李飛飛：通過「空間智能」重構世界
在人工智能的持續演進中，多模態大語言模型（MLLMs）已成為核心研究領域之一，其在整合語言和視覺信息方面的潛力備受關注。李飛飛、謝賽寧團隊的最新研究成果猶如一顆璀璨的新星，照亮了 MLLM 在空間智能領域的探索之路，引發了學界和業界的廣泛關注。本文將深入剖析該團隊的研究，詳細闡述 MLLM 在空間智能方面的突破與挑戰，一同探索 MLLMs 在視覺空間智能方面的進展與難題。
1.引言視覺空間智能
在人類的日常生活中，視覺空間智能起著極為關鍵的作用。無論是在家中規劃家具擺放，還是在工作場所導航尋路，我們都在不斷運用這一能力。人類能夠憑借視覺感知和記憶，快速構建空間布局，并據此做出準確的判斷和決策。
對于人工智能而言，尤其是多模態大語言模型，視覺空間智能的發展卻面臨諸多挑戰。盡管語言模型在文本處理上取得了顯著成果，但在理解和處理視覺空間信息方面仍處于探索階段。這一能力的缺失限制了 MLLMs 在許多實際應用中的表現，如機器人控制、自動駕駛和增強現實等領域。
為了填補這一研究空白，本文引入了一個全新的基準測試——VSI-Bench。它基于大量真實的室內場景視頻，構建了超過 5000 個問題-答案對，旨在全面評估 MLLMs 的視覺空間智能。這一基準測試的出現，為 MLLMs 在該領域的研究提供了重要的工具和標準，開啟了深入探究的大門。
2.視覺空間智能內涵、范疇與關鍵要素解析
定義與范圍的精準界定
本文聚焦于視覺空間智能在現實世界環境中的應用，區別于傳統的抽象空間認知測試。在實際場景中，如家庭、辦公室和工廠等，視覺空間智能表現為對空間關系的準確感知和有效操作。例如，在家庭場景中，能夠判斷家具之間的合理間距；在辦公室里，能快速找到所需物品的位置；在工廠中，可規劃高效的物料運輸路徑。這種基于現實場景的定義，使得研究更具實際意義和應用價值。比如你要去宜家買家具，當你看到一個心儀的衣柜時你會在腦海里想一下你的臥室，放到哪里更合適，這時候我們會在腦海里重構一下自己的臥室空間，回憶一下房間里的物體、他們的位置以及大概的大小，判斷下新買的衣柜應該放到哪里。
能力分類的深度剖析
視覺空間智能涵蓋多個關鍵能力領域（見圖 2）。視覺感知是基礎，要求模型能夠從視頻中準確識別各類物體，這涉及到對物體形狀、顏色、紋理等特征的提取和識別。例如，在復雜的室內視頻中，模型需分辨出桌椅、電器等不同物體。
語言智能則負責理解與空間相關的語言描述，并將其與視覺信息相結合。當遇到“房間里有幾張椅子”這樣的問題時，模型要理解問題含義，并在視頻中找到對應的答案。
時間處理能力使模型能夠追蹤物體在視頻中的時間動態變化，構建其運動軌跡。比如在監控視頻中，模型可記錄人員或物體的移動路徑。
空間推理能力是核心，包括關系推理和自我中心-客體中心轉換。關系推理要求模型依據距離和方向判斷物體間的空間關系，如確定書架與窗戶的相對位置。自我中心-客體中心轉換則是在以自身視角和以環境為中心的視角之間切換，這類似于人類在空間中定位自己和周圍物體的過程。
3.VSI-Bench創新基準測試的構建與解析
概述：架構與任務體系
VSI-Bench 由 288 個真實視頻生成的 5000 多個問題-答案對組成，數據來源于 ScanNet、ScanNet++ 和 ARKitScenes 等權威數據集，涵蓋多種環境和地理區域。其任務分為配置、測量估計和時空三大類共八個任務（見圖 3）。
配置任務中的物體計數，考驗模型對視頻中特定物體數量的準確統計能力；相對距離任務要求模型判斷物體間的遠近關系；相對方向任務促使模型確定物體的方位；路線規劃任務模擬機器人導航，需要模型規劃出從起點到終點的合理路徑。
測量估計任務中，物體大小估計要求模型根據視頻判斷物體的尺寸；房間大小估計需模型估算出整個房間的面積；絕對距離估計則是精確計算兩個物體之間的實際距離。
