链载Ai
标题:
多模态RAG不止知识问答:文搜图与图搜图的四种实现方案
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作者:
链载Ai
时间:
3 天前
标题:
多模态RAG不止知识问答:文搜图与图搜图的四种实现方案
引言
在传统的RAG系统中,我们主要处理文本到文本的检索场景。然而,现实世界的知识库往往包含大量图片、图表等视觉信息。如何让用户通过自然语言查询找到相关图片(文搜图),或者通过一张图片找到相似图片(图搜图),成为多模态RAG需要解决的核心问题。
核心挑战
多模态检索面临的根本挑战是:如何让文本和图像在同一个语义空间中进行比较?
传统的文本Embedding模型只能处理文本,图像特征提取模型只能处理图像,两者产生的向量处于完全不同的向量空间,无法直接计算相似度。
技术演进路线
多模态RAG技术经历了从简单到复杂、从单一到融合的演进过程:
CLIP双编码器方案:通过对比学习将文本和图像映射到统一向量空间
VLM Captioning方案:利用视觉语言模型为图像生成文本描述,转化为文本检索问题
Qwen3-VL黄金架构:结合Embedding和Reranker的两阶段检索方案
Agentic RAG:引入智能Agent,根据查询意图动态选择检索策略
接下来,我们将逐一深入探讨每种方案的实现思路。
第一章:CLIP双编码器方案
1.1 CLIP模型原理
CLIP(Contrastive Language-Image Pre-training)是OpenAI在2021年发布的多模态模型,其核心思想是通过对比学习,让文本和图像在同一个512维向量空间中表示。
双编码器架构
CLIP采用双编码器架构:
文本编码器(Text Encoder):将文本转换为512维向量
图像编码器(Image Encoder):将图像转换为512维向量
两个编码器通过对比学习进行联合训练,使得语义相关的文本和图像在向量空间中距离更近。
对比学习训练
训练过程中,CLIP使用了4亿个图文对数据。对于每个batch:
正样本:匹配的图文对,目标是拉近它们的向量距离
负样本:不匹配的图文对,目标是推远它们的向量距离
这种训练方式使得CLIP学会了跨模态的语义对齐能力。
1.2 基于CLIP的检索实现思路
文搜图(Text-to-Image)
实现文搜图的核心流程:
离线索引阶段:
遍历图片库中的所有图片
使用CLIP的图像编码器将每张图片转换为512维向量
将向量存入向量数据库(如Milvus)
在线检索阶段:
接收用户的文本查询
使用CLIP的文本编码器将查询转换为512维向量
在向量数据库中进行相似度搜索
返回最相似的图片
图搜图(Image-to-Image)
图搜图的实现更加直接:
离线索引阶段:与文搜图相同
在线检索阶段:
接收用户上传的查询图片
使用CLIP的图像编码器将查询图片转换为向量
在向量数据库中搜索相似向量
返回最相似的图片
1.3 LlamaIndex中的MultiModalVectorStoreIndex
LlamaIndex提供了MultiModalVectorStoreIndex类,专门用于构建多模态检索系统。其核心设计思想是:
双索引架构:分别为文本和图像建立独立的向量索引
统一查询接口:通过统一的API同时检索文本和图像
灵活的Embedding配置:支持配置不同的文本和图像Embedding模型
索引构建流程
加载文档和图像数据
配置文本Embedding模型和图像Embedding模型(如CLIP)
创建MultiModalVectorStoreIndex实例
系统自动将文本和图像分别编码并存储
检索流程
创建MultiModalRetriever
输入查询(文本或图像)
系统自动选择对应的编码器处理查询
返回相关的文本节点和图像节点
1.4 向量持久化:Milvus集成
在生产环境中,向量数据需要持久化存储。Milvus是一个专门为向量检索设计的数据库,具有以下优势:
高性能:支持十亿级向量的毫秒级检索
多种索引类型:IVF_FLAT、HNSW等,可根据场景选择
分布式架构:支持水平扩展
与LlamaIndex集成
LlamaIndex提供了MilvusVectorStore类,可以无缝对接Milvus:
配置Milvus连接参数(URI、collection名称等)
创建MilvusVectorStore实例
将其作为存储后端传入MultiModalVectorStoreIndex
索引数据自动持久化到Milvus
双Collection设计
