SpringBoot集成Milvus和deeplearning4j实现图搜图功能
作者:HBLOG
Milvus 是一种高性能、高扩展性的向量数据库,可在从笔记本电脑到大型分布式系统等各种环境中高效运行,Deeplearning4j(DL4J)是一个开源的深度学习框架,专门为Java和Scala开发,本文给大家介绍了SpringBoot集成Milvus和deeplearning4j实现图搜图功能
1.什么是Milvus?
Milvus 是一种高性能、高扩展性的向量数据库,可在从笔记本电脑到大型分布式系统等各种环境中高效运行。它既可以开源软件的形式提供,也可以云服务的形式提供。 Milvus 是 LF AI & Data Foundation 下的一个开源项目,以 Apache 2.0 许可发布。大多数贡献者都是高性能计算(HPC)领域的专家,擅长构建大型系统和优化硬件感知代码。核心贡献者包括来自 Zilliz、ARM、NVIDIA、AMD、英特尔、Meta、IBM、Salesforce、阿里巴巴和微软的专业人士
2.什么是deeplearning4j?
Deeplearning4j(DL4J)是一个开源的深度学习框架,专门为Java和Scala开发。它支持分布式计算,适合在大数据环境中运行,比如与Hadoop或Spark集成。DL4J的特点包括:
- 多种网络架构:支持多种深度学习模型,包括卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)和深度信念网络(DBN)。
- 集成与可扩展性:能够与大数据处理框架(如Apache Spark)和数据处理库(如ND4J)紧密集成,方便处理大规模数据集。
- 易于使用:提供高层API,简化模型构建和训练过程,同时也允许用户对底层实现进行细致的控制。
- 模型导入与导出:支持从其他框架(如Keras和TensorFlow)导入模型,并将训练好的模型导出为多种格式,以便于部署。
- 性能优化:支持多种硬件加速,包括GPU加速,能够提高训练和推理的效率。
- 支持多种应用场景:广泛应用于计算机视觉、自然语言处理、推荐系统等多个领域。
Deeplearning4j是企业和开发者进行深度学习开发和研究的强大工具,特别适合于需要与Java生态系统兼容的场景。
3.环境搭建
- First, we’ll need an instance of Milvus DB. The easiest and quickest way is to get a fully managed free Milvus DB instance provided by Zilliz Cloud: zilliz.com/
- For this, we’ll need to register for a Zilliz cloud account and follow the documentation for creating a free DB cluster.
4.代码工程
实验目标
利用Milvus和deeplearning4j实现图搜图功能
pom.xml
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"> <parent> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId> <version>3.2.1</version> </parent> <modelVersion>4.0.0</modelVersion> <artifactId>Milvus</artifactId> <properties> <maven.compiler.source>17</maven.compiler.source> <maven.compiler.target>17</maven.compiler.target> <deeplearning4j.version>1.0.0-M2.1</deeplearning4j.version> <nd4j.version>1.0.0-M2.1</nd4j.version> </properties> <dependencies> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-autoconfigure</artifactId> </dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId> <scope>test</scope> </dependency> <dependency> <groupId>io.milvus</groupId> <artifactId>milvus-sdk-java</artifactId> <version>2.4.0</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-zoo</artifactId> <version>${deeplearning4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.nd4j</groupId> <artifactId>nd4j-native-platform</artifactId> <version>${nd4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.datavec</groupId> <artifactId>datavec-data-image</artifactId> <version>${deeplearning4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId> <version>${deeplearning4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-modelimport</artifactId> <version>${deeplearning4j.version}</version> </dependency> </dependencies> <build> <pluginManagement> <plugins> <plugin> <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId> <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId> <version>3.8.1</version> <configuration> <fork>true</fork> <failOnError>false</failOnError> </configuration> </plugin> <plugin> <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId> <artifactId>maven-surefire-plugin</artifactId> <version>2.22.2</version> <configuration> <forkCount>0</forkCount> <failIfNoTests>false</failIfNoTests> </configuration> </plugin> </plugins> </pluginManagement> </build> </project>
特征抽取