時空任務的外觀順序，要求模型記住物體在視頻中首次出現的先后順序，測試其對空間信息的記憶能力。
基準測試
數據收集與統一的精細操作：從不同數據集中選取樣本后，對視頻進行標準化處理。ScanNet 視頻轉換為 24 FPS，ScanNet++和 ARKitScenes 視頻子采樣到 30 FPS，并統一分辨率為 640 × 480 像素。同時，對不同數據集的注釋結構進行統一，提取包含數據集、視頻路徑、房間大小等關鍵信息的元信息，并精心篩選和重映射物體類別，確保數據的一致性和有效性。
問題-答案生成的科學方法：除路線規劃任務采用人工標注外，其他任務利用元信息和問題模板自動生成問題-答案對。例如物體計數的問題模板為“ How many {object} are in this room? ”，通過替換 {object} 生成具體問題。在數值答案任務中，合理生成選擇題選項，并對每個場景和任務的問題數量進行子采樣，保證數據集的平衡性。
人工循環質量審查的嚴格把控：在數據集收集和問題-答案對生成階段，均實施人工審查。收集時過濾掉 3D 網格重建不完全的場景，生成后手動驗證元信息正確性，尤其關注物體數量。在問題-答案對審查中，人工評估人員標記錯誤或模糊的問題，研究團隊據此追溯錯誤源并采取糾正措施，如刪除問題樣本、修改元信息或問題模板等，經過多次迭代確保基準測試質量。
4. VSI-Bench 上的評估模型性能的全面審視
評估設置
基準模型的廣泛涵蓋：全面評估了 15 個涵蓋不同家族、參數規模和訓練方法的視頻支持 MLLMs，包括專有模型如 Gemini1.5 和 GPT-4o，以及開源模型如 InternVL2、ViLA 等，確保評估的全面性和代表性。
指標設計的合理考量：根據答案類型采用不同評估指標。選擇題答案（MCA）任務使用準確率（ACC），基于精確匹配（可含模糊匹配）計算；數值答案（NA）任務采用平均相對準確率（MRA），通過考慮相對誤差率來衡量模型預測的準確性，以適應不同類型問題的評估需求。
基線設置的有效參照：設置Chance Level (Random) 作為 MCA 任務隨機選擇答案的準確率基線，Chance Level (Frequency) 為選擇每個任務最頻繁答案的準確率基線，為模型性能評估提供清晰的參照標準。
結果分析
人類水平與模型的對比洞察：人類評估者在基準測試中平均準確率達 79%，在配置和時空任務上表現卓越，準確率在 94% - 100%之間，體現了人類在視覺空間智能方面的優勢。在測量任務中，人類與最佳 MLLM 的差距相對較小，表明 MLLMs 在定量估計方面有一定潛力，但仍需提升。
專有與開源模型的差異解讀：專有模型 Gemini1.5 Pro 表現突出，雖與人類有差距，但遠超基線水平，在絕對距離和房間大小估計等任務中接近人類表現，得益于其強大的研發資源和架構。開源模型中，部分頂級模型如 LLaVA-NeXT-Video-72B 和 LLaVA-OneVision-72B 有競爭力，僅落后 Gemini1.5 Pro 4%-5%，但多數開源模型（7/12）低于基線水平，反映出開源模型在視覺空間智能方面的局限性。
視覺信息影響的顯著發現：對比視覺啟用、禁用和基線水平結果發現，視頻對任務至關重要，視覺啟用模型性能優于禁用模型，而禁用模型低于基線水平。在絕對距離估計、路線規劃和相對方向等任務中，MLLMs 即使有視覺信息也難以超越基線，凸顯這些任務的難度。
5.MLLMs 的語言空間推理機制探究與瓶頸剖析
通過自我解釋揭示推理過程
案例研究的深刻啟示：以 Gemini1.5 Pro 為例，在成功案例中，模型展示出較強的視頻理解和語言推理能力，能準確描述視頻信息并構建合理推理步驟，如在相對方向任務中正確判斷物體方位。但在錯誤案例中，常出現自我中心 - 客體中心轉換和關系推理錯誤，表明模型在復雜空間推理上存在不足。
