使用 PyTorch 和 Milvus 進行圖片搜尋
本指南介紹一個整合 PyTorch 與 Milvus 的範例,以使用嵌入式執行圖像搜尋。PyTorch 是一個強大的開源深度學習框架,廣泛用於建立和部署機器學習模型。在本範例中,我們將利用其 Torchvision 函式庫和預先訓練好的 ResNet50 模型來產生代表圖像內容的特徵向量 (embeddings)。這些嵌入向量將儲存在高效能向量資料庫 Milvus 中,以便進行有效率的相似性搜尋。使用的資料集是來自Kaggle 的 Impressionist-Classifier Dataset。透過結合 PyTorch 的深度學習能力與 Milvus 的可擴充搜尋功能,本範例展示了如何建立一個強大且有效率的圖像檢索系統。
讓我們開始吧
安裝需求
在本範例中,我們將使用pymilvus
連線使用 Milvus,torch
用於執行嵌入模型,torchvision
用於實際模型和預處理,gdown
用於下載範例資料集,tqdm
用於載入欄位。
pip install pymilvus torch gdown torchvision tqdm
擷取資料
我們要使用gdown
從 Google Drive 抓取壓縮檔,然後用內建的zipfile
函式庫來解壓縮。
import gdown
import zipfile
url = 'https://drive.google.com/uc?id=1OYDHLEy992qu5C4C8HV5uDIkOWRTAR1_'
output = './paintings.zip'
gdown.download(url, output)
with zipfile.ZipFile("./paintings.zip","r") as zip_ref:
zip_ref.extractall("./paintings")
資料集的大小為 2.35 GB,下載所花的時間取決於您的網路狀況。
全局參數
這些是我們將會使用的一些主要全局參數,以便於追蹤和更新。
# Milvus Setup Arguments
COLLECTION_NAME = 'image_search' # Collection name
DIMENSION = 2048 # Embedding vector size in this example
MILVUS_HOST = "localhost"
MILVUS_PORT = "19530"
# Inference Arguments
BATCH_SIZE = 128
TOP_K = 3
設定 Milvus
此時,我們要開始設定 Milvus。步驟如下:
使用提供的 URI 連線到 Milvus 實例。
from pymilvus import connections # Connect to the instance connections.connect(host=MILVUS_HOST, port=MILVUS_PORT)
如果集合已經存在,請將它刪除。
from pymilvus import utility # Remove any previous collections with the same name if utility.has_collection(COLLECTION_NAME): utility.drop_collection(COLLECTION_NAME)
建立收藏集,收藏 ID、圖片的檔案路徑及其嵌入。
from pymilvus import FieldSchema, CollectionSchema, DataType, Collection # Create collection which includes the id, filepath of the image, and image embedding fields = [ FieldSchema(name='id', dtype=DataType.INT64, is_primary=True, auto_id=True), FieldSchema(name='filepath', dtype=DataType.VARCHAR, max_length=200), # VARCHARS need a maximum length, so for this example they are set to 200 characters FieldSchema(name='image_embedding', dtype=DataType.FLOAT_VECTOR, dim=DIMENSION) ] schema = CollectionSchema(fields=fields) collection = Collection(name=COLLECTION_NAME, schema=schema)
在新建立的集合上建立索引,並將其載入記憶體。
# Create an AutoIndex index for collection index_params = { 'metric_type':'L2', 'index_type':"IVF_FLAT", 'params':{'nlist': 16384} } collection.create_index(field_name="image_embedding", index_params=index_params) collection.load()
完成這些步驟後,就可以插入集合並進行搜尋。任何新增的資料都會自動建立索引,並立即可供搜尋。如果資料非常新,搜尋速度可能會較慢,因為會對仍在編制索引的資料使用暴力搜尋。
插入資料
在本範例中,我們將使用torch
及其 model hub 所提供的 ResNet50 模型。為了取得嵌入式資料,我們會去掉最後的分類層,結果模型會提供 2048 個維度的嵌入式資料。在torch
上找到的所有視覺模型都使用相同的預處理,我們在這裡也包含了相同的預處理。
在接下來的幾個步驟中,我們將會
載入資料。
import glob # Get the filepaths of the images paths = glob.glob('./paintings/paintings/**/*.jpg', recursive=True) len(paths)
將資料分批預先處理。
import torch # Load the embedding model with the last layer removed model = torch.hub.load('pytorch/vision:v0.10.0', 'resnet50', pretrained=True) model = torch.nn.Sequential(*(list(model.children())[:-1])) model.eval()
嵌入資料。
from torchvision import transforms # Preprocessing for images preprocess = transforms.Compose([ transforms.Resize(256), transforms.CenterCrop(224), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]), ])
插入資料。
from PIL import Image from tqdm import tqdm # Embed function that embeds the batch and inserts it def embed(data): with torch.no_grad(): output = model(torch.stack(data[0])).squeeze() collection.insert([data[1], output.tolist()]) data_batch = [[],[]] # Read the images into batches for embedding and insertion for path in tqdm(paths): im = Image.open(path).convert('RGB') data_batch[0].append(preprocess(im)) data_batch[1].append(path) if len(data_batch[0]) % BATCH_SIZE == 0: embed(data_batch) data_batch = [[],[]] # Embed and insert the remainder if len(data_batch[0]) != 0: embed(data_batch) # Call a flush to index any unsealed segments. collection.flush()
- 這個步驟相對耗時,因為嵌入需要時間。喝一口咖啡,放鬆一下。
- PyTorch 可能無法在 Python 3.9 及更早的版本中順利運作。請考慮使用 Python 3.10 或更高版本。
執行搜尋
將所有資料插入 Milvus 之後,我們就可以開始執行搜尋了。在這個範例中,我們要搜尋兩個範例圖片。由於我們進行的是批次搜尋,因此搜尋時間是由批次中的影像共同分擔的。
import glob
# Get the filepaths of the search images
search_paths = glob.glob('./paintings/test_paintings/**/*.jpg', recursive=True)
len(search_paths)
import time
from matplotlib import pyplot as plt
# Embed the search images
def embed(data):
with torch.no_grad():
ret = model(torch.stack(data))
# If more than one image, use squeeze
if len(ret) > 1:
return ret.squeeze().tolist()
# Squeeze would remove batch for single image, so using flatten
else:
return torch.flatten(ret, start_dim=1).tolist()
data_batch = [[],[]]
for path in search_paths:
im = Image.open(path).convert('RGB')
data_batch[0].append(preprocess(im))
data_batch[1].append(path)
embeds = embed(data_batch[0])
start = time.time()
res = collection.search(embeds, anns_field='image_embedding', param={'nprobe': 128}, limit=TOP_K, output_fields=['filepath'])
finish = time.time()
# Show the image results
f, axarr = plt.subplots(len(data_batch[1]), TOP_K + 1, figsize=(20, 10), squeeze=False)
for hits_i, hits in enumerate(res):
axarr[hits_i][0].imshow(Image.open(data_batch[1][hits_i]))
axarr[hits_i][0].set_axis_off()
axarr[hits_i][0].set_title('Search Time: ' + str(finish - start))
for hit_i, hit in enumerate(hits):
axarr[hits_i][hit_i + 1].imshow(Image.open(hit.entity.get('filepath')))
axarr[hits_i][hit_i + 1].set_axis_off()
axarr[hits_i][hit_i + 1].set_title('Distance: ' + str(hit.distance))
# Save the search result in a separate image file alongside your script.
plt.savefig('search_result.png')
搜尋結果的影像應該類似於下圖:
影像搜尋輸出