.NET 原生驾驭 AI 新基建实战系列（三）：Chroma ── 轻松构建智能应用的向量数据库

在人工智能AI和机器学习ML迅猛发展的今天，数据的存储和检索需求发生了巨大变化。传统的数据库擅长处理结构化数据，但在面对高维向量数据时往往力不从心。向量数据库作为一种新兴技术，专为AI应用设计，能够高效地存储和查询高维向量数据，成为现代智能应用的核心组件之一。

本文将详细介绍Chroma这一开源向量数据库，探讨其在.NET生态系统中的应用，包括安装步骤、代码示例以及实际应用场景，帮助.NET开发者充分利用这一工具构建智能应用。

一、Chroma简介

Chroma是一个开源的、AI原生的向量数据库，旨在为开发者提供简单、高效的方式来管理和查询高维向量数据。它特别适用于需要嵌入embeddings、向量搜索和多模态数据处理的AI应用场景。Chroma的设计目标是降低开发复杂性，同时保证高性能和灵活性，使其成为构建智能应用的理想选择。

1.1 Chroma 的特点

Chroma具备以下几个显著特点，使其在向量数据库领域脱颖而出：

开源和AI原生 ：Chroma是完全开源的，遵循Apache 2.0许可，开发者可以自由使用、修改和分发。它专为AI应用设计，与现代机器学习工作流无缝衔接。
功能丰富：支持向量搜索、文档存储、全文搜索、元数据过滤和多模态检索等多种功能，满足多样化的应用需求。
易于使用 ：提供简洁的RESTFul API接口，开发者无需深入了解底层实现即可快速上手。
高性能：针对高维向量数据的存储和检索进行了优化，支持大规模数据集的快速查询。
与.NET集成 ：通过官方提供的C#客户端SDK，Chroma可以轻松集成到.NET应用中，为.NET开发者提供了强大的支持。
持久化 Chroma支持将数据持久化到磁盘，以便在重启后保留数据。用户可以选择将数据存储在内存中或持久化到磁盘。
可扩展性 Chroma设计为可扩展的系统，可以处理大规模的嵌入向量和文档集合。用户可以根据需要扩展Chroma的容量和性能。

1.2 Chroma 的核心概念

Chroma的核心概念主要围绕着高效存储、查询和管理嵌入向量（embeddings）以及相关数据。以下是Chroma的关键概念：

租户（Tenant）： Tenant 是一个逻辑分组，通常代表一个组织、用户或客户，用于组织一组数据库。
数据库（Database）： Database 是一个逻辑分组，通常代表一个应用程序或项目，用于组织一组 Collection（集合）。
集合（Collection）：集合是Chroma中存储嵌入向量、文档、ID和元数据的基本单元。每个集合通常代表一个特定的数据集或应用场景，类似于数据库中的"表"。

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Database 与 Collection 的关系：

Collection（集合） 是 ChromaDB 中存储实际数据的基本单元，比如嵌入向量、文> 档、ID 和元数据。Collection 隶属于某个 Database，而 Database 又隶属于某个 Ten> ant，形成了一个层次化的数据组织结构。

嵌入向量（Embeddings）：嵌入向量是文本、图像或其他数据的向量表示，用于捕捉其语义或特征。Chroma允许用户将这些嵌入向量与相应的文档和元数据一起存储。
文档（Documents）：文档是与嵌入向量相关联的原始数据，例如文本、图像或其他内容。文档可以与嵌入向量一起存储，以便在查询时提供上下文。
ID：每个嵌入向量、文档和元数据都与一个唯一的ID相关联，用于标识和检索特定的条目。
元数据（Metadata）：元数据是与嵌入向量和文档相关的额外信息，例如作者、日期、类别等。元数据可以用于过滤和查询数据。
嵌入函数（Embedding Functions）： Chroma支持使用嵌入函数来自动生成嵌入向量。用户可以指定嵌入函数，以便在添加文档时自动生成嵌入向量。