錯誤類型的詳細分析：對 Gemini1.5 Pro 在 VSI - Bench（tiny）上的錯誤分類分析發現，約 71%的錯誤源于空間推理能力缺陷，其他包括視覺感知、語言智能和自我中心-客體中心轉換錯誤，但空間推理錯誤占主導，成為 MLLM 性能提升的關鍵瓶頸。
CoT 方法
研究三種語言提示技術【零樣本思維鏈（CoT）、自一致性 CoT 和思維樹（ToT）】發現，它們在 VSI-Bench 上平均導致性能下降。雖在部分任務有輕微提升，但在房間大小和物體大小等任務中大幅下降，說明在視覺空間推理任務中，單純依靠語言提示技術提升模型性能不可行，與傳統語言推理任務有顯著差異。
6.創新方法與效果評估MLLMs 的視覺空間記憶與認知地圖
通過認知地圖探索空間記憶
認知地圖生成的獨特方式：提示 Gemini1.5 Pro 根據視頻在 10×10 網格中預測物體中心位置生成認知地圖（見圖 10），模擬人類構建空間認知的過程，以探究模型如何在內部表示空間信息。
局部空間意識的精準評估：通過計算認知地圖中物體間歐幾里得距離并與真實地圖比較，發現 MLLMs 定位相鄰物體準確率達 64%，表明有一定局部空間意識。但隨著物體距離增加準確率下降，說明模型構建全局空間模型困難，多形成局部世界模型（見圖 11）。
利用認知地圖提升距離推理能力的效果
實驗表明，讓 Gemini1.5 Pro 先生成認知地圖再回答相對距離問題，準確率提高 10%（見表 3）。這顯示認知地圖能輔助模型進行更準確的距離推理，為提升 MLLMs 視覺空間智能提供了新途徑。
7.相關工作
具有視覺空間意識的 MLLMs
近年來，MLLMs 借助 LLMs 的語言和推理能力及視覺編碼器的特征提取能力，在視覺理解上取得進展。但在應用于現實世界視覺空間任務時仍面臨諸多挑戰，如準確感知和理解空間信息。本文與以往關注 2D 圖像或純語言的研究不同，采用真實視頻評估模型，更貼合實際應用場景。
MLLMs 在視頻上的基準測試
隨著 MLLMs 在靜態圖像任務的出色表現，其視頻理解能力評估受關注。已有 Video-MME、EgoSchema 和 OpenEQA 等基準測試，但多側重內容級理解，缺乏 3D 空間考慮。本文的 VSI-Bench 填補了這一空白，為研究 MLLMs 視覺空間能力提供了重要工具。
8.討論與未來工作
通過 VSI-Bench 對 MLLMs 的研究發現，其在視覺空間智能方面有優勢也有瓶頸。雖在感知、時間處理和語言能力上有表現，但空間推理能力尤其是自我中心-客體中心轉換和關系推理能力亟待提高。
當前語言提示方法對空間推理效果不佳，但認知地圖為提升空間距離推理能力帶來希望。未來可從特定任務微調、開發空間推理自監督學習目標和設計視覺空間提示技術等方向努力，推動 MLLMs 在視覺空間領域取得更大突破，為人工智能發展注入新動力。
論文地址：??https://arxiv.org/pdf/2412.14171??
Thinking in Space: How Multimodal Large Language Models See, Remember, and Recall Spaces
代碼地址：
??https://github.com/vision-x-nyu/thinking-in-space??
原文鏈接：
??https://www.yuque.com/u21774036/qnmlr1/ecqfh7gtbquvvwk5?#《李飛飛：通過「空間智能」重構世界》??
本文轉載自??AIGC前沿技術追蹤??，作者： 愛讀論文的吳彥祖 ????