对于多模态场景,推荐使用双Collection设计:
文本Collection:存储文本向量,维度由文本Embedding模型决定
图像Collection:存储图像向量,维度为512(CLIP标准输出)
这种设计的好处是可以独立管理和优化文本与图像的检索性能。
1.5 CLIP方案的优缺点
优点
端到端简洁:无需额外的图像描述生成步骤
真正的跨模态理解:直接学习图文语义对齐
检索速度快:向量检索复杂度低
缺点
语义理解深度有限:CLIP的训练数据以简短描述为主,对复杂语义理解不足
细粒度检索能力弱:难以处理"图片中红色物体的左边是什么"这类细节查询
向量维度固定:512维可能无法充分表达复杂图像的全部信息
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第二章:VLM Captioning方案
2.1 核心思想
VLM Captioning方案采用了一种"曲线救国"的策略:既然跨模态检索困难,那就把图像转换为文本,将问题转化为成熟的文本检索问题。
基本流程
图像描述生成:使用视觉语言模型(如GPT-4o、Qwen-VL-Max)为每张图片生成详细的文本描述
文本索引构建:将生成的描述文本进行Embedding,存入向量数据库
文本检索:用户查询与图片描述进行文本相似度匹配
结果映射:将匹配的描述映射回对应的图片
2.2 VLM选择与Prompt设计
VLM模型选择
常用的视觉语言模型包括:
GPT-4o:OpenAI的多模态旗舰模型,描述质量高但成本较高
Qwen-VL-Max:阿里云的视觉语言模型,性价比较高
Claude 3.5 Sonnet:Anthropic的多模态模型,理解能力强
Prompt设计要点
生成高质量图片描述的Prompt应包含:
全面性要求:描述图片中的所有重要元素
结构化输出:按照主体、背景、细节等层次组织
语义丰富性:包含颜色、位置、动作、情感等多维度信息
检索友好性:使用用户可能搜索的关键词
2.3 混合检索:向量 + BM25
单纯的向量检索可能会遗漏一些关键词精确匹配的场景。例如,用户搜索"iPhone 15 Pro Max",向量检索可能返回各种手机图片,但BM25关键词检索能精确匹配包含这个型号的描述。
BM25算法简介
BM25是一种经典的关键词检索算法,其核心思想是:
词频(TF):关键词在文档中出现的次数越多,相关性越高
逆文档频率(IDF):在越少文档中出现的词,区分度越高
文档长度归一化:避免长文档获得不公平的优势
QueryFusionRetriever
LlamaIndex提供了QueryFusionRetriever,可以融合多种检索方式:
向量检索器:基于语义相似度检索
BM25检索器:基于关键词匹配检索
RRF融合算法:使用Reciprocal Rank Fusion合并两路结果
混合检索的优势
语义理解:向量检索捕捉语义相似性
精确匹配:BM25确保关键词不被遗漏
互补增强:两种方法的优势互补,提升整体召回率
2.4 VLM Captioning方案的优缺点
优点
语义理解深度:VLM可以生成非常详细的图片描述,包含丰富的语义信息
复用成熟技术:可以直接使用成熟的文本检索技术栈
可解释性强:检索结果可以通过描述文本解释为什么匹配
缺点
信息损失:图像转文本过程中不可避免地丢失部分视觉信息
成本较高:需要为每张图片调用VLM生成描述
不支持图搜图:用户上传图片后,需要先生成描述再检索,体验不够直接
第三章:Qwen3-VL黄金架构
3.1 两阶段检索思想
前面介绍的CLIP和VLM Captioning方案各有优缺点。Qwen3-VL黄金架构结合了两者的优势,采用"粗筛 + 精排"的两阶段检索策略。
第一阶段:Embedding粗筛
使用Embedding模型快速从海量数据中召回候选集:
速度快:向量检索复杂度低
召回量大:通常召回Top-K(如100条)候选
容错性高:宁可多召回,不可漏掉相关结果
第二阶段:Reranker精排
使用Reranker模型对候选集进行精细排序:
理解深度:Reranker可以同时看到查询和候选,进行交叉注意力计算
排序精准:输出精确的相关性分数
计算量可控:只处理第一阶段召回的少量候选
3.2 Qwen3-VL Embedding
Qwen3-VL是阿里云推出的多模态大模型,其Embedding版本专门针对检索场景优化。
核心特点
原生多模态:同一个模型可以处理文本和图像
统一向量空间:文本和图像编码到同一个高维空间
指令感知:支持通过指令控制Embedding的生成方式
与LlamaIndex集成
