譯者 | 朱先忠

譯者 | 重樓

要理解本文中的內容，你需要掌握Jaccard相似性和向量搜索等預備知識。本文算法的實現已在GitHub（https://github.com/atlantis-nova/simtag）上發布，并且是完全開源的。

簡介

多年來，我們已經發現了如何從諸如數字、原始文本、圖像和標簽等不同類型的模式數據中檢索信息。

隨著應用程序定制用戶接口的日益普及，標簽搜索系統已成為一種方便、準確的信息過濾方式。通常，使用標簽搜索的一些代表性場景包括檢索社交媒體帖子、文章、游戲、電影，甚至簡歷等領域。

然而，傳統的標簽搜索缺乏靈活性。如果我們要過濾完全包含給定標簽的樣本，可能會出現以下情況，特別是對于僅包含幾千個樣本的數據庫，可能沒有任何（或只有少數）與我們的查詢匹配的樣本。

缺乏有關信息時兩種搜索方案的搜索結果差異（作者本人提供圖片）

通過下面的內容，我將介紹幾種新的搜索算法。就我所知，目前我還沒有在網絡上找到與此相同的算法。

傳統標簽搜索是如何工作的？

傳統系統采用一種稱為Jaccard相似度的算法（通常通過Minhash算法執行），該算法能夠計算兩組元素之間的相似度（在我們的例子中，這些元素是標簽）。如前所述，這樣的搜索根本不靈活（無論集合中包含或是不包含查詢的標簽）。

一個簡單的AND位操作示例（盡管這里給出的并非是Jaccard相似性，但是能夠展示過濾方法的大致概念）（作者本人提供圖片）

我們能做得更好嗎？

如果我們不只是從匹配的標簽中過濾樣本，而是考慮樣本中所有其他不相同但與我們選擇的標簽相似的標簽，那么情況會怎么樣呢？我們可以使算法更加靈活，將結果擴展到非完美匹配，但仍然是良好的匹配。我們的思路是：直接將語義相似性應用于標簽，而不是文本。

語義標簽搜索算法

正如文章開頭提到的那樣，這種新方法試圖將語義搜索的功能與標簽過濾系統相結合。為了構建這個算法，我們只需要做一件事：

• 創建一個標記樣本的數據庫

在本文示例項目中，我將使用的參考數據是Steam游戲庫的開源集合（可從Kaggle下載：https://www.kaggle.com/datasets/fronkongames/steam-games-dataset，遵循MIT許可證）——大約有40000個樣本，這是用于測試我們算法的不錯的樣本。正如我們從顯示的數據幀中看到的，每個游戲都對應幾個已分配的標簽，我們的數據庫中共有400多個唯一的標簽。

示例源文件中提供的Steam數據幀截圖（作者本人提供圖片）

現在，我們已經準備好了初始數據，就可以繼續接下來的工作了。

我們的算法將通過以下步驟進行闡述：

• 提取標簽關系
• 對查詢和樣本進行編碼
• 使用向量檢索執行語義標簽搜索
• 驗證

在本文中，我將只分析這種新方法背后的數學原理（有關代碼的深入解釋和工作演示，請參閱本文示例工程源碼：https://github.com/atlantis-nova/simtag/blob/main/notebooks/steam_example.ipynb。有關如何使用simtag的說明，請參閱源碼工程根目錄下的README.md文件）。

1.提取標簽關系

首先想到的問題是，我們如何找到標簽之間的關系。請注意，目前已經存在幾種算法可用于獲得相同的結果：

• 使用統計方法

我們可以用來提取標簽關系的最簡單的方法稱為共現矩陣（co-occurrence matrix），這是我將在本文中使用的格式（出于其有效性和簡單性）。

• 使用深度學習

最先進的都是基于嵌入神經網絡（如過去使用的Word2Vec；現在通常使用轉換器，如LLM），可以提取樣本之間的語義關系。創建一個神經網絡來提取標簽關系（以自動編碼器的形式）是可能的，而且在面對某些情況時通常也是明智的方案。

