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谷歌DeepMind如何让模型学会在脑子里画图想问题

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你有没有想过,一个不会画画的人,能不能靠"脑补"一张图来解题?

比如你在玩迷宫游戏,闭上眼睛在脑子里过一遍路线,你不需要真的画出这张地图,但你的大脑确实在某种程度上"生成"了一张看不见的图。现在的问题是,机器能不能也做到这件事。

这正是谷歌DeepMind这篇论文要解决的问题。他们给这种能力起了个名字,叫潜在视觉推理。

**当前最强的视觉语言模型,看图能看清楚,但推理时容易"失焦"**

现在的视觉语言模型(VLM)已经很擅长看图说话了。你给它一张图,问它图里有什么,它答得头头是道。但如果你让它做一道需要多步骤视觉推理的题,比如走迷宫、找茬、判断空间关系,它就容易翻车。

原因在于,主流的做法是让模型把图片"翻译"成文字,再用文字去推理。这个过程就像让一个人先把一幅画写成文字描述,然后靠着这段描述去做后续判断。问题是,翻译的时候细节会丢,一些关键的空间信息、纹理信息,文字很难说清楚。

论文里提到一个数据,用纯文字链式推理的方法,在很多视觉基准测试上都会因为丢失细节而表现打折扣。

于是有人想到一个折中方案:既然文字损耗信息,那就别翻译成文字,直接在"潜空间"里保留视觉信息,让模型在推理链条里插入几个连续的潜在视觉token,这样模型既能像人一样一边想一边"看",又不用真的生成一张完整的图片。这就是潜在视觉推理的思路。

这个思路听起来挺聪明,但DeepMind团队发现,现有的这套潜在推理框架,其实存在两个致命伤。

**第一个坑:训练模型"脑补"图像时,用的参照物本身就选错了**

现有方法通常分两步训练。第一步是监督微调(SFT)

SFT:给模型看大量标准答案,让它学着模仿的训练方式,先教会模型基本套路

在这一步,训练时会用到一张"助教图",也就是一张只有训练时才有、推理时不给的辅助图片。比如在走迷宫任务里,这张助教图可能是一张热力图,标出了每个格子离终点的价值高低。模型需要学会把这张助教图的信息"内化"到自己的潜在token里,这样等到考试的时候(也就是推理阶段),就算没有助教图,它也能凭自己生成的潜在token做出接近的推理。

问题出在,怎么把助教图变成潜在token这一步。

现有方法都是找一个现成的、别人训练好的视觉编码器,直接把助教图丢进去编码,编码出来的向量就当成目标,让模型去模仿。

这就像你要教一个厨师做菜,但你给他的参考照片是用美颜相机拍的,把菜品拍得很好看,却完全没拍出火候和调料比例这些关键信息。厨师照着这张照片去学,学到的是"好看",而不是"好吃"。如果不换一台专业的、拍得出细节的相机,厨师永远学不到真正有用的东西。

现成的视觉编码器就是这台"美颜相机"。它是为通用视觉任务训练的,比如图像分类、图文匹配,它保留的是通用视觉美感和语义,但未必保留了这个具体推理任务真正需要的证据。结果就是,模型花了力气去模仿一个不那么有用的目标,浪费了潜在token的表达能力。

DeepMind的解法是,别用现成的编码器了,自己训练一个专门的编码器,叫做脚手架编码器

脚手架编码器:一个专门为当前推理任务训练出来的编码器,用来把助教图压缩成对下游答题最有用的潜在token,而不是套用别人训练好的通用视觉特征

这个编码器怎么训练?关键在于,它是通过下游任务的损失直接端到端训练出来的,也就是说,编码出来的向量好不好,不是看它像不像原图,而是看它能不能帮模型把最终的答案答对。这就相当于给厨师换了一台能拍出油温、下锅时间、调料颗粒的专业相机,厨师照着学,学到的才是真本事。

论文的消融实验证实了这一点。只训练一个小小的注意力池化模块(大约8000万参数),就能让准确率提升4.3个百分点。如果连视觉编码器本身也一起训练(总共约7.6亿参数),还能再涨10个百分点,加起来比原来那套用冻结特征的方法高出14.3个百分点。而且研究者还专门做了对照实验排除了"是不是单纯因为参数变多了才变强"的可能性:同样把视觉编码器解冻,放到普通SFT里(不学优化目标),只提升4.5个百分点,远远不如优化目标带来的提升。这说明真正起作用的不是"参数更多",而是"目标选对了"。

**第二个坑:强化学习阶段,模型压根没法"试错"潜在空间**

训练的第二阶段是强化学习(RL)

RL:通过给模型的输出打分,用奖励信号去调整模型行为的训练方式,让模型在实践中越做越好

一般的RL做法,比如GRPO,只对文字token做优化,压根不碰潜在视觉token。这就好比一个学生做应用题,老师只批改他写的文字步骤,却完全不管他脑子里想象的那张草图对不对。

后来有个改进方法叫VLPO(视觉潜在策略优化),它想办法把潜在token也纳入优化范围,但用的是一种"确定性正则化"的手段:给潜在token设一个固定方差的高斯分布,用来约束新旧策略之间的潜在表示不要偏移太远。