这些核心概念共同构成了Chroma的功能和特性，使其成为一个高效的嵌入向量存储与查询工具。

1.3 Chroma 的工作原理

Chroma的核心功能基于高效的向量索引和搜索技术。它使用诸如HNSW（Hierarchical Navigable Small World）等先进的索引结构来存储高维向量数据，并支持多种距离度量（如欧几里得距离、余弦相似度）来计算向量之间的相似性。开发者可以将文本、图像或其他数据转换为嵌入向量，存储在Chroma中，并通过相似性搜索快速检索相关内容。这种设计特别适合语义搜索、推荐系统等需要理解数据深层含义的场景。

1.4 Chroma Embeddings算法简介

Chroma Embeddings算法是一种用于生成文本嵌入向量（text embeddings）的方法，主要在ChromaDB中应用。ChromaDB是一个专门设计用于存储和查询嵌入向量的数据库，支持多种嵌入模型，其中就包括Chroma Embeddings算法。

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这种算法的核心目标是将文本转化为高维向量表示，从而捕捉文本的语义信息，并支持诸如相似性搜索、文本分类和聚类等自然语言处理任务。

算法原理

Chroma Embeddings算法通常基于Transformer模型 ，尤其是类似于**BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）**或其变体的预训练语言模型。BERT通过在大量文本数据上进行无监督学习，能够理解文本的上下文和深层语义。Chroma Embeddings算法利用这一特性，将输入文本转化为固定长度的嵌入向量。这些向量保留了文本的语义信息，使得相似的文本在向量空间中距离较近，而语义不同的文本则距离较远。

其工作流程大致如下：

文本输入：接收用户提供的文本数据。
嵌入生成：通过预训练的Transformer模型，将文本转换为嵌入向量。
存储与查询：在ChromaDB中存储这些向量，并支持基于向量的查询操作。

应用

生成嵌入向量：将文本数据转化为向量表示。
存储嵌入：将生成的向量高效存储在数据库中。
相似性搜索：通过比较向量之间的距离，找到与查询文本最相似的已有文本。

例如，用户可以输入一段查询文本，Chroma Embeddings算法会将其转化为嵌入向量，然后ChromaDB会返回数据库中最相似的文本结果。这种功能在信息检索、推荐系统等领域尤为实用。

优势

Chroma Embeddings算法具有以下优点：

语义捕捉能力强：基于Transformer模型，能够理解文本的深层含义，而不仅仅是表面词汇。
灵活性：ChromaDB支持多种嵌入模型，用户可以根据任务需求选择合适的模型。
高效性：生成的嵌入向量支持快速查询和相似性计算，适用于大规模数据场景。

实现细节

尽管具体实现可能因ChromaDB的版本和配置而有所不同，但Chroma Embeddings算法通常依赖于：

预训练模型：如BERT或其变体，这些模型已在大型语料库上训练完成。
微调（可选）：根据特定任务对模型进行调整，以提升性能。

用户在使用时无需深入了解模型内部细节，只需通过ChromaDB的接口调用算法即可生成和查询嵌入向量。

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Chroma Embeddings算法是一种基于Transformer模型的文本嵌入生成方法，广泛应用于ChromaDB中。它通过将文本转化为嵌入向量，捕捉深层语义信息，支持高效的存储和查询操作。这种算法在相似性搜索、文本分类等任务中表现出色，是自然语言处理领域的重要工具。

二、配置 Chroma 开发环境

目前在.NET中，想要完整的使用，还是比较困难的，最大的困难在于生成嵌入向量，虽然现在有很多的SDK，但这些这是对Chroma API的封装而已，还远没有达到可以实际应用的地步。

不过，好消息是，.NET官方正在Semantic Kernel中加入对Chroma的完整支持，目前尚不成熟，在这里，我简单的演示一下，大家也不用太深入的看代码，因为现在的代码都处于开发中，很多接口都会变化，而且已经实现的代码也有很多问题，我花了一下午的时间，才把这些问题清除掉，并运行起来。