• 使用預訓練模型

因為標簽是使用人類語言定義的，所以可以使用現有的預訓練模型來計算已經存在的相似性。這可能會更快，而且減少了麻煩。然而，每個數據集都有其獨特性。不足的一點是，使用預先訓練的模型將忽略客戶行為。

例如，我們稍后將看到2D與Fantasy有著密切的關系：但是，使用預先訓練的模型永遠不會發現這樣的匹配對。

算法的選擇可能取決于許多因素，特別是當我們必須處理龐大的數據池或有可擴展性問題時（如果我們擁有太多的標簽，那么我們需要使用機器學習來解決這個問題）。

a.使用Michelangiolo相似性構建共現矩陣

如前所述，我將使用共現矩陣作為提取這些關系的手段。我的目標是找到每對標簽之間的關系。為此，我將使用IoU（聯合上的交集）對所有樣本集（S）應用以下計數：

計算一對標簽之間相似度的公式（作者本人提供圖片）

該算法與Jaccard相似度非常相似。雖然這種算法針對樣本進行操作（而我介紹的那種算法針對元素進行操作），但是由于（據我所知）這個特定的應用程序尚未被編程實現過；因此，我們可以將其命名為Michelangiolo相似性。（公平地說，這個算法的使用以前在StackOverflow問題中已經提到過，但從未被編程實現過）。

Jaccard相似性和Michelangiolo相似性的差異（作者本人提供圖片）

對于40000個樣本，提取相似性矩陣大約需要一個小時，結果如下：

樣本列表S中所有唯一標簽的共現矩陣（作者本人提供圖片）

接下來，讓我們手動檢查前10個樣本中一些比較常見的標簽，看看結果是否有意義：

從共現矩陣中提取的樣本關系（作者本人提供圖片）

結果看起來很有希望！我們從簡單的分類數據（只能轉換為0和1）開始，但我們提取了標簽之間的語義關系（甚至沒有使用神經網絡）。

b.使用預訓練的神經網絡

同樣，我們可以使用預訓練的編碼器（https://huggingface.co/sentence-transformers/all-MiniLM-L6-v2）提取樣本之間的現有關系。然而，這種解決方案忽略了只能從我們的數據中提取的關系，只關注人類語言的現有語義關系。注意，這種算法可能不是一個非常適合基于零售數據的工作解決方案。

另一方面，通過使用神經網絡，我們不再需要構建關系矩陣。因此，當關注可擴展性時，這是一種比較適當的解決方案。例如，如果我們必須分析大量的推特數據，我們會得到53.300個標簽。根據這個數量的標簽計算共現矩陣將得到大小為2500000000的稀疏矩陣（這是一個非常不切實際的壯舉）。相反，通過使用輸出向量長度為384的標準編碼器，得到的矩陣的總大小將為19200200。

使用預訓練編碼器對一組標簽進行編碼的快照數據

2.對查詢和樣本進行編碼

我們的目標是構建一個能夠支持語義標簽搜索的搜索引擎：根據我們一直在構建的格式，唯一能夠支持這種方案的技術是使用向量搜索。因此，我們需要找到一個合適的編碼算法，將樣本和查詢轉換為向量。

在大多數編碼算法中，我們都會使用相同的算法對查詢和樣本進行編碼。然而，每個樣本都包含多個標簽，而每個標簽都由一組不同的關系表示；因此，我們需要在單個向量中捕獲這些關系。

協變量編碼（作者本人提供圖片）

此外，我們需要解決上述可擴展性問題，我們將通過使用PCA模塊來實現（當我們使用共現矩陣時，我們可以跳過PCA，因為不需要壓縮我們的向量）。

當標簽的數量變得太大時，我們需要放棄計算共現矩陣的可能性，因為它以平方速率縮放。因此，我們可以使用預訓練的神經網絡提取每個現有標簽的向量（PCA模塊的第一步）。例如，all-MiniLM-L6-v2模型將每個標簽轉換為長度為384的向量。

