多模态对齐如何做？国防科大等最新《如何弥合模态间的差距：多模态大型语言模型》综述四大类型多模态对齐方法...

来源：专知

这篇综述论文探讨了多模态大型语言模型（MLLMs），它们集成了像GPT-4这样的大型语言模型（LLMs），以处理多模态数据，如文本和视觉。MLLMs展示了如生成图像叙事和回答基于图像的问题等能力，为实现现实世界中的人机交互架起了桥梁，并暗示了通往人工通用智能的潜在路径。然而，MLLMs在处理多模态的语义差距时仍面临挑战，这可能导致错误的生成，对社会构成潜在风险。选择合适的模态对齐方法至关重要，因为不当的方法可能需要更多的参数，而性能提升有限。本文旨在探索LLMs的模态对齐方法及其现有能力。实施模态对齐使LLMs能够解决环境问题并增强可访问性。本研究将MLLMs中现有的模态对齐方法分为四组：（1）多模态转换器，将数据转换成LLMs能理解的形式；（2）多模态感知器，提高LLMs感知不同类型数据的能力；（3）工具辅助，将数据转换成一种通用格式，通常是文本；以及（4）数据驱动方法，教授LLMs理解数据集中特定类型的数据。这一领域仍处于探索和实验阶段，我们将组织并更新多模态信息对齐的各种现有研究方法。

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大型语言模型（LLM）通常在大量数据上进行预训练，并包含大量参数。这些模型不仅在各种任务上表现出显著提升的性能，还展示了较小模型所缺乏的新兴能力。LLMs[1]由于其理解、推理及生成人类语言的卓越能力，在人工智能领域内获得了极大关注。为了提升LLM回应的丰富性和说服力，最近的研究[2, 3, 4]探讨了将LLM转化为遵循指令的模型。例如，斯坦福Alpaca[2]通过利用OpenAI的InstructGPT模型[6]生成的指令示例，对Llama[5]进行微调，使其成为一个遵循指令的模型。与Alpaca和Vicuna[2]采用的完全微调方法不同，Llama-Adapter[7]在冻结的Llama中引入了零初始化注意力的轻量级适配器，实现了参数高效的微调并注入了多模态知识。尽管取得了重大进步，但上述方法在处理更高级的多模态信息时仍面临挑战，例如GPT-4[8]中所涉及的视觉理解任务。实际上，我们对世界的感知是通过视觉、声音、触觉和味觉等多样化感官丰富的。这些感官经常相互作用，视觉使用文本，文本使用视觉来增强理解。随着社交媒体的发展，人们表达观点的方式经常涉及多种模态。这就要求LLMs能够理解多模态数据，这就是所谓的多模态大型语言模型（MLLM）。它们利用大型语言模型（LLM）的强大能力作为核心组件，来处理多种多模态任务。MLLM的显著新兴能力，如从图像生成叙事和无需OCR进行数学推理，是传统方法中罕见的。这表明了实现人工通用智能的潜在路径。

随着多模态模型的迅速发展，它们更适合具有多模态信息交互的真实世界场景，扩大了大型多模态模型的应用前景，并产生了更迫切的研究需求。然而，当MLLM在处理多模态间的语义差距时表现不佳，可能会导致错误的生成，包括错觉，对社会构成潜在风险甚至可能造成伤害。不当的模态对齐方法可能需要更多参数，但性能提升有限，导致高昂的计算和使用成本。因此，选择合适的模态对齐方法很重要。本综述旨在探索为LLM设计的模态对齐方法及其在该领域内的现有能力。实施模态对齐使LLM能够解决环境问题，提高可访问性，并在部署中促进包容性。然而，将大型模型的能力转移到多模态场景的方法尚不明确。尽管Yin等人[10]专注于将多模态信息融入到LLM的微调技术中，如指令学习或思维链，但在调查数据中不同模态间的差异方面缺乏关注。另一方面，已有许多努力将LLM与人类行为和价值观进行对齐。然而，“与什么对齐”的根本问题仍然没有得到充分解决。因此，[11]和Shen等人[12]提出了一项关于LLM对齐目标的综述。不过，这些努力更倾向于对齐技术，确保这些模型展示与人类价值观一致的行为。由于LLM和MLLM都处于发展的初期阶段，现有的多模态对齐方法呈现出广泛的差异，研究方向目前处于探索和实验阶段。因此，需要组织关于多模态信息对齐的各种现有研究方法。在MLLM时代仍处于萌芽阶段，我们旨在不断更新本综述，以激发更多研究兴趣。

从互补性角度来看，单模态LLM和视觉模型同时相互迈进，最终催生了MLLM这一新领域。本质上，MLLM指的是具备接收和推理多模态信息能力的基于LLM的模型。总之，探索单模态LLM如何适应多模态数据，以及如何有效地将视觉模型与单模态LLM集成，具有重要价值。具体来说，我们将MLLM分为四种结构类型，每种类型从不同角度解决模态间的差异。(1)多模态转换器。转换器促进将多模态信息转化为LLM能理解或学习的对象，利用LLM的能力学习这些转换后的对象。(2)多模态感知器。这些方法专注于设计与LLM接口的多模态感知器，主要是为了增强对多模态信息的感知能力。(3)工具辅助。鼓励使用工具将不同模态转换为统一的模态，主要是文本，最终完成多模态任务。(4)数据驱动。数据驱动方法旨在通过让LLM在特定数据集上学习，赋予它与特定数据集相关的能力。例如，在点云数据集上学习使模型能够理解点云。

