Python Vector Database: 공간 데이터 및 생성 AI에 대한 최고의 데이터베이스 및 도구

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Antonio Di Nicola

Updated on 2023. 8. 17.

벡터 데이터베이스는 공간 데이터의 관리 및 조작을 위한 강력한 도구입니다. 이들은 데이터를 저장하고 검색하기 위한 독특한 방식을 제공하여, 지리 정보 시스템 (GIS), 생성 AI, 이미지 및 비디오 검색, 자연어 처리와 같은 분야의 응용 프로그램에 이상적인 선택입니다. 이 문서에서는 벡터 데이터베이스의 세계를 탐색하고, Python에서의 사용과 Jina AI의 혁신적인 DocArray 도구에 중점을 둘 것입니다.

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벡터 데이터베이스란?

벡터 데이터베이스는 데이터를 벡터 공간 모델로 저장하는 데이터베이스 유형입니다. 이 모델은 데이터의 특징을 나타내는 다차원 공간에서 데이터를 점으로 나타냅니다. 이 공간에서 점 간의 거리는 코사인 유사도와 같은 측정 항목을 사용하여 데이터 항목 간의 유사성을 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 특성으로 벡터 데이터베이스는 이미지 또는 비디오 검색과 같은 유사한 항목을 찾는 작업이 활발한 곳에서 특히 유용합니다. 또한 문서 검색과 같은 자연어 처리 작업에도 사용됩니다.

벡터 데이터베이스의 예로는 PostGIS, GeoPackage, SQLite, GeoServer, MapServer 등이 있습니다. 이러한 데이터베이스는 종종 GIS 응용 프로그램에서 사용되어지며, 지도와 같은 공간 데이터를 저장하고 조작 할 수 있습니다. 그러나 벡터 데이터베이스는 공간 데이터에만 제한되지 않고 생성 AI를 비롯한 다양한 응용분야에도 사용될 수 있습니다.

Python에서의 벡터 데이터베이스 작동 방식은 어떻게 되나요?

Python은 강력한 데이터 조작 기능과 벡터 데이터 작업을 위한 라이브러리의 가용성으로 인해, 벡터 데이터베이스와 함께 작업하는 데에 인기있는 언어입니다. Jina AI의 DocArray와 같은 라이브러리는 Python에서 벡터 데이터베이스와 작업하기 위한 고수준 인터페이스를 제공합니다.

DocArray를 사용하면 Python에서 벡터 데이터베이스를 손쉽게 만들고, 조회하고, 조작할 수 있습니다. 이는 벡터의 추가, 삭제, 업데이트와 같은 다양한 벡터 작업을 지원하며, 유사한 벡터를 찾기 위한 데이터베이스 조회도 지원합니다. DocArray는 다른 Python 라이브러리와 원활하게 통합되므로, 기존의 Python 작업에 벡터 데이터베이스 작업을 통합하기 쉽습니다.

생성 AI에서의 벡터 데이터베이스

벡터 데이터베이스는 생성 AI에서 다양한 응용 분야를 갖고 있습니다. 생성 AI 모델 (예: 생성 적대 신경망 (GAN))은 종종 고차원 벡터 공간에서 작동하므로, 벡터 데이터베이스는 이러한 모델에서 사용되는 데이터를 저장하고 조작하기에 매우 적합합니다.

예를 들어, GAN은 고차원 벡터 공간에서 점을 이미지로 매핑하여 이미지를 생성할 수 있습니다. 벡터 데이터베이스는 이러한 점을 저장하는 데 사용될 수 있으며, GAN은 새로운 이미지를 생성하는 데 필요한 점을 빠르고 효율적으로 검색할 수 있습니다. 이는 생성 프로세스를 크게 가속화하여 GAN을 실제 응용 프로그램에서 사용하는 것을 실현 가능하게 합니다.

GAN뿐만 아니라, 벡터 데이터베이스는 다른 종류의 생성 AI 모델에서도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 벡터 데이터베이스는 언어 모델이 사용하는 임베딩을 저장하고 검색하는 데에 사용될 수 있어, 특정 입력과 유사한 텍스트를 생성하는 작업을 쉽게할 수 있습니다.

오픈 소스 벡터 데이터베이스

다양한 오픈 소스 벡터 데이터베이스가 있으며, 이를 활용하여 응용 프로그램에 벡터 데이터베이스 기능을 통합할 수 있는 다양한 옵션이 제공됩니다. 일부 인기있는 오픈 소스 벡터 데이터베이스는 Pinecone, Milvus.io, Weaviate, Vespa, Vald, GSI 등이 있습니다.

