干货长文:一文读懂13个VLM的核心技术脉络
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Rocky最新撰写的10万字AI Agent(AI智能体)深入浅出全维度解析文章:深入浅出完整解析AI Agent(AI智能体)的核心基础知识
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大家好,我是Rocky。
核心导读:理解 VLM,先看监督目标与输出空间
同样输入一张图片和一句话,不同视觉语言模型可能返回完全不同的东西:一个相似度、一段解释、若干坐标,或者一张像素掩码。这些输出并非产品界面上的小差异,它们决定了模型需要保留什么信息、训练时接受什么监督,以及最后能进入哪一种业务流程。
CLIP、BLIP、Flamingo、BLIP-2、LLaVA、InternVL、Qwen-VL、Qwen2.5-VL、Qwen3-VL、Qwen3-VL-Seg、LocateAnything、Grounding DINO 和 SAM 3,共同构成了一条重要的技术演进脉络。但如果仅把它们按时间排成名单,或严格分成“生成式”和“判别式”两列,就容易混淆基础表征、语言生成与空间预测之间的关系。
Rocky认为,VLM 的核心进展,是让语言语义越来越直接地约束视觉证据,同时让视觉证据以更精细的形式进入推理与执行。学习这些模型,应当反复追问三个问题:训练目标在奖励什么,视觉与语言在哪里交互,输出是否达到任务所需要的空间精度。
这里讨论初代论文或明确命名的模型版本。一个系列后续加入的新组件,不能倒推成初代模型的设计;参数规模、推理配置和评测条件不同,也不能直接用分数排列“技术先进性”。
一、用三条轴重新理解这 13 个模型
第一条轴是训练目标。图文对比学习奖励匹配样本在表示空间中接近;语言生成训练奖励正确答案 token 的概率;检测和分割训练则直接约束对象位置、类别或区域范围。一个模型可以同时接受多种目标,因此这些类别并不互斥。
第二条轴是交互位置。图像和文本可以分别编码后只比较最终向量,也可以通过查询压缩、跨层交叉注意力、前缀 token 或多层特征注入进行融合。交互方式决定了模型如何利用细节,也决定了计算成本与信息瓶颈。
第三条轴是输出表示。自然语言适合表达开放语义;坐标适合定位;像素掩码适合边界选择;视频轨迹还需要跨帧关联。它们之间可以连接,但不能简单等同。
图 1:本文建立的架构坐标系。CLIP 是对比学习双编码器;BLIP 同时包含理解与生成目标;Qwen3-VL-Seg 和 LocateAnything 则说明,语言模型路线也可以专门优化空间输出。
| 模型 | 核心交互或训练设计 | 主要研究问题 |
|---|---|---|
| CLIP | 双编码器与图文对比学习 | 如何用自然语言监督获得可迁移视觉表征 |
| BLIP | MED、多目标训练与 CapFilt | 如何联合理解、生成并改善图文数据 |
| Flamingo | Perceiver Resampler 与门控交叉注意力 | 如何连接冻结模型并支持交错图文少样本学习 |
| BLIP-2 | Q-Former 与两阶段预训练 | 如何用少量查询桥接冻结视觉和语言模型 |
| LLaVA | 视觉投影与视觉指令微调 | 如何让已有视觉表征服务开放对话指令 |
| InternVL | 大视觉骨干、QLLaMA 与渐进对齐 | 视觉侧容量与语言侧能力怎样共同扩展 |
| Qwen-VL | 位置感知适配器与多任务训练 | 如何支持 OCR、定位和多图理解 |
| Qwen2.5-VL | 动态分辨率、窗口注意力与绝对时间编码 | 如何处理文档细节和不同帧率的视频 |
| Qwen3-VL | DeepStack、交错 MRoPE 与文本时间戳 | 如何改善多层视觉融合和长上下文理解 |
| Qwen3-VL-Seg | 框引导的轻量掩码解码 | 如何把语言定位能力扩展为像素分割 |
| LocateAnything | 框块并行解码与定位数据训练 | 如何提高密集结构化定位的生成效率 |
| Grounding DINO | 文本条件查询与多阶段跨模态融合 | 如何进行开放词汇目标检测 |
| SAM 3 | 概念提示、检测器与跟踪器 | 如何统一概念分割与视频中的实例传播 |
二、CLIP 与 BLIP:先建立对齐,再处理数据质量
1. CLIP:相似度接口打开了开放词表迁移
CLIP 将图像与文本分别送入编码器,再投影到共同空间。训练时,一个 batch 的图像与文本形成两两相似度矩阵,真实配对是正例,其他配对构成对比候选。优化同时包含图到文和文到图两个方向。
令归一化图像向量为v i v_ivi,文本向量为t j t_jtj,温度为τ \tauτ,图到文方向可以写成:
L I → T = − 1 N ∑ i = 1 N log exp ( v i ⊤ t i / τ ) ∑ j = 1 N exp ( v i ⊤ t j / τ ) . \mathcal L_{I\to T}=-\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}\log\frac{\exp(v_i^\top t_i/\tau)}{\sum_{j=1}^{N}\exp(v_i^\top t_j/\tau)}.LI→T=−N1i=1∑Nlog∑j=1Nexp(vi⊤tj/τ)exp(vi⊤ti/τ).
