ANN的方法分為三大類：基于樹的方法、哈希方法、矢量量化方法。brute-force搜索的方式是在全空間進行搜索，為了加快查找的速度，幾乎所有的ANN方法都是通過對全空間分割，將其分割成很多小的子空間，在搜索的時候，通過某種方式，快速鎖定在某一（幾）子空間，然后在該（幾個）子空間里做遍歷。

1、基于樹的方法

1.1 kd樹

1.2Annoy

Annoy是一個以樹為數據結構的近似最近鄰搜索庫，并用在Spotify的推薦系統中。Annoy的核心是不斷用選取的兩個質心的法平面對空間進行分割，最終將每一個區分的子空間里面的樣本數據限制在K以內。對于待插入的樣本$x_i$，從根節點依次使用法向量跟$x_i$做內積運算，從而判斷使用法平面的哪一邊（左子樹or右子樹）。對于查詢向量$q_i$，采用同樣的方式（在樹結構上體現為從根節點向葉子節點遞歸遍歷），即可定位到跟$q_i$在同一個子空間或者鄰近的子空間的樣本，這些樣本即為$q_i$近鄰。為了提高查詢的召回，Annoy采用建立多棵樹的方式。

2、哈希方法

3、矢量量化方法

矢量量化方法，即vector quantization，其具體定義為：將一個向量空間中的點用其中的一個有限子集來進行編碼的過程。在矢量量化編碼中，關鍵是碼本的建立和碼字搜索算法。比如常見的聚類算法，就是一種矢量量化方法。而在ANN近似最近鄰搜索中，向量量化方法又以乘積量化(PQ, Product Quantization)最為典型。

PQ乘積量化的核心思想還是聚類，或者說具體應用到ANN近似最近鄰搜索上，K-Means是PQ乘積量化子空間數目為1的特例。PQ乘積量化生成碼本和量化的過程可以用如下圖示來說明：

在訓練階段，針對N個訓練樣本，假設樣本維度為128維，我們將其切分為4個子空間，則每一個子空間的維度為32維，然后我們在每一個子空間中，對子向量采用K-Means對其進行聚類(圖中示意聚成256類)，這樣每一個子空間都能得到一個碼本。這樣訓練樣本的每個子段，都可以用子空間的聚類中心來近似，對應的編碼即為類中心的ID。如圖所示，通過這樣一種編碼方式，訓練樣本僅使用的很短的一個編碼得以表示，從而達到量化的目的。對于待編碼的樣本，將它進行相同的切分，然后在各個子空間里逐一找到距離它們最近的類中心，然后用類中心的id來表示它們，即完成了待編碼樣本的編碼。

在查詢階段，PQ同樣在計算查詢樣本與dataset中各個樣本的距離，只不過這種距離的計算轉化為間接近似的方法而獲得。PQ乘積量化方法在計算距離的時候，有兩種距離計算方式，一種是對稱距離，另外一種是非對稱距離。非對稱距離的損失小(也就是更接近真實距離)，實際中也經常采用這種距離計算方式。下面過程示意的是查詢樣本來到時，以非對稱距離的方式(紅框標識出來的部分)計算到dataset樣本間的計算示意：

具體地，查詢向量來到時，按訓練樣本生成碼本的過程，將其同樣分成相同的子段，然后在每個子空間中，計算子段到該子空間中所有聚類中心得距離，如圖中所示，可以得到4*256個距離，這里為便于后面的理解說明，小白菜就把這些算好的距離稱作距離池。在計算庫中某個樣本到查詢向量的距離時，比如編碼為(124, 56, 132, 222)這個樣本到查詢向量的距離時，我們分別到距離池中取各個子段對應的距離即可，比如編碼為124這個子段，在第1個算出的256個距離里面把編號為124的那個距離取出來就可，所有子段對應的距離取出來后，將這些子段的距離求和相加，即得到該樣本到查詢樣本間的非對稱距離。所有距離算好后，排序后即得到我們最終想要的結果。

從上面這個過程可以很清楚地看出PQ乘積量化能夠加速索引的原理：即將全樣本的距離計算，轉化為到子空間類中心的距離計算。比如上面所舉的例子，原本brute-force search的方式計算距離的次數隨樣本數目N成線性增長，但是經過PQ編碼后，對于耗時的距離計算，只要計算4*256次，幾乎可以忽略此時間的消耗。另外，從上圖也可以看出，對特征進行編碼后，可以用一個相對比較短的編碼來表示樣本，自然對于內存的消耗要大大小于brute-force search的方式。

在某些特殊的場合，我們總是希望獲得精確的距離，而不是近似的距離，并且我們總是喜歡獲取向量間的余弦相似度（余弦相似度距離范圍在[-1,1]之間，便于設置固定的閾值），針對這種場景，可以針對PQ乘積量化得到的前top@K做一個brute-force search的排序。

倒排乘積量化

倒排PQ乘積量化(IVFPQ)是PQ乘積量化的更進一步加速版。其加速的本質逃不開小白菜在最前面強調的是加速原理：brute-force搜索的方式是在全空間進行搜索，為了加快查找的速度，幾乎所有的ANN方法都是通過對全空間分割，將其分割成很多小的子空間，在搜索的時候，通過某種方式，快速鎖定在某一（幾）子空間，然后在該（幾個）子空間里做遍歷。在上一小節可以看出，PQ乘積量化計算距離的時候，距離雖然已經預先算好了，但是對于每個樣本到查詢樣本的距離，還是得老老實實挨個去求和相加計算距離。但是，實際上我們感興趣的是那些跟查詢樣本相近的樣本（小白菜稱這樣的區域為感興趣區域），也就是說老老實實挨個相加其實做了很多的無用功，如果能夠通過某種手段快速將全局遍歷鎖定為感興趣區域，則可以舍去不必要的全局計算以及排序。倒排PQ乘積量化的”倒排“，正是這樣一種思想的體現，在具體實施手段上，采用的是通過聚類的方式實現感興趣區域的快速定位，在倒排PQ乘積量化中，聚類可以說應用得淋漓盡致。

倒排PQ乘積量化整個過程如下圖所示：

在PQ乘積量化之前，增加了一個粗量化過程。具體地，先對N個訓練樣本采用K-Means進行聚類，這里聚類的數目一般設置得不應過大，一般設置為1024差不多，這種可以以比較快的速度完成聚類過程。得到了聚類中心后，針對每一個樣本x_i，找到其距離最近的類中心c_i后，兩者相減得到樣本x_i的殘差向量(x_i-c_i)，后面剩下的過程，就是針對(x_i-c_i)的PQ乘積量化過程，此過程不再贅述。

在查詢的時候，通過相同的粗量化，可以快速定位到查詢向量屬于哪個c_i（即在哪一個感興趣區域），然后在該感興趣區域按上面所述的PQ乘積量化距離計算方式計算距離。

參考：

https://yongyuan.name/blog/ann-search.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ann搜索算法（Approximate Nearest Neighbor）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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