名人說:人生如逆旅,我亦是行人。 ——蘇軾《臨江仙·送錢穆父》
創作者:Code_流蘇(CSDN)(一個喜歡古詩詞和編程的Coder😊)
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目錄
- 一、多模態大模型概述
- 1. 什么是多模態
- 2. 多模態大模型的定義
- 3. 多模態大模型與傳統LLM的區別
- 二、多模態大模型的工作原理
- 1. 多模態數據的處理流程
- 2. 跨模態對齊技術
- 3. 多模態理解與生成
- 三、多模態大模型的架構
- 1. 常見架構類型
- 2. 代表性多模態大模型介紹
- 3. 模型訓練方法與挑戰
- 四、多模態大模型的應用場景
- 1. 圖像理解與描述
- 2. 視頻分析與處理
- 3. 多模態搜索與推薦
- 4. 輔助創作與內容生成
- 5. 醫療與健康
- 6. 3D與空間計算
- 五、多模態大模型性能對比
- 六、多模態大模型的發展趨勢與挑戰
- 1. 技術發展趨勢
- 2. 面臨的挑戰
- 3. 未來研究方向
- 七、小結:多模態,百花齊放的時代
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一、多模態大模型概述
1. 什么是多模態
在人工智能領域,多模態(Multimodality)指的是同時處理和理解多種不同類型數據的能力。就像人類能夠同時理解看到的圖像、聽到的聲音和閱讀的文字一樣,多模態AI系統也能夠處理多種感知輸入。常見的模態包括:文本、圖像、音頻、視頻和結構化數據。
2. 多模態大模型的定義
多模態大模型(Multimodal Large Language Models, MLLMs)是指能夠同時處理、理解和生成多種模態數據的大規模深度學習模型。與僅處理單一模態(如純文本)的傳統大語言模型(LLMs)不同,多模態大模型能夠接收圖像、音頻等多種輸入,理解它們之間的聯系,并生成跨模態的響應。
2024年最新的多模態大模型包括:GPT-4o、Claude 3.5 Sonnet、Gemini 1.5 Pro、LLAVA-Next和國產的騰訊混元視覺大模型等。這些模型不僅能夠處理文本,還能分析圖像內容,一些高級版本甚至可以理解視頻、音頻和3D空間數據 。
3. 多模態大模型與傳統LLM的區別
特性 | 傳統LLM | 多模態大模型 |
---|---|---|
處理數據類型 | 主要處理文本 | 處理文本、圖像、音頻、視頻等多種數據 |
輸入形式 | 文本提示 | 文本提示、圖像、音頻等混合輸入 |
應用范圍 | 文本生成、問答、翻譯等 | 圖像理解、跨模態問答、視覺創作等 |
模型復雜度 | 相對簡單 | 更為復雜,需要處理跨模態對齊 |
計算資源 | 較低 | 更高,需要處理多模態特征提取 |
訓練數據 | 主要為文本 | 包括大量圖文對、視頻等多模態數據 |
上下文窗口 | 較小 | 部分模型支持超長上下文(如Gemini 1.5支持200萬tokens)。 |
二、多模態大模型的工作原理
1. 多模態數據的處理流程
多模態大模型處理不同類型數據的流程大致可分為以下幾個步驟:
基于最新的研究進展 ,多模態大模型的數據處理流程包含以下關鍵步驟:
-
特征提取:各模態通過專門的編碼器(Encoder)提取特征
- 文本通過文本編碼器(如Transformer)提取語義特征
- 圖像通過視覺編碼器(如ViT, Vision Transformer)提取視覺特征
- 音頻通過音頻編碼器提取聲學特征
- 視頻通過視頻編碼器處理時序和空間特征
- 3D/空間數據通過空間編碼器提取立體結構特征 。
-
跨模態對齊:將不同模態的特征投影到共享的語義空間,這可以通過以下方式實現:
- 令牌級對齊:將視覺、音頻等特征轉換為與文本token兼容的表示
- 特征級融合:在深層次上融合不同模態的特征表示
- 表示統一:構建統一的多模態表示空間
-
多模態理解與推理:基于融合后的表示進行理解和推理,包括:
- 多模態上下文學習(M-ICL):類似于文本模型的上下文學習能力
- 多模態思維鏈(M-CoT):引導模型進行逐步的推理
- 視覺輔助推理(LAVR):利用視覺信息輔助邏輯推理
-
輸出生成:根據理解結果生成相應的輸出(文本、圖像等)
2. 跨模態對齊技術
跨模態對齊是多模態大模型的核心技術之一,目前主流的對齊方法包括 :