这个思路的问题在于,它只是在"限制走偏",而不是在"鼓励探索"。你可以把它想象成给一个正在学走路的孩子系了根绳子,绳子只是防止他走得太远摔倒,但绳子本身不会告诉孩子往哪个方向走会更好。因为VLPO从来没有真的从这个高斯分布里采样出不同的潜在动作去尝试,它只是拿当前生成的潜在向量和上一轮的向量做距离惩罚,从头到尾就只有一条路径,没有分支,也就没有真正的探索。如果不做任何形式的采样,RL的探索优势根本发挥不出来,最后能带来的提升非常有限,论文里的实验显示只有0.9个百分点,而且训练曲线还会剧烈波动。

DeepMind的方案叫Scaffolding RL(脚手架强化学习)

Scaffolding RL:在生成的潜在视觉token基础上,用两个小型神经网络头分别学出一个均值和一个方差,构成一个可以真实采样的高斯分布,让模型每次推理时都能尝试不同的"潜在动作",再靠奖励反馈筛选出更好的路径

这里的关键区别在于,均值和方差都不是固定值,而是根据当前生成的潜在向量动态算出来的,也就是说探索的方向和幅度会随着具体输入自适应调整。这就像给那个学走路的孩子换了个教练,教练会根据孩子当下的平衡状态,动态告诉他往哪边挪一挪、挪多远,而不是死死拽住一根固定长度的绳子。

论文的消融实验里,这个方法比VLPO多拿了3个百分点的提升,而且在用较弱的Stage 1模型(也就是用旧方法训练出来的、目标没优化好的模型)上测试时,Scaffolding RL的优势会进一步放大到5.2个百分点,说明潜在空间越有改进空间,这种真实探索的价值就越明显。研究者还专门验证了均值和方差缺一不可,只学均值提升1.6个百分点,只学方差提升1.2个百分点,两者都学才能拿到3.0个百分点的全部收益。

**放在一起看,效果有多大**

论文在两类任务上做了验证。

第一类是FrozenLake走迷宫任务,网格大小从8乘8一路测到32乘32。这个任务很直观:模型要输出一整条从起点到终点、绕开所有陷阱的完整路径,走错一步就算零分,容不得半点含糊。

结果显示,Scaffolding Minds这套方法比此前最强的潜在推理基线(叫VaLR)平均高出9.5个百分点,而且随着网格从8乘8变到32乘32,这个优势不是缩小而是持续拉大,到32乘32的时候差距扩大到19个百分点。换句话说,题目越难,这套方法的优势越明显。研究者还专门画了一张逐难度等级的对比图,可以看到传统方法随着迷宫变大,准确率下滑得又快又陡,而新方法下滑得平缓得多,就像两个人爬一座越来越陡的山,一个渐渐体力不支,另一个还能稳住步伐。

第二类是九个视觉中心的推理基准测试,覆盖了细粒度属性判断、空间关系理解、高分辨率图像分析等各种场景。平均下来,这套方法比此前最强的潜在推理方法高出5.6个百分点,其中在MMVP(专门考察模型"看漏了什么"的基准)上提升了20.7个百分点,这个跨度相当可观,意味着原来每5道题模型就要因为看漏细节答错1道,现在这个错误率明显降下来了。

值得一提的是,研究者还和"直接生成图片再推理"这类方法做了对比。这类方法在推理过程中会真的画出一张中间过程图,视觉信息保留得更完整,但代价是推理速度慢很多,论文测出来的延迟增幅高达76%到277%不等。而Scaffolding Minds全程只在潜在空间里操作,推理延迟只多了4.6%到5.9%,几乎不影响使用体验,同时准确率反而比这些"画图流派"还高出10.7个百分点。这说明,想要视觉推理能力强,不一定非得真的把图画出来,只要潜在空间本身学得够好,效果照样能超过显式生成图片的笨办法。

**这套方法到底解决了什么根本矛盾**

回过头看,这篇论文其实揭示了一个容易被忽略的问题:在深度学习里,"看起来合理的中间步骤"和"真正对下游任务有用的中间步骤"往往不是一回事。

用现成视觉编码器提取特征,看起来省事又稳妥,毕竟这些编码器都是业界公认好用的。但省事的代价是,这些特征天生带着别的任务的"偏好",未必贴合你手头这个具体问题。同样,用固定方差的高斯做正则化,看起来是稳妥的保守做法,能防止训练跑飞,但代价是彻底放弃了探索的可能性。

这两个问题合在一起看,其实是同一件事的两个侧面:都是因为图省事、图稳妥,选择了"够用"而不是"最优"的方案,结果留下了性能提升的空间没有被挖掘出来。

Q&A

Q1:Scaffolding Minds是什么?

A:Scaffolding Minds是谷歌DeepMind提出的一种多模态推理训练框架,通过训练专用的脚手架编码器来优化潜在视觉目标表示,并结合可学习均值方差的强化学习采样方法,提升视觉语言模型在空间规划和视觉推理任务上的表现。

Q2:Scaffolding Minds和之前的潜在推理方法比有什么优势?

A:在FrozenLake走迷宫任务上平均提升9.5个百分点,32乘32最难网格上提升达19个百分点,在九个视觉推理基准上平均提升5.6个百分点,同时推理延迟只增加不到6%,远低于生成图片类方法76%以上的延迟增幅。

Q3:脚手架编码器和普通视觉编码器有什么区别?

A:普通视觉编码器是为通用视觉任务预训练的,特征未必贴合具体推理任务;脚手架编码器则通过下游任务损失端到端训练,专门优化出对当前推理任务最有用的潜在表示。

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