要在LlamaIndex中使用Qwen3-VL Embedding,需要实现自定义的Embedding适配器:
继承LlamaIndex的BaseEmbedding类
实现文本编码方法:调用Qwen3-VL处理文本
实现图像编码方法:调用Qwen3-VL处理图像
确保输出向量维度一致
3.3 Qwen3-VL Reranker
Reranker是两阶段检索的关键组件,负责对候选集进行精细排序。
Reranker vs Embedding的区别
特性
Embedding
Reranker
输入
单个文本/图像
查询 + 候选对
输出
向量
相关性分数
计算方式
独立编码
交叉注意力
适用场景
大规模召回
小规模精排
实现思路
Qwen3-VL Reranker的实现需要:
将查询和候选拼接成特定格式的输入
调用Qwen3-VL模型进行推理
从模型输出中提取相关性分数
根据分数对候选进行排序
3.4 黄金架构:Embedding + Reranker
将Embedding和Reranker组合,形成完整的两阶段检索流程:
完整流程
查询处理:接收用户的文本或图像查询
Embedding编码:将查询编码为向量
向量检索:在向量数据库中检索Top-K候选(如100条)
Reranker精排:对候选集进行精细排序
结果返回:返回Top-N最相关结果(如10条)
性能与效果的平衡
召回阶段:追求高召回率,宁可多召回
精排阶段:追求高精度,确保排序准确
参数调优:K和N的选择需要根据实际场景调整
3.5 三路检索融合
为了进一步提升检索效果,可以将向量检索、BM25检索和Reranker结合,形成三路检索融合架构。
架构设计
向量检索路:基于Qwen3-VL Embedding的语义检索
BM25检索路:基于图片描述的关键词检索
融合层:使用RRF算法合并两路结果
精排层:使用Qwen3-VL Reranker对融合结果精排
自定义Milvus检索器
为了实现三路检索,需要自定义Milvus检索器:
支持同时查询文本和图像Collection
支持配置不同的检索参数
支持结果的合并与去重
与LlamaIndex的Retriever接口兼容
3.6 Qwen3-VL方案的优缺点
优点
检索质量高:两阶段架构兼顾召回率和精度
原生多模态:无需图像转文本,保留完整视觉信息
灵活可扩展:可以根据需求调整各阶段参数
缺点
系统复杂度高:需要维护多个模型和组件
计算成本较高:Reranker阶段需要额外的模型推理
部署要求高:需要GPU资源支持大模型推理
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第四章:Agentic RAG
4.1 从传统RAG到Agentic RAG
传统RAG系统采用固定的检索-生成流程,无法根据查询的特点动态调整策略。Agentic RAG引入智能Agent,让系统具备自主决策能力。
传统RAG的局限
流程固定:无论什么查询都走相同的检索流程
无法迭代:一次检索不满意无法自动重试
缺乏推理:无法根据检索结果进行逻辑推理
Agentic RAG的优势
动态决策:根据查询意图选择最合适的检索策略
迭代优化:检索结果不满意时自动调整策略重试
推理能力:可以对检索结果进行分析和推理
4.2 ReAct循环
Agentic RAG的核心是ReAct(Reasoning + Acting)循环,让Agent在推理和行动之间交替进行。
ReAct循环的三个阶段
Observe(观察):Agent观察当前状态,包括用户查询、已有的检索结果等
Think(思考):Agent分析当前状态,决定下一步应该采取什么行动
Act(行动):Agent执行决定的行动,如调用检索工具、生成回答等
循环终止条件
Agent认为已经收集到足够的信息
达到最大迭代次数
用户主动终止
4.3 工具设计
在Agentic RAG中,检索能力被封装为工具(Tool),供Agent调用。
多模态检索工具
针对多模态场景,可以设计以下工具:
文搜图工具:输入文本查询,返回相关图片
图搜图工具:输入图片,返回相似图片
混合检索工具:同时使用向量和BM25检索
精排工具:对候选结果进行Reranker精排
工具描述的重要性
Agent通过工具描述来理解每个工具的功能和使用场景。好的工具描述应该:
清晰说明工具的功能
明确输入输出格式
给出使用场景示例
说明与其他工具的区别
4.4 LangChain Agent实现
LangChain提供了完善的Agent框架,可以快速构建Agentic RAG系统。
核心组件