-
對比學習(Contrastive Learning):讓相關的多模態數據表示相互靠近,不相關的數據表示相互遠離,如CLIP(Contrastive Language-Image Pretraining)模型
-
聯合嵌入(Joint Embedding):將不同模態的數據映射到同一向量空間
-
注意力機制(Attention Mechanism):使用注意力機制實現不同模態間的信息交互
-
預訓練-微調范式(Pretrain-Finetune Paradigm):先在大規模多模態數據上預訓練,再在下游任務上微調
-
部分LoRA微調(PLoRA):如InternLM-XComposer2模型提出的對齊方法,將額外的LoRA參數應用于圖像token,以保持預訓練語言知識的完整性 。
3. 多模態理解與生成
多模態大模型不僅能理解多種模態的輸入,還能生成相應的輸出:
-
多模態理解:模型能夠理解圖像內容并回答關于圖像的問題,識別圖像中的物體、場景和活動
-
跨模態生成:根據一種模態生成另一種模態的內容,如根據文本描述生成圖像、根據圖像生成文本描述等
-
多模態對話:在對話中同時處理文本和圖像,實現更自然的人機交互
-
多模態空間推理:最新的研究如CAD-GPT實現了空間推理增強,能夠理解和生成3D空間中的內容 。
三、多模態大模型的架構
1. 常見架構類型
多模態大模型主要有以下幾種架構類型 :
- 雙塔架構(Dual-Encoder Architecture,CLIP-style)
- 分別使用獨立的編碼器處理不同模態
- 適合對比學習任務,如CLIP模型
- 優點:模型結構簡單,訓練高效
- 缺點:模態間交互有限
- 融合架構(Fusion Architecture,LLaVA-style)
- 先分別編碼各模態,再進行特征融合
- 融合方式包括:早期融合、晚期融合和混合融合
- 代表模型:ViLBERT, LXMERT, LLaVA
- 優點:能夠有效捕捉跨模態信息
-
端到端架構(End-to-End Architecture,Flamingo-style)
- 將不同模態的輸入統一處理,如將圖像轉化為"視覺詞元"
- 代表模型:Flamingo, GPT-4V
- 優點:能夠處理更復雜的跨模態任務
-
專家架構(Mixture-of-Experts Architecture,MoE-style)
- 使用專門的"專家"子網絡處理不同類型的模態或任務
- 代表模型:MM1, MoE-LLaVA
- 優點:在不增加計算成本的情況下擴大總參數量,提高性能 。
2. 代表性多模態大模型介紹
目前主流的多模態大模型包括(2024年最新):
- GPT-4o(OpenAI):2024年5月發布,支持實時視覺、音頻和文本交互,多模態能力全面提升 。
- Claude 3.5 Sonnet(Anthropic):2024年6月發布,在多項基準測試中表現優于GPT-4o和Gemini 1.5 Pro 。
- Gemini 1.5 Pro(Google):支持200萬token的超長上下文,能夠處理長視頻和大量文檔 。
-
LLaVA-Next(開源):基于Vicuna/Mistral大語言模型的高性能開源視覺語言模型
-
CogVLM(智源):中文開源視覺語言模型,擅長視覺理解和生成
-
騰訊混元視覺:在SuperCLUE-V中文多模態榜單中排名第一,超越一些國際大模型 。
-
百度文心一言:支持多模態理解與生成的中文大模型
3. 模型訓練方法與挑戰
多模態大模型的訓練通常分為三個階段 :
-
預訓練(Pretraining):
- 在大規模多模態數據上進行預訓練
- 訓練目標通常是自回歸的下一個token預測
-
指令微調(Instruction Tuning):
- 使模型理解和執行用戶的指令
- 多模態指令數據包括指令、輸入和輸出
- 數據收集方法包括:人工標注、模型合成和數據增強
-
對齊微調(Alignment Tuning):
- 減少模型生成內容中的"幻覺"現象
- 常用方法包括:強化學習與人類反饋(RLHF)和直接偏好優化(DPO)
主要挑戰:
- 多模態幻覺問題:模型生成與輸入不一致的內容
- 跨模態對齊難題:不同模態數據具有不同結構特性,難以精確對齊
- 高質量多模態數據稀缺:獲取高質量配對數據困難
- 計算資源需求巨大:訓練成本比純文本模型高出數倍
