本研究首次系统性分析多模态大语言模型内部跨模态信息流动机制，通过注意力屏蔽方法发现视觉信息通过三阶段传播：低层整合全局视觉特征，中层提取问题相关视觉信息，高层进行最终预测。这一发现揭示了LLaVA系列模型中信息流动的一致模式，提升了MLLMs可解释性，为多模态交互建模提供新思路。
- 论文链接: https://arxiv.org/abs/2411.18620
简介
近年来，自回归多模态大语言模型（MLLMs）在视觉-语言任务中取得了显著进展。然而，尽管已有大量研究探讨了大语言模型（LLMs）在语言信息处理方面的能力，但MLLMs内部的跨模态信息交互机制仍然缺乏深入理解。本研究旨在填补这一空白，分析MLLMs在视觉问答（VQA）任务中的信息流动方式。
研究发现，MLLMs在融合视觉和语言信息时，存在两个主要阶段：
- 低层：模型首先将整个图像的全局视觉特征传播到语言问题的隐藏表示中。
- 中层：模型进一步提取图像中特定于问题的目标信息，并映射到对应的文本 token 位置。
- 高层：多模态融合后的信息传播到输入序列的最后位置，以进行最终预测。
实验表明，这一信息流动模式在多个 LLaVA 系列 MLLMs（包括 LLaVA-1.5-7b、LLaVA-1.5-13b、LLaVA-v1.6-Vicuna-7b 和 Llama3-LLaVA-NEXT-8b）中是一致的。这些发现有助于提高 MLLMs 的透明性，并为未来多模态信息处理研究提供新的方向。
研究动机
现状
- 多模态大语言模型（MLLMs）结合了强大的自回归大语言模型（LLMs）和视觉编码器（Vision Encoders），在视觉-语言任务上表现优异。
- 现有研究主要关注 LLMs 的信息存储、知识编辑、以及视觉信息的局部化等问题。
- 但对于视觉和语言信息如何在 MLLMs 内部交互以生成最终预测仍然缺乏系统性研究。
关键问题
- 视觉信息是如何在 MLLMs 内部融合到语言信息中的？
- 视觉信息是如何在不同层级进行传播和影响最终的预测？
- 语言和视觉信息分别如何贡献于最终答案的生成？
论文贡献
- 首次系统性研究 MLLMs 内部的跨模态信息流动，揭示视觉信息如何通过多个阶段传播并影响最终预测。
- 提出"两阶段融合+最终传播"的跨模态信息流动模式，并在多个 SOTA MLLMs 中验证其普遍性。
- 采用注意力屏蔽（Attention Knockout）方法，精确分析视觉信息在 MLLMs 不同层级的影响。
- 提升 MLLMs 的可解释性，为多模态交互建模提供新思路，促进更高效的模型设计。
模型结构
图1. 求解多模态任务时MLLM的内部机制的例证。从底层到顶层，该模型首先将整个图像的一般视觉信息传播到语言隐藏表示形式。接下来，将与回答问题相关的选定视觉信息转移到语言表示；最后，问题流的隐藏表示形式中的集成多模式信息，以促进最终预测。此外，答案最初是以小写形式生成的，然后转换为大写的第一个字母。
MLLMs 结构
图2 多模态大语言模型的典型体系结构。它由图像编码器和仅解码器的大型语言模型组成，其中多模特信息被集成。文中省略了视觉patch功能的投影矩阵。
MLLMs 由视觉编码器和自回归 Transformer 语言模型（LLM）组成：
视觉编码器（如 CLIP-ViT-L-336px）：将输入图像编码为视觉 token。
LLM（如 LLaMA3、Vicuna）：将视觉 token 作为文本输入的一部分，并生成最终答案。
注意力屏蔽（Attention Knockout）
通过屏蔽注意力连接，研究跨模态信息在不同层级的传播路径：
若或否则
其中， 代表视觉 token 位置， 代表语言 token 位置。
视觉信息传播路径分析
第一阶段（低层）：
- 视觉信息从图像 token 传播到语言 token，形成全局语义表示。
- 实验表明，在0-4 层屏蔽图像到语言的连接，会导致预测准确率下降 。
- 第二阶段（中层）：
- 进一步聚焦到与问题相关的视觉区域。
- 在10-15 层屏蔽相关图像区域到语言 token，准确率下降 。
- 第三阶段（高层）：
- 多模态信息整合后，传播到序列的最后位置以进行最终预测。
- 观察到模型先生成小写答案，再在最后几层转换为大写格式。
实验结果
实验集中于以下研究问题：
- 一般视觉信息如何与问题中的语言信息融合？
- 针对性视觉信息如何与语言信息整合？
- 输入的各个组成部分如何影响最终答案的预测？
主要实验结果
- 信息流动分析：
- 视觉信息主要在低层到中层传播，最终在高层进行答案生成。
- 低层整合全局视觉信息，中层提取特定目标信息。
- 模型性能分析：
- LLaVA-1.5-13b、LLaVA-1.5-7b、LLaVA-v1.6-Vicuna-7b、Llama3-LLaVA-NEXT-8b 均表现出相似的信息流动模式。
- 采用高分辨率输入（如 LLaVA-v1.6）能增强视觉信息传播效果。
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