boa fonte de dados para um pipeline RAG simples.

Descarregue o ficheiro zip e extraia os documentos para a pasta milvus_docs.

$ wget https://github.com/milvus-io/milvus-docs/releases/download/v2.4.6-preview/milvus_docs_2.4.x_en.zip
$ unzip -q milvus_docs_2.4.x_en.zip -d milvus_docs

Carregamos todos os ficheiros markdown da pasta milvus_docs/en/faq. Para cada documento, basta utilizar "#" para separar o conteúdo do ficheiro, o que pode separar aproximadamente o conteúdo de cada parte principal do ficheiro markdown.

from glob import glob

text_lines = []

for file_path in glob("milvus_docs/en/faq/*.md", recursive=True):
    with open(file_path, "r") as file:
        file_text = file.read()

    text_lines += file_text.split("# ")

Preparar o modelo de incorporação

Inicializamos o cliente OpenAI para preparar o modelo de incorporação.

from openai import OpenAI

openai_client = OpenAI()

Defina uma função para gerar texto incorporado utilizando o cliente OpenAI. Usamos o modelo text-embedding-3-large como exemplo.

def emb_text(text):
    return (
        openai_client.embeddings.create(input=text, model="text-embedding-3-large")
        .data[0]
        .embedding
    )

Gerar um embedding de teste e imprimir a sua dimensão e os primeiros elementos.

test_embedding = emb_text("This is a test")
embedding_dim = len(test_embedding)
print(embedding_dim)
print(test_embedding[:10])

3072
[-0.015370666049420834, 0.00234124343842268, -0.01011690590530634, 0.044725317507982254, -0.017235849052667618, -0.02880779094994068, -0.026678944006562233, 0.06816216558218002, -0.011376636102795601, 0.021659553050994873]

Carregar dados no Milvus

Criar a coleção

from pymilvus import MilvusClient

milvus_client = MilvusClient(uri="./milvus_demo.db")

collection_name = "my_rag_collection"

Verificar se a coleção já existe e eliminá-la se existir.

if milvus_client.has_collection(collection_name):
    milvus_client.drop_collection(collection_name)

Criar uma nova coleção com os parâmetros especificados.

Se não especificarmos qualquer informação de campo, o Milvus criará automaticamente um campo id por defeito para a chave primária e um campo vector para armazenar os dados vectoriais. Um campo JSON reservado é utilizado para armazenar campos não definidos pelo esquema e os respectivos valores.

milvus_client.create_collection(
    collection_name=collection_name,
    dimension=embedding_dim,
    metric_type="IP",  # Inner product distance
    consistency_level="Strong",  # Strong consistency level
)

Inserir dados

Itere pelas linhas de texto, crie embeddings e, em seguida, insira os dados no Milvus.

Aqui está um novo campo text, que é um campo não definido no esquema da coleção. Será automaticamente adicionado ao campo dinâmico JSON reservado, que pode ser tratado como um campo normal a um nível elevado.

from tqdm import tqdm

data = []

for i, line in enumerate(tqdm(text_lines, desc="Creating embeddings")):
    data.append({"id": i, "vector": emb_text(line), "text": line})

milvus_client.insert(collection_name=collection_name, data=data)

Creating embeddings: 100%|██████████| 72/72 [00:20<00:00,  3.60it/s]





{'insert_count': 72, 'ids': [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71], 'cost': 0}

Visualização de Embeddings na Pesquisa Vetorial

Nesta secção, executamos uma pesquisa milvus e, em seguida, visualizamos o vetor de consulta e o vetor recuperado em conjunto em dimensão reduzida.

Recuperar dados para uma consulta

Vamos preparar uma pergunta para a pesquisa.

# Modify the question to test it with your own query!

question = "How is data stored in Milvus?"

Pesquise a pergunta na coleção e recupere as 10 melhores correspondências semânticas.

search_res = milvus_client.search(
    collection_name=collection_name,
    data=[
        emb_text(question)
    ],  # Use the `emb_text` function to convert the question to an embedding vector
    limit=10,  # Return top 10 results
    search_params={"metric_type": "IP", "params": {}},  # Inner product distance
    output_fields=["text"],  # Return the text field
)

Vamos dar uma olhada nos resultados da pesquisa da consulta

import json

retrieved_lines_with_distances = [
    (res["entity"]["text"], res["distance"]) for res in search_res[0]
]
print(json.dumps(retrieved_lines_with_distances, indent=4))