LLM:作为Agent的"大脑",负责推理和决策
Tools:Agent可以调用的工具集合
Memory:存储对话历史和中间状态
Prompt:指导Agent行为的提示词
实现流程
定义检索工具,封装各种检索能力
配置LLM,选择合适的大语言模型
创建Agent,绑定工具和LLM
运行Agent,处理用户查询
4.5 多Agent协作
对于复杂的多模态检索场景,可以设计多个专门化的Agent协作完成任务。
Agent角色划分
路由Agent:分析查询意图,决定调用哪个专门Agent
文搜图Agent:专门处理文本到图像的检索
图搜图Agent:专门处理图像到图像的检索
问答Agent:基于检索结果生成回答
协作模式
串行模式:Agent按顺序执行,前一个的输出作为后一个的输入
并行模式:多个Agent同时执行,结果合并
层级模式:主Agent协调多个子Agent
4.6 Agentic RAG的优缺点
优点
智能化程度高:能够理解复杂查询意图
自适应能力强:可以根据情况动态调整策略
可扩展性好:通过添加工具扩展能力
缺点
延迟较高:多轮推理增加响应时间
成本较高:每次推理都需要调用LLM
可控性降低:Agent的行为不完全可预测
第五章:场景选型指南
5.1 技术方案对比
方案
文搜图
图搜图
语义理解
实现复杂度
成本
CLIP
支持
支持
中等
低
低
VLM Captioning
支持
不直接支持
高
中
中
Qwen3-VL黄金架构
支持
支持
高
高
高
Agentic RAG
支持
支持
最高
最高
最高
5.2 场景推荐
场景一:电商商品图片搜索
需求特点:
海量商品图片(百万级以上)
用户查询相对简单(如"红色连衣裙")
对响应速度要求高
推荐方案:CLIP + Milvus
理由:
CLIP能够处理简单的商品描述查询
向量检索速度快,满足高并发需求
实现成本低,易于维护
场景二:医学影像检索
需求特点:
图片数量中等(万级到十万级)
查询涉及专业术语和复杂描述
对检索精度要求极高
推荐方案:VLM Captioning + 混合检索
理由:
VLM可以生成专业的医学描述
混合检索确保专业术语精确匹配
可解释性强,便于医生验证结果
场景三:设计素材库
需求特点:
需要同时支持文搜图和图搜图
用户可能上传参考图片寻找相似素材
对视觉相似度要求高
推荐方案:Qwen3-VL黄金架构
理由:
原生支持图搜图,无需额外处理
两阶段检索保证检索质量
Reranker提升视觉相似度排序精度
场景四:智能客服图片问答
需求特点:
用户查询复杂多变
可能需要多轮交互
需要结合图片和文本生成回答
推荐方案:Agentic RAG
理由:
Agent可以理解复杂查询意图
支持多轮交互和迭代检索
可以整合多种检索策略
5.3 渐进式演进建议
对于大多数项目,建议采用渐进式演进策略:
第一阶段:快速验证
使用CLIP + 简单向量数据库
快速搭建MVP验证业务价值
收集用户反馈和真实查询数据
第二阶段:效果优化
引入VLM Captioning增强语义理解
添加BM25混合检索提升召回率
根据数据特点调优检索参数
第三阶段:质量提升
引入Reranker提升排序精度
考虑使用Qwen3-VL等更强的多模态模型
建立评估体系持续优化
第四阶段:智能化升级
引入Agent实现智能检索
支持复杂查询和多轮交互
持续迭代优化用户体验
总结
多模态RAG技术正在快速发展,从最初的CLIP双编码器到如今的Agentic RAG,技术方案越来越丰富,能力也越来越强大。
核心要点回顾
CLIP方案:通过对比学习实现跨模态检索,简单高效,适合入门
VLM Captioning:将图像转为文本,复用成熟的文本检索技术
Qwen3-VL黄金架构:Embedding + Reranker两阶段检索,兼顾效率和精度
Agentic RAG:引入智能Agent,实现动态决策和迭代优化
技术选型原则
从简单开始:先用简单方案验证业务价值
数据驱动:根据实际数据特点选择方案
渐进演进:随着需求增长逐步升级技术栈
成本效益:在效果和成本之间找到平衡点
未来展望
随着多模态大模型的持续进步,我们可以期待:
更强的跨模态理解:模型能够理解更复杂的图文关系
更高效的检索:在保持精度的同时进一步提升速度
更智能的Agent:能够处理更复杂的多模态任务
更低的使用门槛:框架和工具链的持续完善
希望本文能够帮助读者理解多模态RAG的技术演进脉络,在实际项目中选择合适的技术方案。
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