package com.et.imagesearch; import org.deeplearning4j.zoo.model.ResNet50; import org.deeplearning4j.zoo.ZooModel; import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph; import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray; import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler; import org.datavec.image.loader.NativeImageLoader; import java.io.File; import java.io.IOException; public class FeatureExtractor { private ComputationGraph model; public FeatureExtractor() throws IOException { try { ZooModel<ComputationGraph> zooModel = ResNet50.builder().build(); model = (ComputationGraph) zooModel.initPretrained(); } catch (Exception e) { throw new IOException("Failed to initialize the pre-trained model: " + e.getMessage(), e); } } public INDArray extractFeatures(File imageFile) throws IOException { NativeImageLoader loader = new NativeImageLoader(224, 224, 3); INDArray image = loader.asMatrix(imageFile); ImagePreProcessingScaler scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1); scaler.transform(image); return model.outputSingle(image); } }
- 加载图像: 使用
NativeImageLoader
将图像加载为一个INDArray
,并将图像的大小调整为 224x224 像素,通道数为 3(即 RGB 图像)。 - 预处理图像: 使用
ImagePreProcessingScaler
将图像数据缩放到 [0, 1] 的范围,以便模型可以更好地处理。 - 特征提取: 使用模型的
outputSingle()
方法将预处理后的图像输入模型,返回提取的特征向量。
Milvus数据库操作
package com.et.imagesearch; import io.milvus.client.*; import io.milvus.param.*; import io.milvus.param.collection.*; import io.milvus.param.dml.*; import io.milvus.grpc.*; import io.milvus.param.index.CreateIndexParam; import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray; import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; import java.util.Collections; import java.util.List; import java.util.stream.Collectors; public class MilvusManager { private MilvusServiceClient milvusClient; public MilvusManager() { milvusClient = new MilvusServiceClient( ConnectParam.newBuilder() .withUri("https://xxx.gcp-us-west1.cloud.zilliz.com") .withToken("xxx") .build()); } public void createCollection() { FieldType idField = FieldType.newBuilder() .withName("id") .withDataType(DataType.Int64) .withPrimaryKey(true) .build(); FieldType vectorField = FieldType.newBuilder() .withName("embedding") .withDataType(DataType.FloatVector) .withDimension(1000) .build(); CreateCollectionParam createCollectionParam = CreateCollectionParam.newBuilder() .withCollectionName("image_collection") .withDescription("Image collection") .withShardsNum(2) .addFieldType(idField) .addFieldType(vectorField) .build(); milvusClient.createCollection(createCollectionParam); } public void insertData(long id, INDArray features) { List<Long> ids = Collections.singletonList(id); float[] floatArray = features.toFloatVector(); List<Float> floatList = new ArrayList<>(); for (float f : floatArray) { floatList.add(f); } List<List<Float>> vectors = Collections.singletonList(floatList); List<InsertParam.Field> fields = new ArrayList<>(); fields.add(new InsertParam.Field("id",ids)); fields.add(new InsertParam.Field("embedding", vectors)); InsertParam insertParam = InsertParam.newBuilder() .withCollectionName("image_collection") .withFields(fields) .build(); milvusClient.insert(insertParam); } public void flush() { milvusClient.flush(FlushParam.newBuilder() .withCollectionNames(Collections.singletonList("image_collection")) .withSyncFlush(true) .withSyncFlushWaitingInterval(50L) .withSyncFlushWaitingTimeout(30L) .build()); } public void buildindex() { // build index System.out.println("Building AutoIndex..."); final IndexType INDEX_TYPE = IndexType.AUTOINDEX; // IndexType long startIndexTime = System.currentTimeMillis(); R<RpcStatus> indexR = milvusClient.createIndex( CreateIndexParam.newBuilder() .withCollectionName("image_collection") .withFieldName("embedding") .withIndexType(INDEX_TYPE) .withMetricType(MetricType.L2) .withSyncMode(Boolean.TRUE) .withSyncWaitingInterval(500L) .withSyncWaitingTimeout(30L) .build()); long endIndexTime = System.currentTimeMillis(); System.out.println("Succeed in " + (endIndexTime - startIndexTime) / 1000.00 + " seconds!"); } }