예를 들어, Pinecone은 기계 학습 응용 프로그램에 특화된 벡터 데이터베이스입니다. 대규모 벡터 검색을 지원하며 간단하고 Python스럽 API를 제공하여 Python에서 기계 학습을 하는 개발자들에게 좋은 선택지입니다.

반면에 Milvus.io는 다양한 벡터 연산을 지원하는 강력한 오픈 소스 벡터 데이터베이스입니다. 대규모 벡터 데이터의 관리와 검색에 유연하고 효율적인 솔루션을 제공합니다.

Weaviate는 확장 가능한 머신러닝 모델을 위해 구축된 오픈 소스 GraphQL 및 RESTful API 기반 실시간 벡터 검색 엔진입니다. Vespa, Vald, GSI 등도 독특한 기능과 능력을 제공하는 견고한 벡터 데이터베이스입니다.

이러한 오픈 소스 벡터 데이터베이스는 응용 프로그램에 벡터 데이터베이스 기능을 통합하려는 개발자들에게 다양한 옵션을 제공합니다. 특정 요구에 가장 적합한 데이터베이스를 선택할 수 있도록 다양한 기능과 능력을 제공합니다.

이미지 및 비디오 검색에 벡터 데이터베이스 사용하기

벡터 데이터베이스는 이미지나 비디오 검색과 같이 유사한 항목을 찾는 작업에 특히 적합합니다. 이는 데이터를 벡터 공간 모델로 저장하기 때문에, 항목 간의 거리를 사용하여 데이터 간의 유사성을 측정할 수 있기 때문입니다. 다음은 이미지 검색 애플리케이션에 대한 예입니다. 이 애플리케이션은 데이터베이스의 각 이미지의 특징을 나타내는 벡터를 저장하기 위해 벡터 데이터베이스를 사용할 수 있습니다. 사용자가 이미지를 검색할 때, 애플리케이션은 검색 이미지를 벡터로 변환한 다음, 벡터 데이터베이스를 쿼리하여 가장 유사한 벡터를 가진 이미지를 찾을 수 있습니다.

이 접근 방식은 데이터베이스의 모든 이미지와 검색 이미지를 비교하는 기존의 이미지 검색 방법보다 효율적일 수 있습니다. 벡터 데이터베이스를 사용하면, 애플리케이션은 검색을 일치하는 이미지의 소수 개로 빠르게 제한할 수 있어 검색 과정을 크게 가속할 수 있습니다.

자연어 처리에 벡터 데이터베이스 사용의 장점

벡터 데이터베이스는 자연어 처리(NLP)에 또 다른 분야에서 빛을 발합니다. NLP에서 텍스트 데이터는 주로 단어 임베딩이나 트랜스포머 기반 모델과 같은 기술을 사용하여 고차원 벡터로 표현됩니다. 이러한 벡터는 텍스트의 의미를 포착하며, 벡터간의 거리는 해당 텍스트 조각 간의 의미적 유사성을 나타냅니다.

벡터 데이터베이스는 이러한 텍스트 벡터를 저장하고 효율적인 유사성 검색 기능을 제공할 수 있습니다. 이는 문서 검색과 같은 응용 프로그램에서 유사한 쿼리 문서를 찾는 것과 같은 경우에 특히 유용합니다.

예를 들어, 문서 검색 시스템에서는 트랜스포머 기반 모델을 사용하여 문서를 벡터로 표현할 수 있습니다. 시스템은 이러한 문서 벡터를 저장하기 위해 벡터 데이터베이스를 사용할 수 있습니다. 사용자가 쿼리를 제출하면, 시스템은 쿼리를 벡터로 변환한 다음, 벡터 데이터베이스를 사용하여 가장 유사한 문서 벡터를 찾을 수 있습니다.

Python을 사용하여 이를 수행하는 간단한 예시를 소개합니다. 이 예시에서는 DocArray 라이브러리를 사용하여 Python에서 벡터 데이터베이스를 사용하는 방법을 보여줍니다:

from jina import Document, DocumentArray
 
# DocumentArray (벡터 데이터베이스) 생성
docs = DocumentArray()
 
# DocumentArray에 문서 추가
for text in texts:
    doc = Document(text=text)
    docs.append(doc)
 
# DocumentArray 쿼리
query = Document(text="예시 쿼리")
results = docs.query(query, top_k=10)

이 예시에서 texts는 데이터베이스에 추가할 텍스트의 목록이며, "예시 쿼리"는 쿼리할 텍스트입니다. query 메서드는 쿼리에 가장 유사한 상위 10개 문서를 반환합니다.