四、多模態大模型的應用場景
1. 圖像理解與描述
- 圖像問答(Visual Question Answering, VQA):回答關于圖像內容的問題
- 圖像描述生成(Image Captioning):自動生成描述圖像內容的文本
- 視覺推理(Visual Reasoning):分析圖像中物體之間的關系和邏輯
應用示例:
# 使用多模態模型進行圖像描述生成
from transformers import AutoProcessor, AutoModelForCausalLM
import torch
from PIL import Image# 加載模型和處理器
processor = AutoProcessor.from_pretrained("microsoft/git-base")
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("microsoft/git-base")# 加載圖像
image = Image.open("example_image.jpg")# 處理圖像
pixel_values = processor(images=image, return_tensors="pt").pixel_values# 生成圖像描述
generated_ids = model.generate(pixel_values=pixel_values, max_length=50)
generated_caption = processor.batch_decode(generated_ids, skip_special_tokens=True)[0]
print(generated_caption)
2. 視頻分析與處理
- 視頻內容理解:理解視頻中的場景、活動和事件
- 視頻問答:回答關于視頻內容的問題
- 行為識別:識別視頻中人物的行為和動作
- 視頻摘要生成:自動生成視頻內容的文字摘要
現代多模態大模型如Gemini 1.5能夠分析長達數小時的視頻,并且能夠從視頻中"撈針"找出特定的幀和內容 。
3. 多模態搜索與推薦
- 圖像搜索:根據文本描述搜索相關圖像
- 跨模態檢索:使用一種模態搜索另一種模態的內容
- 多模態推薦系統:基于用戶的多模態交互行為進行個性化推薦
4. 輔助創作與內容生成
- 文字創作輔助:基于圖像生成相關的文本內容
- 圖像編輯與生成:根據文本描述生成或編輯圖像
- 多媒體內容創作:協助創作者生成多種形式的內容
5. 醫療與健康
- 醫學影像分析:輔助醫生分析X光片、CT、MRI等醫學影像
- 健康記錄理解:整合患者的多模態數據進行全面分析
- 醫患溝通輔助:通過分析語音、圖像等多種模態提升醫患溝通
6. 3D與空間計算
- CAD模型生成:如CAD-GPT可以根據文本描述或圖像生成3D模型 。
- 空間規劃設計:幫助設計師進行空間規劃和設計
- AR/VR內容創建:為增強現實和虛擬現實應用創建內容
五、多模態大模型性能對比
2024年主流多模態大模型能力對比表
模型名稱 | 視覺理解能力 | 推理能力 | 編程能力 | 上下文窗口 | 特殊能力 |
---|---|---|---|---|---|
GPT-4o | 通用視覺理解方面表現出色 | 在數學和計算機科學等科目表現突出,具有較強的復雜推理能力 | 在多步驟編程任務中表現出色 | 未公開具體數值 | 多模態交互能力強 |
Claude 3.5 Sonnet | 在細粒度視覺分析上有優勢 | 在GPQA和MMLU Pro等推理基準測試上超越Gemini 1.5 Pro | - | 支持200K token上下文窗口,接受超過100萬token輸入 | 高質量多模態響應 |
Claude 3.5 Haiku | - | - | 在SWE-bench Verified上得分率達40.6%,超過Claude 3.5 Sonnet和GPT-4 Turbo | 支持200K token上下文窗口 | 小型模型中的高性能表現 |
Gemini 1.5 Pro | - | 在比較數字大小等基礎數學任務上表現更穩定 | - | 支持長達200萬token的上下文窗口,遠超其他模型 | 處理長視頻和從視頻中找出特定幀表現突出 |
騰訊混元視覺 | 在中文視覺理解方面表現突出,在SuperCLUE-V榜單上超越一些國際大模型 | - | - | - | 中文多模態理解優勢明顯 |