2.1 安装 Chroma 服务

Chroma的客户端需要连接到一个运行中的Chroma服务器。开发者可以通过以下方式启动 Chroma服务：

使用 Docker ：在本地运行以下命令以启动Chroma服务：

docker run -v ./chroma-data:/data -p 8000:8000 ghcr.io/chroma-core/chroma:0.6.4.dev379

使用 Python ：如果你更倾向于直接运行Chroma，可以通过Python安装并启动：

pip install chromadb
chromadb run --host localhost --port 8000

完成上述步骤后，Chroma服务将在本地运行，.NET客户端即可通过配置的URI进行连接。

Chroma 接口文档查看

接口地址：http://localhost:8000/docs

2.2 安装Ollama并配置相关模型

安装all-minilm用于对话功能

安装mxbai-embed-large用于生成嵌入向量

三、在.NET 中操作 Chroma

为了帮助开发者更好地理解Chroma在.NET中的使用方式，以下提供几个实用的代码示例，展示如何创建集合、添加文档、执行查询。

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以下代码是使用官方代码库演示，而由于官方代码库尚未稳定，所以只是让大家先看看效果，但是暂时不需要对代码实现有太多的关注，建议把精力多放在 Chroma 的相关知识的学习中，静等微软发布正式版代码库。

3.1 连接与创建集合

参考代码：https://github.com/microsoft/semantic-kernel/blob/main/dotnet/samples/Concepts/Memory/TextMemoryPlugin_MultipleMemoryStore.cs

在Chroma中，集合Collection是存储向量数据的基本单元。以下代码演示如何创建一个名为products的集合：

复制代码

using Microsoft.SemanticKernel;
using Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Chroma;
using Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Ollama;
using Microsoft.SemanticKernel.Embeddings;
using Microsoft.SemanticKernel.Memory;
using Microsoft.SemanticKernel.Plugins.Memory;
using OllamaSharp;
#pragma warning disable SKEXP0070
#pragma warning disable SKEXP0050

#pragma warning disable SKEXP0001
#pragma warning disable SKEXP0020

const string MemoryCollectionName = "my-memory-collection";
IMemoryStore memoryStore = new ChromaMemoryStore("http://localhost:8000/api/v2/tenants/tenant_test/databases/db_test/");

await memoryStore.CreateCollectionAsync(MemoryCollectionName);

var kernel = Kernel.CreateBuilder()
            .AddOllamaChatCompletion("phi3", new Uri("http://localhost:11434"))
            .AddOllamaTextEmbeddingGeneration("mxbai-embed-large", new Uri("http://localhost:11434"))
            .Build();

// Create an embedding generator to use for semantic memory.

// The combination of the text embedding generator and the memory store makes up the 'SemanticTextMemory' object used to
// store and retrieve memories.
SemanticTextMemory textMemory = new(memoryStore, new OllamaApiClient("http://localhost:11434", "mxbai-embed-large").AsTextEmbeddingGenerationService());

3.2 组建 SemanticTextMemory 对象并添加文档信息

复制代码

SemanticTextMemory textMemory = new(memoryStore, new OllamaApiClient("http://localhost:11434", "mxbai-embed-large").AsTextEmbeddingGenerationService());

Console.WriteLine("Saving memory with key 'info1': \"My name is Andrea\"");
await textMemory.SaveInformationAsync(MemoryCollectionName, id: "info1", text: "My name is Andrea");

......