다른 벡터 데이터베이스의 성능 비교

벡터 데이터베이스를 선택할 때는 성능을 고려하는 것이 중요합니다. 벡터 데이터베이스마다 데이터베이스의 크기, 벡터의 차원, 수행해야 할 특정 작업과 같은 요소에 따라 매우 다른 성능 특성을 가질 수 있습니다.

예를 들어, 일부 벡터 데이터베이스는 고차원 벡터와 대용량 데이터베이스에 최적화되어 있을 수 있고, 다른 것들은 저차원 벡터나 작은 데이터베이스에 더 적합한 경우도 있습니다. 일부 데이터베이스는 더 빠른 쿼리 시간을 제공할 수 있고, 다른 것들은 쓰기 성능을 우선시할 수도 있습니다.

DocArray와 Milvus.io의 쿼리 성능을 비교하는 간단한 벤치마크를 소개합니다:

import time
from jina import Document, DocumentArray
from milvus import Milvus, DataType
 
# DocumentArray와 Milvus 클라이언트 생성
docs = DocumentArray()
milvus = Milvus()
 
# 두 데이터베이스에 문서 추가
for text in texts:
    doc = Document(text=text)
    docs.append(doc)
    milvus.insert([doc.embedding])
 
# 두 데이터베이스 쿼리 및 소요 시간 측정
query = Document(text="예시 쿼리")
 
start = time.time()
docs_results = docs.query(query, top_k=10)
end = time.time()
docs_time = end - start
 
start = time.time()
milvus_results = milvus.search([query.embedding], top_k=10)
end = time.time()
milvus_time = end - start
 
print(f"DocArray 쿼리 시간: {docs_time}")
print(f"Milvus 쿼리 시간: {milvus_time}")

이 예시에서 texts는 데이터베이스에 추가할 텍스트의 목록이며, "예시 쿼리"는 쿼리할 텍스트입니다. 이 스크립트는 두 데이터베이스에서 쿼리를 수행하는 데 걸리는 시간을 측정하므로 성능을 비교하는 간단한 방법을 제공합니다.

자주 묻는 질문

벡터 데이터베이스란 무엇인가요?

벡터 데이터베이스는 데이터를 벡터 공간 모델로 저장하는 데이터베이스의 일종입니다. 이 모델은 데이터의 특징에 해당하는 차원을 가진 다차원 공간에서 데이터를 점으로 표현합니다. 이 공간에서 점들 사이의 거리는 코사인 유사성과 같은 메트릭을 사용하여 데이터 항목 간의 유사성을 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 이유로 벡터 데이터베이스는 이미지나 비디오 검색, 문서 검색과 같은 유사한 항목을 찾는 작업에 특히 유용합니다.

파이썬에서 벡터 데이터베이스는 어떻게 작동하나요?

데이터 조작 능력과 벡터 데이터 처리를 위한 라이브러리의 가용성 등으로 인해 파이썬은 벡터 데이터베이스 작업에 많이 사용되는 언어입니다. Jina AI의 DocArray와 같은 라이브러리는 파이썬에서 벡터 데이터베이스 작업을 쉽게 수행할 수 있는 고수준 인터페이스를 제공합니다. DocArray를 사용하면 파이썬에서 벡터 데이터베이스를 생성, 쿼리, 조작할 수 있습니다.

자연어 처리에 벡터 데이터베이스를 사용하는 장점은 무엇인가요?

자연어 처리(NLP)에서 텍스트 데이터는 주로 단어 임베딩이나 트랜스포머 기반 모델과 같은 기술을 사용하여 고차원 벡터로 표현됩니다. 이러한 벡터는 텍스트의 의미를 포착하며, 벡터 간의 거리는 해당 텍스트 조각 간의 의미적 유사성을 나타냅니다. 벡터 데이터베이스는 이러한 텍스트 벡터를 저장하고 효율적인 유사성 검색 기능을 제공할 수 있으며, 이는 문서 검색과 같은 응용 프로그램에서 특히 유용합니다.