- createCollection():
- 创建一个名为
image_collection
的集合,包含两个字段:- id: 主键,类型为
Int64
。 - embedding: 特征向量,类型为
FloatVector
,维度为 1000。
- id: 主键,类型为
- 使用
CreateCollectionParam
指定集合的名称、描述和分片数量,并调用createCollection
方法执行创建操作。
- 创建一个名为
- insertData(long id, INDArray features):
- 插入一条新数据到
image_collection
集合中。 - 将
INDArray
类型的特征向量转换为List<List<Float>>
格式,以满足 Milvus 的插入要求。 - 创建一个
InsertParam
实例,包含 ID 和特征向量,并调用insert
方法执行插入操作。
- 插入一条新数据到
- flush():
- 刷新
image_collection
集合,确保所有待处理的插入操作都被写入数据库。 - 使用
FlushParam
配置同步刷新模式和等待参数,确保操作的可靠性。
- 刷新
- buildindex():
- 构建
image_collection
集合中embedding
字段的索引,以加快后续的相似性搜索。 - 使用
CreateIndexParam
指定集合名称、字段名称、索引类型(自动索引)和度量类型(L2距离)。 - 调用
createIndex
方法执行索引创建,并输出所用时间。
- 构建
图片搜索功能
package com.et.imagesearch; import io.milvus.client.MilvusServiceClient; import io.milvus.grpc.SearchResults; import io.milvus.param.ConnectParam; import io.milvus.param.MetricType; import io.milvus.param.R; import io.milvus.param.dml.SearchParam; import io.milvus.response.SearchResultsWrapper; import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray; import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; import java.util.Collections; import java.util.List; import java.util.stream.Collectors; public class ImageSearcher { private MilvusServiceClient milvusClient; public ImageSearcher() { milvusClient = new MilvusServiceClient( ConnectParam.newBuilder() .withUri("https://ixxxxx.gcp-us-west1.cloud.zilliz.com") .withToken("xxx") .build()); } public void search(INDArray queryFeatures) { float[] floatArray = queryFeatures.toFloatVector(); List<Float> floatList = new ArrayList<>(); for (float f : floatArray) { floatList.add(f); } List<List<Float>> vectors = Collections.singletonList(floatList); SearchParam searchParam = SearchParam.newBuilder() .withCollectionName("image_collection") .withMetricType(MetricType.L2) .withTopK(5) .withVectors(vectors) .withVectorFieldName("embedding") .build(); R<SearchResults> searchResults = milvusClient.search(searchParam); System.out.println("Searching vector: " + queryFeatures.toFloatVector()); System.out.println("Result: " + searchResults.getData().getResults().getFieldsDataList()); } }
- 特征转换: 将
INDArray
转换为float[]
数组,然后将其转换为List<Float>
。这是因为 Milvus 需要特定格式的向量输入。 - 构建搜索参数: 创建一个
SearchParam
对象,指定要搜索的集合名称、度量类型(例如 L2 距离)、返回的最相似的前 K 个结果、向量字段名称以及搜索的向量数据。 - 执行搜索: 使用
milvusClient
的search
方法执行搜索,并将结果存储在searchResults
中。 - 结果输出: 打印出搜索的特征向量和搜索结果。
Main主类
package com.et.imagesearch; import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray; import java.io.File; import java.io.IOException; public class Main { public static void main(String[] args) throws IOException { FeatureExtractor extractor = new FeatureExtractor(); MilvusManager milvusManager = new MilvusManager(); ImageSearcher searcher = new ImageSearcher(); milvusManager.createCollection(); // images extract File[] imageFiles = new File("/Users/liuhaihua/ai/ut-zap50k-images-square/Boots/Ankle/Columbia").listFiles(); if (imageFiles != null) { for (int i = 0; i < imageFiles.length; i++) { INDArray features = extractor.extractFeatures(imageFiles[i]); milvusManager.insertData(i, features); } } milvusManager.flush(); milvusManager.buildindex(); // query File queryImage = new File("/Users/liuhaihua/ai/ut-zap50k-images-square/Boots/Ankle/Columbia/7247580.16952.jpg"); INDArray queryFeatures = extractor.extractFeatures(queryImage); searcher.search(queryFeatures); } }
以上只是一些关键代码,所有代码请参见下面代码仓库
代码仓库
5.测试
- 启动main方法
- 查看云数据中数据
- 控制台可以看到搜图结果
以上就是SpringBoot集成Milvus和deeplearning4j实现图搜图功能的详细内容,更多关于SpringBoot Milvus和deeplearning4图搜图的资料请关注脚本之家其它相关文章!