75页哈工大多模态推理大模型最新综述:感知、推理、思考与规划

推理是智能的核心,它塑造了决策、得出结论以及在不同领域进行泛化的能力,大语言多模态推理模型(LMRMs)作为一种有前景的范式应运而生,提出了一个全面且结构化的多模态推理研究综述,围绕一个四阶段的发展路线图展开:
  • 感知驱动的模块化推理
  • 以语言为中心的短推理
  • 以语言为中心的长推理
  • 迈向原生多模态推理模型
以及基于 OpenAI O3 和 O4-mini 的挑战性基准测试和实验案例的经验见解
一、感知驱动的模块化推理
早期多模态推理模型受限于有限的多模态数据、不成熟的神经架构和不发达的学习方法,采用模块化设计,将推理过程分解为表示、对齐、融合和推理等独立组件。
关键方法:
  • Modular Reasoning Networks:如NMN(Neural Module Networks)动态组装任务特定模块,用于视觉和文本特征的组合;HieCoAtt(Hierarchical Co-Attention)通过层次化跨模态注意力对齐问题语义与图像区域。
  • Vision-Language Models-based Modular Reasoning:基于ViLBERT、LXMERT等模型,通过大规模图像-文本对训练,统一多模态表示、对齐和融合过程。
局限性:这些模型的推理能力通常隐含在基础感知处理和神经计算中,难以处理复杂的多步推理场景。
二、以语言为中心的短推理
随着大规模多模态预训练模型的出现,多模态推理能力显著提升,但这些模型的推理能力主要依赖于表面模式匹配,缺乏动态假设生成和多步逻辑推理能力。
关键方法:
  • Prompt-based MCoT(Multimodal Chain-of-Thought):通过精心设计的提示引导模型生成逐步推理路径,如IPVR(Instruction-based Visual Reasoning)和VIC(Visual Infilling and Captioning)。
  • Structural Reasoning:通过引入结构化分解推理路径,如Multimodal-CoT(MCoT)和G-CoT(Graph-based CoT),提高模型的推理能力。
  • Externally Augmented Reasoning:通过引入外部工具(如搜索算法、工具增强)来扩展模型的推理能力,如HoT(Hyperedge of Thought)和RAG(Retrieval-Augmented Generation)。
局限性:这些方法主要依赖于语言模型的内在能力,缺乏对复杂多模态数据的处理能力,且推理深度有限。
三、以语言为中心的长推理

为了处理更复杂的多模态任务,研究者开始探索更深层次的推理能力,包括跨模态推理、多模态O1(OpenAI的O1模型)和R1(Reinforcement Learning-based Reasoning)模型。

关键方法:
  • Cross-Modal Reasoning:通过引入外部工具(如VisProg)和算法(如FAST和ICoT)增强模型的跨模态推理能力。
  • Multimodal-O1:基于OpenAI的O1模型,通过扩展推理链和引入结构化推理策略,提升模型的推理能力。
  • Multimodal-R1:通过强化学习(如DPO和GRPO)增强模型的规划和适应能力,如DeepSeek-R1和R1-OneVision。
局限性:尽管这些模型在推理深度和适应性方面取得了进展,但它们仍然依赖于语言模型的架构,对多模态数据的处理能力有限,且在实时交互和动态环境中表现不足。
四、迈向原生多模态推理模型
为了克服现有模型的局限性,研究者提出了原生多模态推理模型(Native Large Multimodal Reasoning Models, N-LMRMs)的概念,旨在实现多模态感知、生成和推理的统一架构。
关键能力:
  • Multimodal Agentic Reasoning:通过目标驱动的交互和动态适应,使模型能够在复杂环境中进行长期规划和学习。
  • Omni-Modal Understanding and Generative Reasoning:通过统一表示空间实现多模态数据的无缝融合和分析,支持跨模态生成和推理。
研究方向:
  • Unified Representations and Cross-Modal Fusion:开发能够处理多种模态的统一模型架构。
  • Interleaved Multimodal Long Chain-of-Thought:扩展推理链,实现多模态间的交错推理。
  • Learning and Evolving from World Experiences:通过与环境的持续交互,实现模型的动态学习和自我改进。
  • Data Synthesis:开发高质量的数据合成方法,支持模型的预训练和推理能力提升。
https://arxiv.org/pdf/2505.04921Perception, Reason, Think, and Plan:A Survey on Large Multimodal Reasoning Models

(文:PaperAgent)

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