CVPR2024 | 改善多模态大模型底层视觉能力，NTU与商汤联合提出Q-Instruct，已开源

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https://arxiv.org/pdf/2311.06783.pdf
https://github.com/Q-Future/Q-Instruct

以 GPT-4V 为代表的多模态大语言模型（MLLM）为视觉感知和理解任务引入了范式转变，即可以在一个基础模型中实现多种能力。虽然当前的 MLLM 表现出了从低级视觉属性（例如清晰度、亮度）识别到图像质量评估的初级低级视觉能力，但仍然有必要进一步提高 MLLM 的准确性，以大幅减轻人类负担。

为了解决这个问题，我们收集了第一个数据集，其中包含对低级视觉的人类自然语言反馈，每个反馈都提供了图像低级视觉属性的全面描述，最终形成整体质量评估。构建的 Q-Pathway 数据集包括对 18,973 幅具有不同低级外观的多源图像的 58K 详细人类反馈。
为了确保 MLLM 能够熟练地处理不同的查询，我们进一步提出了一种 GPT 参与的转换，将这些反馈转换为一组丰富的 200K 指令响应对，称为 Q-Instruct。

实验结果表明，Q-Instruct 持续提升了多个基础模型的各种低级视觉能力。我们预计我们的数据集可以为未来铺平道路，基础模型可以帮助人类完成低级视觉任务。

本文方案

作为数据集构建的基本部分，我们引入了 Q-Pathway，这是第一个收集人类在低级视觉方面的文本反馈的大规模数据集。为了使不同的低级外观多样化和平衡，我们对七个来源的图像进行了子采样，并减少了来源分布的偏差（见表 1）。准备好图像后，我们讨论了路径反馈的合理性和详细的任务定义，路径反馈是一种自然语言反馈，在 Q-Pathway 中收集。

数据准备

Q-Pathway 中的图像是从各种来源采样的，包括四个野外 IQA 数据集，以及两个包含 AI 生成图像的数据集。如图1所示，图像的子采样群体经过精心构建，以在Q-Pathway中引入更多样的低级外观，既不偏向正面外观，也不偏向负面外观。此外，为了进一步使所收集图像的低级外观多样化，我们设计了 imagecorruptions 的自定义变体，以随机损坏 COCO数据集中的 1,012 张原始原始图像，其中人工扭曲率为 15 分之一。组装的子采样数据集由 18,973 张图像组成，这些图像进一步馈送到人类受试者以提供通路反馈。

路径反馈

对于 Q-Pathway，为了收集对人类对低级视觉方面的感知更丰富、更细致的理解，我们选择了一种称之为“路径反馈”的注释格式对低级视觉属性进行详尽的自然语言描述，例如噪声、亮度、清晰度），然后是一般性结论。这种格式的理由如下：

首先，描述可以更完整、更准确地保留人类的感知。例如，如果图像同时具有黑暗和明亮区域，如图上图所示，则亮度得分可能无法正确记录这种情况：无法保留位置上下文，并且得分的可靠性可能会降低也会受到损害，因为将其标记为“黑暗”或“明亮”都是不准确的。
此外，与自由形式的文本反馈不同，路径反馈中两部分的顺序通常与人类推理过程一致。例如，虽然人类受试者显示的图像曝光不足但清晰，但他们可以提供直观的推理，从而得出折衷的结论，例如“因此，图像的质量是可以接受的”。这种推理将帮助 MLLM 更好地模拟人类对低级视觉的感知和理解。虽然这种路径式格式在过去面临着转化为机器学习目标的挑战，但 MLLM 的出现提供了从这些直接人类反馈中学习的机会，以便让机器能够更精确、更稳健地与人类感知保持一致。

主观学习过程

主观研究是在控制良好的实验室环境中进行的，期间总共邀请了 39 名经过训练的人类受试者。基于任务定义，培训材料不仅包括对整体质量的校准，还包括对视觉中显示的不同低级外观的各自文本描述。