然后，我們可以轉置獲得的矩陣，并對其進行壓縮：我們最初將使用1和0對可用標簽索引對查詢/樣本進行編碼，從而得到與初始矩陣（53300）長度相同的初始向量。此時，我們可以使用預先計算的PCA實例在大小為384的維度中壓縮相同的稀疏向量。

編碼樣本

就我們的樣本而言，該過程在PCA壓縮（激活時）后立即結束。

編碼查詢：協變量編碼

我們的查詢需要以不同的方式編碼：我們需要考慮與每個現有標簽相關的關系。這個過程是通過首先將壓縮向量與壓縮矩陣（所有現有關系的總和）相加來執行的。現在，我們已經獲得了一個矩陣（384x384），我們需要對其進行平均計算，從而獲得我們的查詢向量。

因為我們將使用歐幾里德搜索，它將首先優先搜索得分最高的特征（理想情況下，我們使用數字1激活的特征），但它也會考慮額外的次要得分情況。

加權搜索

因為我們將向量平均在一起，所以我們甚至可以對此計算應用權重，向量將受到與查詢標簽不同的影響。

3.使用向量檢索執行語義標簽搜索

你可能會問這樣的問題：為什么我們要經歷這個復雜的編碼過程，而不僅僅是將這對標簽輸入到函數f(query, sample)中并獲得一個分值？

如果你熟悉基于向量的搜索引擎，你已經知道答案了。通過成對執行計算，在只有40000個樣本的情況下，所需的計算能力是巨大的（單個查詢可能需要長達10秒）：這不是一種可擴展的做法。然而，如果我們選擇對40000個樣本進行向量檢索，搜索將在0.1秒內完成：這是一種高度可擴展的做法，在我們的應用情況下這是非常完美的辦法。

4.驗證

為了使算法有效，需要對其進行驗證。目前，我們缺乏適當的數學驗證（乍一看，對M的相似性得分進行平均已經顯示出非常有希望的結果，但需要進一步的研究來獲得有證據支持的客觀指標）。

然而，當使用比較示例并可視化比較時，現有結果的優勢是非常直觀的。以下是兩種搜索方法的最靠近頂部的搜索結果比較（你看到的是分配給此游戲的標簽）。

傳統標簽搜索與語義標簽搜索的比較

• 傳統標簽搜索

我們可以看到傳統搜索可能會（在沒有額外規則的情況下，樣本會根據所有標簽的可用性進行過濾，而不是排序）返回具有更多標簽的樣本，但其中許多標簽可能并不相關。

• 語義標簽搜索

語義標簽搜索根據所有標簽的相關性對所有樣本進行排序。簡單來說，它取消了包含不相關標簽的樣本的資格。

這個新系統的真正優勢在于，當傳統搜索無法返回足夠的樣本時，我們可以使用語義標簽搜索來選擇任意數量的樣本。

兩次搜索結果稀缺前的差異（作者本人提供圖片）

在上面的例子中，使用傳統的標簽過濾不會從Steam庫中返回任何游戲。然而，通過使用語義標簽過濾，盡管我們仍然會得到不完美的結果，但會得到與我們的查詢最匹配的結果。你看到的是與我們的搜索匹配的前5個游戲的標簽。

結論

在此之前，如果不采用復雜的方法，如聚類、深度學習或多個K近鄰算法（KNN）搜索，就不可能在考慮標簽語義關系的情況下對標簽進行過濾。

本文中給出的算法提供的靈活性應允許與傳統的手動標記方法分離，后者迫使用戶在一組預定義的標簽之間進行選擇，并開辟了使用視覺語言模型的LLM自由地將標簽分配給文本或圖像的可能性，而不局限于預先存在的結構，從而為可擴展和改進的搜索方法開辟了新的選擇方案。

最后，我懷著最美好的祝愿決定向全世界開放這個算法，我也十分希望它能得到充分的利用。

譯者介紹

朱先忠，51CTO社區編輯，51CTO專家博客、講師，濰坊一所高校計算機教師，自由編程界老兵一枚。

原文標題：Introducing Semantic Tag Filtering: Enhancing Retrieval with Tag Similarity，作者：Michelangiolo Mazzeschi