CAD-GPT | - | - | - | - | 在3D建模和空間推理方面有特殊優勢 |
2024年,各大廠商競相發布和更新多模態大模型,不同模型在各個方面表現各有特色 :
-
視覺理解能力:
- GPT-4o在通用視覺理解方面表現出色
- Claude 3.5 Sonnet在細粒度視覺分析上有優勢
- 騰訊混元視覺在中文視覺理解方面表現突出,在SuperCLUE-V榜單上超越一些國際大模型
-
推理能力:
- GPT-4o在數學和計算機科學等科目表現突出,具有較強的復雜推理能力
- Claude 3.5 Sonnet在GPQA和MMLU Pro等推理基準測試上超越Gemini 1.5 Pro
- Gemini 1.5 Pro實驗版本(0801)在比較數字大小等基礎數學任務上表現更穩定
-
編程能力:
- Claude 3.5 Haiku在SWE-bench Verified上的得分率達到40.6%,超過原來的Claude 3.5 Sonnet和GPT-4 Turbo
- GPT-4o在多步驟編程任務中表現出色
-
上下文窗口:
- Gemini 1.5系列支持長達200萬token的上下文窗口,遠超過其他模型
- Claude 3.5系列支持200k token的上下文窗口,并接受超過100萬token的輸入
-
特殊能力:
- CAD-GPT等專業模型在3D建模和空間推理方面有特殊優勢
- Gemini 1.5在處理長視頻和從視頻中找出特定幀方面表現突出
這種百花齊放的發展態勢正推動多模態AI技術在各個應用場景中的落地和優化,用戶可以根據具體需求選擇最適合的模型。
六、多模態大模型的發展趨勢與挑戰
1. 技術發展趨勢
-
更廣泛的模態支持:擴展到更多模態,如觸覺、3D數據等
-
更深層次的模態融合:實現更深入的跨模態理解和關聯
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多模態預訓練方法創新:開發更有效的預訓練方法和任務
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小樣本/零樣本學習能力增強:提高模型在新任務上的快速適應能力
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超長上下文理解:模型上下文長度持續增長,Gemini 1.5已支持200萬tokens,未來有望進一步擴展 。
-
降低算力成本:如DeepSeek V3展示了高效訓練方法,大幅降低了訓練成本 。
2. 面臨的挑戰
-
多模態幻覺問題:模型可能生成與輸入不一致的內容或產生"幻覺"
-
模態對齊難題:不同模態的數據具有不同的結構和特性,實現精確對齊仍然具有挑戰
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計算資源需求:多模態模型需要更多的計算資源進行訓練和推理
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多模態數據獲取:高質量、大規模的多模態配對數據相對稀缺
-
模型評估標準:缺乏統一的多模態模型評估標準和基準
3. 未來研究方向
七、小結:多模態,百花齊放的時代
多模態大模型作為AI領域的前沿技術,正在迅速發展并改變我們與智能系統交互的方式。2024年已成為多模態AI真正爆發的元年,各大廠商紛紛推出或更新自己的多模態大模型,如GPT-4o、Claude 3.5 Sonnet、Gemini 1.5 Pro等,國內的騰訊混元視覺也在某些中文測評中表現出色。
從技術角度看,多模態大模型的核心挑戰在于如何有效地實現跨模態對齊和融合,以及如何在有限的計算資源條件下處理大規模多模態數據。未來,隨著計算能力的提升和算法的優化,多模態大模型將在更多領域展現出強大的應用潛力。
多模態能力是通往通用人工智能的重要路徑。通過同時處理文本、圖像、音頻、視頻等多種模態數據,這些模型能夠提供更接近人類認知方式的交互體驗。
對于開發者和研究者來說,掌握多模態大模型的基本原理和應用方法,將有助于開發更智能、更自然的人機交互系統,推動人工智能向著更通用、更全面的方向發展。
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