此外，由于大多数图像来自 IQA 数据集，它们的平均意见得分 (MOS) 也会显示给受试者，以便更好地通过对质量的共同理解来校准它们。为了促进他们的反馈过程，我们还展示了可在描述中使用的参考属性集。为避免受试者测试疲劳，连续反馈超过30张图像将被警告和劝阻； 50 张图像后将进一步强制暂停。在研究过程中收集了 58K 通路反馈，如图 3(a) 所示。

Q-Instruct

Q-Pathway 中的长且多样化的反馈为用于低级视觉指令调整的指令-响应对的自动生成过程提供了足够的参考。虽然路径反馈本身可以教会 MLLM 推理低级方面并预测质量，但我们设计了更多的指令类型以允许 MLLM 响应各种人类查询，包括视觉问答子集以获得更准确的低级感知能力，以及扩展的对话子集以允许 MLLM 与人类无缝地讨论与低级视觉方面相关的主题。总体而言，Q-Instruct数据集包括20万个指令-响应对，其详细信息如下。

与图像字幕类似，一般的低级视觉描述能力对于 MLLM 也至关重要。通路反馈是直接且整体的人类反应，通常描述低级视觉外观。此外，这些反馈提供了从低级属性（亮度、清晰度）到总体质量评级（好/差）的推理，这可以激活 MLLM 在 IQA 上的潜在推理能力。从此以后，以每个通路反馈作为响应，以一般提示作为指令，我们将 58K 通路推理（图 4(a)）作为 Q-Instruct 数据集的主要部分。

除了直接将 Q-Pathway 应用于低级视觉指令调整之外，我们还设计了一个 GPT参与的管道，将它们转换为视觉问答（VQA）子集。一般来说，我们要求 GPT 从通路反馈中生成与低水平视力相关的多样化问题，并以尽可能少的文字提供答案。通过这个过程，我们将反馈转化为 76K 问题，包括如何用与观点相关的形容词（例如好/差、高/低）回答问题，或者即用属性相关（模糊/噪音/焦点）或上下文回答哪些问题相关（左/孔雀/背景）名词，如图4（b）上半部分所示。我们进一步指示 GPT 根据反馈生成二元判断（是/否，下图 4（b）），并将是和否平衡为 1:1 的比例，最终收集到 57K 是或否问题。至于回答格式，遵循A-OKVQA，尽管有直接答案，我们也为问题创建了几个分散注意力的答案，并将它们转换为附加的多项选择题（MCQ）格式（图1中的粉红色框）。 4(b))。

前两个子集旨在增强低级视觉的基本语言相关能力，而 Q-Instruct 的第三个子集即扩展对话（图 4(c)）则侧重于提高与他人讨论的能力。人类基于输入图像的低级视觉方面。这些讨论包括五个主要范围：

1）检查低级视觉模式的原因；
2）提供摄影方面的改进建议；
1. 提供图像恢复、增强或编辑工具；
4）向各自的消费者推荐形象；
1. 鉴于路径反馈中提供的低级视觉描述，可能发生的其他对话。

同样，扩展对话子集也是由 GPT 生成的，为 Q-Instruct 收集了总共 12K 个对话。

底层视觉指令调整

在本节中，我们讨论低级视觉指令调整的标准训练策略，即在 MLLM 训练期间何时涉及 Q-Instruct 数据集。一般来说，开源MLLM的训练包括两个阶段：首先，将视觉主干和LLM的表示空间与百万级网络数据对齐。其次，结合人类标记的数据集进行视觉指令调整。

考虑到 Q-Instruct 的规模，一般策略是将其指令-响应对与第二阶段的高级数据集混合，以便在一般高级意识中理想地构建其低级视觉能力，如如图5(a)所示。另一种更快、更方便的策略是在原始高级调整后仅使用 Q-Instruct（图 5（b））的第三阶段。在我们的实验中，我们验证了它们都对各种低级视觉任务带来了显着的改进，并且涉及高级意识有助于这两种策略的有效性。