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Binary 向量

Binary 向量是一种特殊的数据表示形式，通过将传统的高维浮点向量转换为仅包含 0 和 1 的二进制向量。这种转换不仅压缩了向量的大小，还能够在保留语义信息的同时，减少存储和计算成本。在非关键特征的精度要求较低的情况下，Binary 向量能够有效保留大部分原始浮点向量的完整性和实用性。

Binary 向量的应用场景非常广泛，尤其是在计算效率和存储优化至关重要的情况下。在大型 AI 系统中（如搜索引擎或推荐系统），实时处理海量数据是关键。通过减少向量的大小，Binary 向量能够在不显著牺牲准确性的情况下，帮助减少延迟和计算成本。此外，Binary 向量在资源受限的环境中也很有用，例如移动设备和嵌入式系统，这些场景中内存和处理能力有限。通过使用 Binary 向量，复杂的 AI 功能得以在这些限制条件下实现，同时保持较高的运行效率。

概述​

Binary 向量是一种将复杂对象（如图像、文本或音频）编码为固定长度二进制串的向量表示方法。在 Zilliz Cloud 中，Binary 向量通常表示为位数组或字节数组。例如，一个 8 维的 Binary 向量可以表示为 [1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0]。

下图展示了 Binary 向量如何表示文本内容中关键词的出现情况。本例中，我们使用一个 10 维的 Binary 向量来表示两个不同的文本（文本 1 和文本 2），其中每个维度对应词汇表中的一个词， 1 表示该词在文本中出现，0 表示未出现。

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Binary 向量表示法具有以下特点：

  • 高效存储：每个维度只需 1 bit 存储，大大节省了存储空间。

  • 快速计算：使用位运算（如 XOR）可以快速计算向量间的相似度。

  • 固定长度：无论原始文本长度如何，向量长度保持不变，便于索引和检索。

  • 简单直观：直接反映了关键词的出现情况，适合某些特定的检索任务。

Binary 向量可以通过多种方法生成。在文本处理中，可以使用预定义的词汇表，根据词语出现与否设置相应位。图像处理中，可以使用感知哈希算法（如 pHash）生成图像的 Binary 特征。在机器学习应用中，可以将模型输出二值化，得到 Binary 向量表示。

数据在向量化后，可以存储在 Zilliz Cloud 中进行管理和向量检索。下图展示了基本流程。

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📘说明

尽管 Binary 向量在某些场景下表现出色，但它也存在表达能力有限的局限性，难以捕捉复杂的语义关系。因此，在实际应用中，Binary 向量常与其他向量类型结合使用，以平衡效率和表达能力。有关更多信息，请参考 稠密向量 和 稀疏向量。

在 Zilliz Cloud 中使用 Binary 向量​

添加 Binary 向量字段​

要在 Zilliz Cloud 中使用 Binary 向量，首先需要在创建 Collection 时定义用于存储 Binary 向量的向量字段。这个过程包括：

  1. 设置 datatype 为支持的 Binary 向量数据类型，即 BINARY_VECTOR。

  2. 使用 dim 参数指定向量的维度。注意，dim 必须是 8 的倍数，因为 Binary 向量在插入时需要转换为 byte 数组。每 8 个布尔值（0 或 1）将被打包为 1 个 byte。例如，如果 dim=128，则插入时需要提供 16 个 byte 的数组。

from pymilvus import MilvusClient, DataType

client = MilvusClient(uri="YOUR_CLUSTER_ENDPOINT")

schema = client.create_schema(
    auto_id=True,
    enable_dynamic_fields=True,
)

schema.add_field(field_name="pk", datatype=DataType.VARCHAR, is_primary=True, max_length=100)
schema.add_field(field_name="binary_vector", datatype=DataType.BINARY_VECTOR, dim=128)

以上示例中，我们添加了一个名为 binary_vector 的向量字段，用于存储 Binary 向量。该字段的数据类型为 BINARY_VECTOR，向量维度为 128。

为 Binary 向量创建索引​

为了加速搜索，我们需要为 Binary 向量字段创建索引。索引可以显著提高大规模向量数据的检索效率。

index_params = client.prepare_index_params()

index_params.add_index(
    field_name="binary_vector",
    index_name="binary_vector_index",
    index_type="AUTOINDEX",
    metric_type="HAMMING"
)

以上示例中，我们为 binary_vector 字段创建了一个名为 binary_vector_index 的索引，索引类型为 AUTOINDEX。 metric_type 设置为 HAMMING，表示使用汉明（Hamming）距离作为相似性度量。

除了 HAMMING 相似度类型，Zilliz Cloud 还支持为 Binary 向量指定其他度量类型。具体请参考相似度类型。

创建 Collection​

Binary 向量和索引定义完成后，我们便可以创建包含 Binary 向量的 Collection。以下示例通过 create_collection 方法创建了一个名为 my_binary_collection 的 Collection。

client.create_collection(
    collection_name="my_binary_collection",
    schema=schema,
    index_params=index_params
)

插入 Binary 向量​

创建 Collection 后，我们可以通过 insert 方法插入包含 Binary 向量的数据。注意，Binary 向量应当以 byte 数组形式提供，其中每个 byte 代表 8 个布尔值。

例如，对于 128 维的 Binary 向量，需要提供 16 个 byte 的数组（因为 128 位 ÷ 8 位/byte = 16 byte）。以下是插入数据的代码示例：

def convert_bool_list_to_bytes(bool_list):
    if len(bool_list) % 8 != 0:
        raise ValueError("The length of a boolean list must be a multiple of 8")

    byte_array = bytearray(len(bool_list) // 8)
    for i, bit in enumerate(bool_list):
        if bit == 1:
            index = i // 8
            shift = i % 8
            byte_array[index] |= (1 << shift)
    return bytes(byte_array)

bool_vectors = [
    [1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0] + [0] * 112,
    [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1] + [0] * 112,
]

data = [{"binary_vector": convert_bool_list_to_bytes(bool_vector) for bool_vector in bool_vectors}]

client.insert(
    collection_name="my_binary_collection",
    data=data
)

基于 Binary 向量执行相似性搜索​

相似性搜索是 Zilliz Cloud 的核心功能之一，可以根据向量之间的距离快速找到与查询向量最相似的数据。要基于 Binary 向量进行相似性搜索，您需要准备查询向量和搜索参数，然后执行 search 方法。

在搜索时，Binary 向量同样需要以 byte 数组的形式提供。确保查询向量的维度与定义 dim 时一致，并按照 8 个布尔值转换为 1 个 byte。

search_params = {
    "params": {"nprobe": 10}
}

query_bool_list = [1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0] + [0] * 112
query_vector = convert_bool_list_to_bytes(query_bool_list)

res = client.search(
    collection_name="my_binary_collection",
    data=[query_vector],
    anns_field="binary_vector",
    search_params=search_params,
    limit=5,
    output_fields=["pk"]
)

print(res)

# Output
# data: ["[{'id': '453718927992172268', 'distance': 10.0, 'entity': {'pk': '453718927992172268'}}]"]

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