只需将感知推理能力拆分，2B大模型就能戰勝20B！國產新框架高效處理視覺任務

今天小編分享的科學經驗：只需将感知推理能力拆分，2B大模型就能戰勝20B！國產新框架高效處理視覺任務，歡迎閱讀。

只要把推理和感知能力拆分，2B 大模型就能戰勝 20B？！

上海 AI Lab 聯合南京大學、香港中文大學等機構，共同推出了一套兩階段框架——Prism。

這一框架不僅顯式地解耦了視覺語言模型（VLM）的感知和推理，還提供了一種更高效的處理視覺語言任務的方案。

最終讓 2B VLM 和 ChatGPT 的組合表現出相當于 10 倍參數量 VLM 的性能。

Prism 框架架構及功能

在解決復雜的視覺語言任務時，模型的感知和推理能力至關重要。當模型在基準測試中表現不佳時，我們如何區分問題源自感知能力還是推理能力？

針對這一問題，Prism 框架将視覺語言任務處理拆分為兩個獨立階段：

感知階段： VLM 作為感知模塊遵循指令提取輸入圖片的視覺信息，并以文本形式輸出

推理階段： LLM 作為推理模塊根據提取得到的文本信息，結合輸入文本生成回復

框架架構如下圖所示：

Prism 框架中用于引導 VLM 生成圖片描述的指令可以是問題相關的，也可以是問題無關的。

VLM 在框架中只用于視覺感知，而推理任務則由 LLM 解決。通過固定框架中的 LLM，可以測試不同 VLM 的感知能力；相對應地，通過固定 VLM 并使用不同 LLM，可以觀察 VLM 的性能是否被推理能力限制。

除此以外，通過選定 VLM 和 LLM，Prism 具有解決視覺語言任務的能力。

利用 Prism，團隊對現有 VLMs 的感知和推理能力進行了解耦分析，揭示了若幹有趣的發現。從這些發現中汲取靈感，團隊在 Prism 框架内整合了專注于感知的輕量級 VLM 和一個專注于推理的強大 LLM。

定量結果表明，這種組合在各種視覺語言任務中表現出卓越的性能和效率。

視覺語言模型感知推理解耦分析

固定 Prism 中的 LLM 為 ChatGPT-3.5 可以進行不同 VLM 感知性能的對比。考慮到對視覺輸入依賴、數據洩露以及復雜性等問題的考慮，團隊選擇 MMStar 作為實驗的基準。

實驗使用了兩類不同的指令。一是問題無關的通用指令，提前設定并固定；二是問題相關指令，其由問題需要關注的内容與通用指令拼接得到。問題需要關注的内容由推理模塊 LLM 根據輸入問題通過 few shot 輸出。評估過程中最大輸出長度設定為 512，并采用貪心解碼策略。

不同 VLM 在兩類指令上 overall 的性能表現為：

在兩類指令中，GPT-4o 表現出了最強的感知能力。

在開源模型領網域，InternVL-Chat-v1.5 表現最佳。在問題相關指令的結果中，InternVL-Chat-v1.5 不僅在開源模型中表現最好，還微弱領先于 GPT-4v。

細粒度分析

閉源商用模型與開源模型的感知能力比較

GPT-4o 作為閉源商用模型，在感知能力方面明顯超過其他模型，并且可以熟練地處理各種感知任務。一些開源模型，例如 InternVL-Chat-v1.5 和 LLaVA-NeXT （Yi-34B），已經取得了顯著的性能，接近 GPT-4v 和 GeminiPro-V 等閉源 VLM 的能力。其他開源模型由于感知能力有限，通常表現稍差。值得注意的是，MiniCPM-V-2 作為一款具有約 3B 參數的輕量級 VLM，相比某些 7B VLM 表現出更好的感知性能。

感知能力的表現與端到端的性能表現的差異

除了以端到端的方式解決視覺問題外，Prism 還提供了一個替代管道，其中 VLM 僅用于感知。這兩種方法之間的區别在于推理過程：前者在 VLM 内部進行推理，而後者基于使用外部 LLM ( ChatGPT ) 進行推理。這兩種方法在 MMStar 上的比較如下圖所示：