[
    [
        " Where does Milvus store data?\n\nMilvus deals with two types of data, inserted data and metadata. \n\nInserted data, including vector data, scalar data, and collection-specific schema, are stored in persistent storage as incremental log. Milvus supports multiple object storage backends, including [MinIO](https://min.io/), [AWS S3](https://aws.amazon.com/s3/?nc1=h_ls), [Google Cloud Storage](https://cloud.google.com/storage?hl=en#object-storage-for-companies-of-all-sizes) (GCS), [Azure Blob Storage](https://azure.microsoft.com/en-us/products/storage/blobs), [Alibaba Cloud OSS](https://www.alibabacloud.com/product/object-storage-service), and [Tencent Cloud Object Storage](https://www.tencentcloud.com/products/cos) (COS).\n\nMetadata are generated within Milvus. Each Milvus module has its own metadata that are stored in etcd.\n\n###",
        0.7675539255142212
    ],
    [
        "How does Milvus handle vector data types and precision?\n\nMilvus supports Binary, Float32, Float16, and BFloat16 vector types.\n\n- Binary vectors: Store binary data as sequences of 0s and 1s, used in image processing and information retrieval.\n- Float32 vectors: Default storage with a precision of about 7 decimal digits. Even Float64 values are stored with Float32 precision, leading to potential precision loss upon retrieval.\n- Float16 and BFloat16 vectors: Offer reduced precision and memory usage. Float16 is suitable for applications with limited bandwidth and storage, while BFloat16 balances range and efficiency, commonly used in deep learning to reduce computational requirements without significantly impacting accuracy.\n\n###",
        0.6210848689079285
    ],
    [
        "Does the query perform in memory? What are incremental data and historical data?\n\nYes. When a query request comes, Milvus searches both incremental data and historical data by loading them into memory. Incremental data are in the growing segments, which are buffered in memory before they reach the threshold to be persisted in storage engine, while historical data are from the sealed segments that are stored in the object storage. Incremental data and historical data together constitute the whole dataset to search.\n\n###",
        0.585393488407135
    ],
    [
        "Why is there no vector data in etcd?\n\netcd stores Milvus module metadata; MinIO stores entities.\n\n###",
        0.579704999923706
    ],
    [
        "How does Milvus flush data?\n\nMilvus returns success when inserted data are loaded to the message queue. However, the data are not yet flushed to the disk. Then Milvus' data node writes the data in the message queue to persistent storage as incremental logs. If `flush()` is called, the data node is forced to write all data in the message queue to persistent storage immediately.\n\n###",
        0.5777501463890076
    ],
    [
        "What is the maximum dataset size Milvus can handle?\n\n  \nTheoretically, the maximum dataset size Milvus can handle is determined by the hardware it is run on, specifically system memory and storage:\n\n- Milvus loads all specified collections and partitions into memory before running queries. Therefore, memory size determines the maximum amount of data Milvus can query.\n- When new entities and and collection-related schema (currently only MinIO is supported for data persistence) are added to Milvus, system storage determines the maximum allowable size of inserted data.\n\n###",
        0.5655910968780518
    ],
    [
        "Does Milvus support inserting and searching data simultaneously?\n\nYes. Insert operations and query operations are handled by two separate modules that are mutually independent. From the client\u2019s perspective, an insert operation is complete when the inserted data enters the message queue. However, inserted data are unsearchable until they are loaded to the query node. If the segment size does not reach the index-building threshold (512 MB by default), Milvus resorts to brute-force search and query performance may be diminished.\n\n###",
        0.5618637204170227
    ],
    [
        "What data types does Milvus support on the primary key field?\n\nIn current release, Milvus supports both INT64 and string.\n\n###",
        0.5561620593070984
    ],
    [
        "Is Milvus available for concurrent search?\n\nYes. For queries on the same collection, Milvus concurrently searches the incremental and historical data. However, queries on different collections are conducted in series. Whereas the historical data can be an extremely huge dataset, searches on the historical data are relatively more time-consuming and essentially performed in series.\n\n###",
        0.529681921005249
    ],
    [
        "Can vectors with duplicate primary keys be inserted into Milvus?\n\nYes. Milvus does not check if vector primary keys are duplicates.\n\n###",
        0.528809666633606
    ]
]

Redução da dimensionalidade para 2-d por t-SNE

Vamos reduzir a dimensão dos embeddings para 2-d por t-SNE. Usaremos a biblioteca sklearn para realizar a transformação t-SNE.

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.manifold import TSNE

data.append({"id": len(data), "vector": emb_text(question), "text": question})
embeddings = []
for gp in data:
    embeddings.append(gp["vector"])

X = np.array(embeddings, dtype=np.float32)
tsne = TSNE(random_state=0, max_iter=1000)
tsne_results = tsne.fit_transform(X)

df_tsne = pd.DataFrame(tsne_results, columns=["TSNE1", "TSNE2"])
df_tsne

Visualização dos resultados da pesquisa Milvus num plano 2d

Vamos representar o vetor de consulta a verde, os vectores recuperados a vermelho e os restantes vectores a azul.

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

# Extract similar ids from search results
similar_ids = [gp["id"] for gp in search_res[0]]

df_norm = df_tsne[:-1]

df_query = pd.DataFrame(df_tsne.iloc[-1]).T

# Filter points based on similar ids
similar_points = df_tsne[df_tsne.index.isin(similar_ids)]

# Create the plot
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 6))  # Set figsize

# Set the style of the plot
sns.set_style("darkgrid", {"grid.color": ".6", "grid.linestyle": ":"})

# Plot all points in blue
sns.scatterplot(
    data=df_tsne, x="TSNE1", y="TSNE2", color="blue", label="All knowledge", ax=ax
)

# Overlay similar points in red
sns.scatterplot(
    data=similar_points,
    x="TSNE1",
    y="TSNE2",
    color="red",
    label="Similar knowledge",
    ax=ax,
)

sns.scatterplot(
    data=df_query, x="TSNE1", y="TSNE2", color="green", label="Query", ax=ax
)

# Set plot titles and labels
plt.title("Scatter plot of knowledge using t-SNE")
plt.xlabel("TSNE1")
plt.ylabel("TSNE2")

# Set axis to be equal
plt.axis("equal")

# Display the legend
plt.legend()

# Show the plot
plt.show()

png

Como podemos ver, o vetor de pesquisa está próximo dos vectores obtidos. Embora os vectores recuperados não estejam dentro de um círculo padrão com um raio fixo centrado na consulta, podemos ver que ainda estão muito próximos do vetor de consulta no plano 2D.

A utilização de técnicas de redução da dimensionalidade pode facilitar a compreensão dos vectores e a resolução de problemas. Esperamos que possa compreender melhor os vectores através deste tutorial.