如果未提供嵌入，Chroma会使用内置的嵌入模型（如 all-MiniLM-L6-v2）自动生成向量。

3.3 执行向量查询

复制代码

IAsyncEnumerable<MemoryQueryResult> answers = textMemory.SearchAsync(
    collection: MemoryCollectionName,
    query: "What's yous name?",
    limit: 2,
    minRelevanceScore: 0.4,
    withEmbeddings: true);

3.4 总的运行结果

四、Chroma 的实际应用场景

Chroma的强大功能使其在.NET应用中有着广泛的适用性。以下是几个典型的应用场景：

4.1 语义搜索

在企业文档管理系统中，传统的关键字搜索往往无法捕捉用户意图的深层含义。通过将文档转换为嵌入并存储在Chroma中，开发者可以实现语义搜索。例如，用户输入"如何提高团队效率"，系统能够返回与团队协作、时间管理相关的文档，而不仅仅是包含关键字的文档。

4.2 推荐系统

在电子商务平台中，可以使用Chroma存储商品和用户的向量表示。例如，将商品描述和用户浏览历史转换为嵌入，存储在Chroma中，通过相似性搜索为用户推荐相关商品。这种方法比传统基于规则的推荐系统更灵活、更智能。

4.3 多模态检索

在多媒体应用中，Chroma的多模态检索功能尤为强大。例如，可以将图像和文本描述的嵌入存储在同一个集合中，用户上传一张图片后，系统能够返回与之内容相似的图像和相关描述。

4.4 问答系统

在客户支持应用中，可以使用Chroma存储常见问题及其答案的向量表示。用户输入问题后，系统通过向量搜索返回最匹配的答案，提升响应速度和准确性。

五、Chroma 与.NET生态系统的集成

Chroma不仅可以通过C#客户端直接使用，还能与.NET生态系统中的其他组件深度集成，进一步提升开发效率：

Semantic Kernel ：这是Microsoft推出的一款AI开发框架，支持与Chroma集成。开发者可以通过Semantic Kernel将Chroma作为向量存储，用于实现复杂的AI工作流。
Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Chroma ：通过此扩展，Chroma可以与.NET的依赖注入机制无缝协作，提供标准化的向量数据访问接口，简化应用程序架构。
Microsoft.Extensions.VectorData：库的主要作用是为 .NET 应用程序提供与向量存储交互的统一抽象层。向量存储用于存储和管理高维嵌入向量，广泛应用于语义搜索和生成式 AI 等场景。

这些集成使得Chroma能够融入现有的.NET项目，与其他工具协同工作，加速智能应用的开发。

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目前这些工作正在进行中，请大家静等.NET正式版的发布。

六、性能优化技巧

为了在.NET应用中充分发挥Chroma的性能，开发者可以采用以下优化策略：

索引调优 ：调整 HNSW 索引的参数，例如efConstruction（构建时的搜索深度）和 M（邻居数量），在搜索速度和精度之间找到平衡。
数据分片：对于超大规模数据集，可以将数据分散到多个集合或实例中，通过并行查询提高吞吐量。
缓存策略 ：对于频繁查询的热点数据，可以在.NET应用层添加缓存，减少对Chroma的直接访问。

七、Chroma 的未来发展展望

随着AI技术的不断进步，向量数据库在软件开发中的重要性日益凸显。作为一款开源项目，Chroma在未来有很大的发展潜力，尤其是在.NET生态系统中：

功能扩展：支持更多类型的索引和距离度量，满足不同场景的需求。
性能提升：优化底层算法，进一步提高大规模数据集的处理能力。
云服务支持 ：推出官方托管版本，降低部署和维护的门槛，为.NET开发者提供更便捷的接入方式。
与.NET深度融合 ：提供更多针对.NET平台的专用工具和文档，提升开发效率。

八、总结

Chroma作为一个开源、易用且功能强大的向量数据库，为.NET开发者提供了一款构建智能应用的利器。通过简单的安装步骤和直观的API，开发者可以将Chroma集成到.NET项目中，实现高效的向量数据管理。无论是语义搜索、推荐系统还是多模态检索，Chroma都能为应用注入智能化能力。随着技术的不断演进，Chroma在.NET生态系统中的应用前景将更加广阔，为开发者开启更多创新可能。