對于最先進的大規模 VLM，如 GPT-4o 和 InternVL-Chat-v1.5，它們具有出色的推理能力，使用外部 ChatGPT 進行推理可能會降低整體性能。相反，對于大多數小規模的 VLM，使用 ChatGPT 進行推理可以顯著提高它們的性能，特别是在推理相關的 VQA 中，如下圖所示。這一現象表明，小規模 VLM 的整體性能可能會受到語言模型的大小的嚴重限制。

ChatGPT 的推理能力是否限制了最先進的 VLM 呢？答案為是的。

将 GPT-4o 分别用作感知和推理模塊進行解耦得到總體準确率為 61%，與端到端 GPT-4o 性能 61.6% 幾乎相同。

語言模型對感知能力的影響

評估過程中觀察到當使用更大的語言模型時，LLaVA-v1.5 系列沒有顯示出顯著的改進。這表明當使用相對低分辨率的視覺主幹時，感知性能可能與語言模型的大小無關。

同時，LLaVA-NeXT 系列的定量結果表明，擴大語言模型會略微增強模型感知，特别是在使用問題相關指令時。其主要原因為：更精細的表達以及更适應于指令，如下圖例子所示：

消融實驗

團隊針對 Prism 中的通用指令，推理模塊 LLM 以及 VLM 視覺編碼器對感知能力的影響做了消融實驗，結果如下：

通用指令：對人工手寫、GPT 生成、思維鏈以及任務分解等不同類型指令的實驗結果表明，即使差距并不明顯，評估分析中所采用的指令是其中最有效的。

推理模塊：比較不同的 LLM 推理模塊的結果顯示，ChatGPT 在推理性能上表現良好，而 GPT4 則進一步提高了性能。開源模型 Llama3-70B-Instruct 表現出與 GPT4 相當的能力，表明開源模型在視覺信息推理中的潛力。

視覺編碼器：關于 VLM 中視覺編碼器對感知性能影響的實驗表明，SigLip-SO400M 相比于 CLIP ViT-L/14 和 InternViT-6B 在實驗基準上表現更好。

專注感知的輕量級視覺語言模型

團隊從分析的結果中得到啟發，使用 ALLaVA 數據訓練了專注感知的輕量級VLM--PrismCaptioners ，并在 Prism 框架中與強大的 LLM 進行整合。

數據與架構

數據集

PrismCaptioners 使用 ALLaVA 中的 ALLaVA-Caption-4V 和 Evol-Intruct-GPT4-Turbo-143K 作為指令調優數據。與 QA 格式的指令調優數據相比，利用描述性數據進行指令調優可以更好地訓練 VLM 提取和表達視覺信息的能力。

模型架構

使用 SigLip-SO400M 作為視覺編碼器，InternLM2- [ 1.8B/7B ] 作為語言編碼器，訓練了兩個不同尺度的視覺 captioner，稱為 PrismCaptioner- [ 2B/7B ] 。

模型性能

團隊在 MMStar, MMMU, MathVista，AI2D 以及後三者的子集上進行了實驗。子集選取的策略類似于 MMStar。将 PrismCaptioner 作為 Prism 感知模塊并接入 ChatGPT 或 Llama3 的性能表現如下表所示。公平起見，模型均使用單個影像作為輸入，并将最大輸出長度限制為 512。

通過 Prism 整合 VLM 與 LLM 的方式相比于基于 LLaVA 數據訓練的端到端 baseline 有顯著的性能提高。同時，PrismCaptioner 相比于另一開源 caption 生成模型 ShareCaptioner 也有更好的效果。

對于 7B 版本，Llama3 的接入帶來大幅性能提升，使組合 PrismCaptioner-7B 的方案成為極具競争力的視覺語言模型，特别是在 MMStar 和 MMMU 上。對于 2B 版本，接入 Prism 後，它實現了與其十倍以上大小 VLM 相當的性能水平。這表明 Prism 能夠提供一個強大而高效的解決方案，例如帶有 ChatGPT 的 PrismCaptioner-2B，并展現了令人印象深刻的結果。