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NeurIPS 2026 Oral|让大模型精准「看图」:NV-CoT用连续坐标重构视觉思维链

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一张高清照片中,远处的手提包是什么颜色?一页票据里,某项费用到底是多少?面对这些问题,多模态大模型常常需要先找到相关区域,再放大查看。但如果第一步就框错了位置,后面的推理也可能跟着出错。视觉思维链让模型能够边看边想、调用工具寻找证据。不过,许多方法仍然像生成句子一样,把边界框坐标逐个写成文本 token。连续的空间位置,为什么要通过离散文字来表达?



图 1 三种区域选择方式:文本坐标、固定 patch,以及 NV-CoT 的连续数值坐标。

针对这一问题,南洋理工大学、中国科学技术大学、新加坡国立大学与微软研究院的研究者提出NV-CoT(Numerical Visual Chain-of-Thought):让模型直接预测连续数值坐标,将区域选择变成可学习的连续动作。该工作已获NeurIPS 2026 Oral(Top 0.4%),支持监督微调与强化学习。

第一作者赵克森是南洋理工大学博士生,主要研究多模态大模型中的强化学习。通讯作者朱贝尔是中国科学技术大学特任教授,主要研究多模态大模型推理、图像与视频可控生成、情感计算等。



  • 论文标题:Thinking with Images as Continuous Actions: Numerical Visual Chain-of-Thought
  • 论文链接:https://arxiv.org/abs/2602.23959v2
  • 项目主页:https://kesenzhao.github.io/NV-CoT/
  • 代码仓库:https://github.com/kesenzhao/NV-CoT
  • Hugging Face:https://huggingface.co/kesenZhaoNTU/NVCoT-Qwen3-VL-8B-Joint-GRPO-Step32

背景与挑战

现有视觉思维链通常先输出边界框,再调用裁剪工具,将局部图像交回模型(图 1a)。然而,坐标文本化带来了两个问题。

一是训练目标与空间误差不匹配。真实坐标为 3.1 时,预测 3.2 比 4.1 更接近;token 级交叉熵却不会直接按照这种数值距离设置惩罚。二是数字可能被拆成多个子 token,完整的位置含义被分散到离散序列中,增加了精确生成的难度。

为避免将坐标写成文本,一些研究尝试直接利用视觉 patch 进行推理(图 1b)。例如,PaDT 则预测需要关注的 patch 索引。但 patch 是视觉编码器预先划分的图像块,模型选择区域时仍受固定网格限制,难以灵活、精确地框选目标;相关方法还可能需要较多架构改动。NV-CoT 则保留原有裁剪流程,直接输出连续坐标,让区域选择摆脱固定 patch 边界的限制(图 1c)。

贡献一 用数值回归学习精确定位

NV-CoT 在语言模型输出头之外,增加四个轻量线性输出,直接预测边界框左上角与右下角的坐标。文本仍由原有词表生成,坐标则通过数值分支输出,再交给工具执行放大。

在监督微调(SFT)中,文本继续使用交叉熵,坐标则采用回归损失。采用论文主结果中的 L1 设置时,联合目标可写为:


其中,ℒₜₑₓₜ是文本交叉熵,μₜ 与bₜ* 分别为预测框和标注框, Tₐ表示坐标动作位置,λ控制回归项权重。预测位置偏离多少,可以直接反映到训练目标中。在 Vis-CoT-363K 验证集上,定位 IoU 从 Vis-CoT 的 47.3 提升至 59.5,提高 12.2 个百分点。这为连续坐标的作用提供了直接证据。

贡献二 让连续动作接入强化学习

没有中间边界框标注时,模型需要尝试不同区域,再根据最终回答获得反馈。NV-CoT 为四个坐标预测分布中心,并增加第五个输出预测共享尺度,控制边界框的探索范围。

NV-CoT 直接采用Laplace policy,将边界框建模为各维独立、共享尺度的四维连续分布,其概率密度为:



训练时,通过以下重参数化采样生成边界框动作:


其中,μ是预测框坐标,α>0是共享尺度,控制探索幅度。s的各维为独立、等概率的正负号,ε的各维独立服从单位速率指数分布,两者逐元素相乘。推理时关闭采样,直接使用分布中心裁剪图像。

接入 GRPO 时,文字采用离散 token 概率,坐标采用 Laplace 概率密度。对于旧策略采样得到的边界框动作,新旧策略的 importance ratio 为:

该比率比较同一动作在当前与旧策略下的概率密度;四次方来自边界框的四个坐标。结合组内优势完成策略更新,奖励仍兼顾答案正确性、格式与条件性的工具使用,无需中间框标注。



图 2 NV-CoT 相较各自框架提升了定位 IoU 与回答准确率,并呈现更快的收敛趋势。SFT 与 RL 曲线分别在各自数据集上评估。

实验亮点

研究在 V* Bench、HR-Bench 4K 与 HR-Bench 8K 上评测,分别考察属性、空间关系以及高分辨率图像中的细粒度感知。NV-CoT 沿用对应框架的训练数据和配置,以检验坐标建模方式的收益。



表 1 三项高分辨率基准的完整实验结果。† 为多次放大,其余为单次放大设置;SFT 采用 L1 损失,RL 采用 Laplace 策略。分数越高越好。

两种训练路线均获提升。SFT 相对 Vis-CoT 的三个 Overall 分别提高 3.7、2.0 和 1.6 个百分点;RL 单次放大版本相对 DeepEyes 分别提高 2.6、1.3 和 1.6 个百分点。

多次放大仍有收益。在相同的多次工具调用设置下,NV-CoT 相对 DeepEyes 再提高 1.5、0.8 和 1.1 个百分点。不同调用预算应分别比较;单次设置下,V* Bench 的得分仍低于 ZoomEye 的 90.6。

收益延伸到其他视觉任务。相对 DeepEyes,NV-CoT 在 MMMU-Pro、ChartQA 与 OCRBenchv2 上分别提高 2.1、2.6 和 1.5 分,并在目标定位和计数任务上取得提升。

定位改善也能直观看到:在手提包颜色问题中,原模型框到了石墙和地面,NV-CoT 则对准手提包;在票据问答中,更准确的裁剪帮助模型读到正确的 485 美元,避免误选附近的 685 美元。



图 3 定位与回答的案例对比。红框为 NV-CoT,蓝框为对应框架;左列为 RL,右列为 SFT。

结语

NV-CoT 表明,视觉思维链中的「看哪里」可以通过连续数值直接学习,以较小的架构改动同时服务于 SFT 和 RL。它主要改善模型已经大致理解任务、但区域定位不准确的情形;当语义理解本身出错时,精确坐标仍无法包办后续推理。

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