我们的主要贡献如下。 

• 我们强调了在多模态大型语言模型中弥合模态差距的方法的重要性，并提供了第一个关于多模态信息对齐的综合性综述。 

• 我们涵盖了弥合模态差距的四种方法：多模态转换器、多模态感知器、工具辅助和数据驱动方法，并为每种方法提供定义，并追踪它们的发展路径。 

• 通过阐明MLLM中多模态信息对齐的不同方法，我们讨论了主要挑战和可能的未来研究方向。

概述

我们根据处理多模态特征的方法将这些方法分为四组。因此，本文将最近的代表性MLLM分为四类：(1)将LLM作为多模态特征的直接处理器；(2)利用多模态感知器的MLLM来处理多模态特征；(3)将LLM作为处理多模态特征的工具；(4)在特定格式的数据上学习，赋予LLM适应额外模态的能力。请注意，这四种技术相对独立，可以组合使用。因此，我们对一个概念的阐述也可能涉及其他概念。

我们根据这四个主要类别组织了综述，并依次介绍它们。我们首先详细介绍将LLM作为多模态特征的直接处理器的MLLM，以揭示当LLM作为直接处理器时如何适应多模态性。接着，我们介绍利用多模态感知器处理多模态特征的MLLM，主要关注如何创新多模态感知机制，使LLM能够理解多模态信息。另一项重要技术是辅助LLM，这通常涉及四种辅助技术。最后，我们以总结和潜在的研究方向结束我们的综述。

多模态转换器 

鉴于语言模型（LLM）的显著能力，处理多模态任务最直接的方法是将多模态特征直接输入到LLM中，让它学习和理解这些多模态特征。然而，由于LLM主要在通用文本上进行训练和学习，因此在处理多模态特征时存在不可避免的语义差距。直接注入这些特征可能导致严重的幻觉和偏离事实的答案生成。因此，当代研究人员通常努力将多模态特征，如图像特征，映射到与语言相一致的特征空间中，旨在提高多模态语言模型（MLLM）的性能。

多模态感知器 

类似于完全依赖纯文本LLM进行语言理解，利用多模态感知器的LLM旨在通过引入特殊的多模态感知模块来最小化图像和文本之间的语义差距。感知模型是一个多模态感知器，它通过将多模态特征转换为与LLM的嵌入表示空间一致的多模态标记，从而弥合文本模态与其他模态之间的差距。这一过程在图3中进行了抽象表示。

也可以考虑更复杂（但成本更高）的方案来连接图像和语言表示，例如Flamingo[41]中的门控交叉注意力和BLIP-2[34]中的Q-former，或者其他提供对象级特征的视觉编码器，如SAM[68]。[13]

工具辅助 

基于人类善于使用工具解决各种问题的深厚能力，许多当代研究努力旨在赋予LLM使用各种工具的能力[49, 50, 52, 54, 55, 61, 80]，例如基础模型和API。在MLLM领域中，鼓励LLM利用工具将不同模态转换为统一的模态，主要是文本，以最终完成多模态任务。原生LLM本质上只装备了处理文本输入的能力。因此，研究人员寻求通过构建文本格式（包括自然语言、代码和结构化文本）来指导LLM获得使用工具的技能。这一系列努力可以分为三个主要方法：1) 自然语言辅助；2) 代码辅助；和3) 代码与自然语言同时辅助。这些研究工作通过工具整合扩展了LLM的功能能力，为人工通用智能（AGI）和人工智能代理的未来发展铺平了道路。尽管如此，这些举措取决于LLM的情境学习（ICL）能力，这意味着LLM需要达到一定的模型参数阈值才能有效地获得使用工具的熟练度。

数据驱动的MLLM 

大规模模型的快速发展在很大程度上依赖于使用广泛的数据集进行训练。包括多模态模型在内的传统大型模型主要建立在通用数据集之上，这些数据集通常来源于互联网上的未标注文本[82]。虽然这些数据集涵盖了广泛的领域，但这些模型更倾向于通用能力。然而，当面对更复杂的多模态信息时，如医学图像[64]或生物分子的结构[83]，与这些模态相关的数据较少。因此，模型缺乏对这些特定领域的训练和认知，导致性能不佳，甚至无法理解这些模态。

结论

研究[84]表明，随着训练参数和数据量的增加，模型表现出可预测的性能改进、更高的样本利用率，甚至不可预测的能力。这些不可预测的能力在较小的模型中不常见，但在LLM中已经出现。因此，越来越多的研究人员正在采用数据驱动策略，收集或构建特定领域的数据，并将其作为训练和微调模型的基础，以赋予它们对多模态信息的额外理解能力。实验表明，不改变模型结构，改变训练数据的重点可以赋予大型模型不同的能力[65, 66, 85, 86, 87, 88]。

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