苹果多模态模型大升级！文本密集、多图理解，全能小钢炮

　　近日，一向画风精致的「苹果牌AI」，也推出了升级版的多模态大模型，从1B到30B参数，涵盖密集和专家混合模型，密集文本、多图理解，多项能力大提升。

　　多模态大语言模型(MLLM)如今已是大势所趋。

　　过去的一年中，闭源阵营的GPT-4o、GPT-4V、Gemini-1.5和Claude-3.5等模型引领了时代。

　　而开源MLLM也同样在蓬勃发展，LLaVA系列，InternVL2，Cambrian-1和Qwen2-VL的强劲表现，让作为老大哥的GPT-4o时常躺枪。

　　开源与闭源之间差距缩小，兼具单图、多图、视频理解能力的MLLM也成为大家研究的重点。

　　说到潮流，怎么能没有苹果的一席之地?

　　近日，一向画风精致的「苹果牌AI」，也推出了升级版的多模态大模型——MM1.5。

　　论文地址：https://arxiv.org/pdf/2409.20566

　　MM1.5以前代MM1模型为基础，采用数据为中心的方法进行训练，显著增强了文本密集型图像理解、视觉指代和定位、以及多图像推理的能力。

　　MM1.5系列的参数量从1B到30B，涵盖密集和专家混合(MoE)模型，即使较小的尺寸也有优异的表现。

　　具体来说，MM1.5提升了OCR(光学字符识别)能力，支持任意图像长宽比和高达4M像素的分辨率，并且擅长理解富含文本的图像。

　　在强大而细粒度的图像理解能力加持下，MM1.5能够超越文本提示来解释视觉内容，例如点和边界框。

　　研究人员还通过对额外的高质量多图像数据进行监督微调(SFT)，进一步提高了模型的上下文学习和开箱即用的多图像推理能力。

　　本文作者重点关注两种小规模的MLLM，包括1B和3B的密集模型与MoE模型，其中小尺寸的密集模型可以轻松部署在移动设备上。

　　「小模型」也符合苹果一贯的作风，在自家的各种设备上，能够更好地与用户场景(如隐私和安全性)融为一体。

　　之前微软和苹果的很多实践也证明了，利用高质量数据和先进的训练策略，小个子的模型在各种下游任务中同样表现强劲，足以超越大尺寸的模型。

　　当然了，光是小还不够，通用性更为重要。

　　MM1.5系列模型在30B参数的范围之内，都能很好地符合缩放定律，模型越大，性能越强。

　　另一方面，研究人员以MM1.5为基础，微调出服务于视频理解的MM1.5-Video，以及为移动UI(比如iPhone屏幕)理解定制的MM1.5-UI。

　　模型构建

　　MM1.5保留了与MM1相同的模型架构，并将改进的努力集中在以下几个关键方面：

　　持续的预训练

　　作者在SFT阶段之前引入了一个额外的高分辨率连续预训练阶段，这对于提高富含文本的图像理解性能至关重要。

　　作者探索了用于持续预训练的富含文本的OCR数据，重点关注图像中文本的详细转录，还尝试了高质量的合成图像字幕。

　　SFT

　　混合中的每一类SFT数据如何影响最终模型的性能?特别是支持每种功能的数据对其他功能有何影响，作者对此进行了广泛的消融实验。

　　动态高分辨率

　　对于高分辨率图像编码，作者遵循流行的任意分辨率方法，将图像动态划分为子图像，并进行彻底的消融以细化设计中的关键细节。

　　为了保留前代模型的零样本和少样本学习能力，并更有效地将它们转移到SFT阶段，在开发MM1.5时，研究人员通过探索纯文本数据的影响，并优化不同预训练数据类型的比例，来进一步扩展MM1的预训练。

　　这种方法提高了知识密集型基准测试的性能，并增强了模型整体的多模态理解能力。

　　如上图所示，模型训练包含三个阶段：

　　在每个阶段，都需要确定最佳数据组合并评估每种数据类型的影响。

　　消融实验设置

　　在消融研究中遵循以下默认设置：

　　静态图像分割通过4个子图像分割(加上一个概览图像)来实现，并且每个子图像通过位置嵌入插值调整为672×672分辨率。为了加快实验迭代速度，在消融过程中没有使用动态图像分割。

　　对于多图像数据的编码，仅当当前训练样本包含少于三幅图像时才启用图像分割，以避免序列长度过长。

　　如下图所示，模型可以以引用坐标和边界框的形式，解释对输入图像中的点和区域的引用。

　　MM1.5采用与前代相同的CLIP图像编码器和LLM主干网络，并以C-Abstractor作为视觉语言连接器。

　　对于连续预训练和SFT，作者将批量大小设置为256。使用AdaFactor优化器，峰值学习率为1e-5，余弦衰减为0。对于连续预训练，最多训练30k步。在SFT期间，所有模型都针对一个epoch进行优化。

　　模型使用MM1的预训练检查点进行初始化。这个阶段对45M高分辨率OCR数据(包括PDFA、IDL、Renderedtext和DocStruct-4M)进行持续的预训练，每个训练批次从这四个数据集中均匀采样数据。

　　与SFT阶段类似，作者使用静态图像分割，将每个图像分为五个子图像，每个子图像的大小调整为672×672分辨率。作者发现这种高分辨率设置对于持续预训练至关重要。

　　最后，将数据集分组有助于数据平衡和简化分析。在较高层面上，作者根据每个示例中呈现的图像数量将数据集分为单图像、多图像和纯文本类别，详细的分类情况如下图所示：

　　研究人员根据主要衡量的功能将基准分为几类，并提出类别平均分数(每个子类别的所有基准数字的平均分数)，以代表该功能的平均性能。

　　SFT消融

　　然后是对于SFT数据混合的全面消融。作者首先评估一般数据类别，然后逐步评估单独添加其他子类别的影响。

　　在训练过程中，作者混合来自不同子类别的数据，通过从混合物中随机采样数据来构建每个训练批次，并使用类别平均得分来比较使用每种功能的模型，结果如下图所示。

　　作者观察到，添加富含文本的数据可以显著提高文本密集型和知识基准的性能，数学数据也遵循类似的趋势。

　　以一般数据类别为参考，对目标类别数据进行上采样/下采样，使得在每个训练批次中，一般数据类别和目标类别的数据比例为1：α。

　　为了衡量α的平均影响，作者提出MMBase分数用于模型比较。如下图所示，作者针对不同的数据类别改变α。对于科学、数学和代码类别，作者发现α的最佳比率分别为0.1、0.5和0.2。

　　下一项需要探究的是单图像、多图像和纯文本数据的混合比例。

　　枚举三个比率之间的所有组合将产生大量的计算成本。因此，作者分别对纯文本数据和多图像数据进行消融，以评估模型对比例的敏感程度。

　　对于纯文本数据，作者测试了0到0.2的范围，下图结果表明，不同的w值对模型的基础影响较小。

　　通过图7(右)还可以观察到，增加多图像数据的采样率会导致基本功能的性能下降(MMBase分数减少)，而多图像平均分数会增加。所以作者选择w= 0.1为单图像数据分配更高的权重，以提高潜在的性能。

　　基于上述研究，作者提出了三种混合：基础混合、单图像混合、全混合。

　　下图前三列表明，包含参考数据和多图像数据会稍微降低密集文本、知识和一般基准的平均性能。

　　最后一栏表明，作者优化的组合实现了最佳的整体性能，平衡了基准测试中的所有功能。

　　最后，放几张跑分对比，包括Text-rich、In Context Learning和Multi-image：