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2025年Next Token Prediction范式会统一多模态吗?

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介绍一下最近和来自北大,北航,港大,国科大等学校的同学以及阿里, Microsoft, Humanify等研究机构呕心沥血的综述工作《Next Token Prediction Towards Multimodal Intelligence: A Comprehensive Survey》

** 完整论文: https://arxiv.org/abs/2412.18619**

** Github: https://github.com/LMM101/Awesome-Multimodal-Next-Token-Prediction**

## 简介

过去一两年时间里,多模态(Multimodal)领域涌现了大量基于Next Token Prediction(NTP)的模型,以下简称为MMNTP,这些模型在多模态理解与生成任务上取得了显著的进展。以图片模态举例,有以LLaVA, QwenVL为代表的图片理解模型,也有以Unified-IO系列,Chameleon,VAR为代表的基于离散Token的图片生成模型以及融合NTP和Diffusion架构的Transfusion,MAR等模型。音频部分则有Moshi为代表的基于NTP的音频理解和生成模型。

本文采用全新的自下而上视角,从NTP范式的构建出发,全面探讨了以下几个核心方面:

- 多模态的Tokenization技术

- MMNTP模型架构设计

- 训练方法与推理策略

- 性能评测体系

- 现存挑战与未来方向

综述的完整目录如下:

## 多模态的Tokenization

我们认为多模态的Tokenization是MMNTP的基石和最重要的部分,它将各种模态的信息(如图像、视频和音频片段)分解为最小的单元序列(Token),以便Transformer结构为基础的NTP模型学习。Tokenization方法可以分为离散(Discrete Tokenization)和连续(Continuous Tokenization)两种。离散标记化通过量化将原始信息映射到有限的离散空间,而连续标记化则不涉及量化,保留了数据的连续性质。下面的图给出了两种方式的示意图。

### Tokenizer训练方法

本节针对图片,视频,音频领域的Tokenization训练方法进行了详细的梳理和比较。首先总结了几种常见的训练方法,例如对比学习,自编码器等,以及这些方法在不同模态上的应用与针对不同模态特点的改进,并按照不同的训练方法归纳整理了不同类型的Tokenizers,如下表所示:

我们以表示能力(representation)和重建能力(reconstruction)为基点,重点讨论了Tokenizers在训练时存在的挑战,例如离散型编码器存在的编码表塌陷,信息损失的问题以及一些改进措施例如FSQ,LFQ等方案,以及以CLIP为代表的连续型编码器中主要存在的语义对齐,编码效率,以及对于不同模态的数据,大家提出了哪些针对性的改进措施。

## MMNTP模型

如上图所示,我们将MMNTP模型进一步分为两类,组合式(Compositional)和统一(Unified)式。组合模型依赖于强大的外部编码器例如CLIP和解码器例如SD3来理解和生成多模态信息,而统一模型则使用轻量级的编码器和解码器例如VQVAE,将大部分理解和生成任务交给骨干模型。本文对这两种模型结构进行了详细讨论,并比较了它们的优缺点。

对于不同的多模态任务来说,MMNTP模型可以以一种统一的方式处理不同任务,区别之处在于不同任务的输入输出不同。上图以图片模态为例子,列出来了同一个MMNTP模型结构如何进行图片理解例如VQA,图片生成,以及基于文字指令的图片编辑任务。只需要替换输入输出的组合形式,同一个模型架构就可以完成不同的任务,这体现了MMNTP模型在多模态任务上的统一性。本文针对图片,视频,音频模态的MMNTP模型进行了详细的讨论,并根据结构类型进行了梳理,如下表所示。

## 训练范式

### 训练任务的类型

一旦将不同模态的内容转化为序列化的标Tokens,就可以使用统一的骨MMNTP模型来训练,以解决各种理解和生成任务。本文将训练任务按照生成的Token类型不同分为两类,离散Token预测和连续Token预测。二者的区别在于预测的token是离散的还是连续的,这会对应不同的训练任务,以及特殊的输出头的结构。例如多模态理解任务往往以语言作为输出,则需要使用语言模型头作为输出头,进行离散Token预测。如果将Diffusion模型和NTP模型结合,则需要使用Diffusion模型头作为输出头,进行连续Token预测。

### 训练阶段

和语言模型类似,MMNTP模型的训练也可以分为三个阶段,如上图所示,分别是模态对齐预训练,指令微调和偏好学习。这里的预训练阶段,通常指的是在多模态数据-文本对数据上进行预训练,以将不同模态的信息对齐到语言空间。指令微调阶段是针对不同的下游任务,例如理解和生成类任务,用标注好的数据进行训练。偏好学习在MMNTP模型中的研究刚刚起步,主要将模型的输出和人类的偏好进行对齐。本文详细这三个阶段的相关研究工作,并根据任务类型进行了归纳整理。

### 测试时的Prompt工程

Prompt工程是提升LLM模型效果的重要手段,在MMNTP模型中,借助了LLM继基座模型的能力,Prompt工程同样重要。本文对MMNTP模型中的Prompt工程进行了详细的讨论,如上图所示,分为多模态的上下文学习(Multimodal In-Context Learning)和多模态思维链(Multimodal Chain-of-Thought)两种方法。

如上图所示,多模态的上下文学习指的是在输入中加入多模态任务的例子,以帮助模型更好地理解任务。多模态思维链则是指在输入中加入一些思维链的提示,例如“感知”,“推理过程”等,以促使模型更好地进行多模态推理。我们将这些方法进行整理,如下表所示。

## 训练数据集与性能评测

在综述中,我们还对MMNTP模型的训练数据集进行了详细的讨论,包括数据集的构建,数据集的规模,以及数据集的多样性。同时,我们也比较了NTP模型和非NTP模型在多模态任务上的表现,如上图所示,在大规模理解任务例如VQAv2,MMMU上,NTP模型表现全面优于非NTP模型。在生成任务评测数据例如Imagenet,GenEval,我们观察到NTP模型在和纯Diffusion取得了不相上下的效果,甚至在某些任务上表现更好,这展示了NTP模型在统一不同多模态任务上的潜力。

## 存在的挑战

本文提出了四个目前尚未解决的挑战,主要源于MMNTP训练范式。这些挑战包括:

1. 如何更好地利用无监督的多模态数据来扩展MMNTP模型

2. 克服多模态干扰并增强协同作用

3. 提高MMNTP模型的训练和推理效率

4. 将MMNTP作为更广阔任务的通用接口。

这些挑战的解决对于MMNTP范式实现多模态智能的发展至关重要。

## 小结

本文从NTP范式的视角出发,全面梳理了多模态领域的最新进展。从Tokenization到模型架构,从训练范式到性能评测,我们希望这份工作能为研究者们提供一个清晰的研究全景图。

在2025年,随着MMNTP技术的不断发展,我们期待看到更多创新性的工作能够突破现有的挑战,推动多模态智能向前发展。

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