对称项将图文角色交换。推理时,可以把候选类别写成文本提示,比较图像向量与这些文本向量的相似度;也可以建立向量索引进行图文检索。候选集合在一次推理中是有限的,但它不必固定为训练时的标签集合,这正是开放词表迁移的意义。
CLIP 本身不自回归生成答案,所以不能直接归为生成式 VLM。官方实现的文本上下文长度为 77,包含特殊 token;不宜把这个值写成不带说明的 76。其互联网图文监督降低了对固定类别人工标签的依赖,却不意味着训练过程完全没有人类贡献的数据或人工整理。
全局向量相似度也不是逐区域证据约束。模型能够判断一张图与“桌上有红杯子”较匹配,未必能可靠输出杯子的边界、准确计数或区分复杂关系。因此,CLIP 是很有价值的表征基础,却不能用检索能力代替精细空间理解。
2. BLIP:数据生成与过滤进入训练闭环
BLIP 的 MED 架构在单模态编码、图像条件文本编码和图像条件文本解码之间切换,联合使用图文对比、图文匹配与语言建模目标。对比目标建立整体对齐,匹配目标进一步判断图文是否对应,生成目标学习根据视觉信息写出文本。
CapFilt 则针对互联网文本与图片不完全匹配的问题:captioner 生成候选描述,filter 检查原有文本与合成文本,留下更有用的图文对,再用改善后的数据训练模型。生成与过滤模块承担不同职责,有助于控制噪声和描述覆盖。
这一思路对今天仍然有启发:训练数据的质量取决于监督是否覆盖真实视觉内容,而不仅是文本是否通顺。合成描述可以补充信息,也可能引入对象、数量或属性幻觉。过滤器必须在独立样本上评估,不能把自动筛选后的数据直接称为无噪声真值。
三、Flamingo、BLIP-2 与 LLaVA:桥接设计和数据范式相互影响
图 2:代表性跨模态交互方式。查询压缩、跨层注入和输入投影解决不同问题,连接器的复杂程度不能单独决定最终性能。
3. Flamingo:让冻结模型学会读交错图文上下文
Flamingo 使用冻结视觉编码器与冻结语言模型,中间通过 Perceiver Resampler 将可变长度视觉特征变为固定数量的视觉 token,再在语言模型层间插入可训练的门控交叉注意力模块。门控从较温和的状态开始,让新视觉路径逐步进入已有语言计算。
其关键不仅是“冻结两个大模型”,还包括训练数据的交错形式。网页中的图像与文本具有连续上下文关系,模型通过这类序列学习在推理时利用给定示例。一个用户可以在提示中先给出若干图像与答案,再提供新图像,完成不更新权重的少样本适配。
固定视觉 token 数量降低了跨模态交互开销,也形成压缩瓶颈。交错示例越多,输入和注意力开销仍会上升。视觉冻结又限制了针对新任务重塑底层特征的空间。因此,Flamingo 证明了强模块复用与交错训练的可行性,不能概括成“冻结模型就不丢细节、成本恒定”。
4. BLIP-2:Q-Former 先学提取,再学交给语言模型
BLIP-2 同样复用冻结视觉编码器和冻结大语言模型,但将主要桥接工作交给 Q-Former。可学习查询通过交叉注意力读取图像特征,再输出紧凑的视觉表示。
两阶段预训练对应两种适配:第一阶段让查询表征在图文对比、匹配与图像条件生成中学习提取有语言意义的信息;第二阶段把这些查询投影为语言模型可以消费的视觉前缀,训练视觉到语言的生成路径。
查询压缩是一种任务相关的信息选择机制。它避免让全部图像 patch 都进入语言模型,却也可能在密集 OCR、多个小目标或高空间精度任务中成为瓶颈。不能仅依据桥接参数少,就推导完整推理服务一定比另一种架构更快;视觉编码、语言解码、输入长度和 batch 配置都需要共同计量。
5. LLaVA:视觉指令数据决定模型怎样使用图像
初代 LLaVA 将 CLIP ViT 的视觉网格特征经过线性投影,接入 Vicuna。第一阶段冻结视觉与语言模型,训练投影以完成特征对齐;第二阶段保持视觉编码器冻结,更新连接层与语言模型,学习视觉指令响应。
它利用图像描述和目标框等符号信息,让纯文本 GPT-4 合成对话、细节描述与复杂推理指令。这里并不是 GPT-4 在该数据构建流程中直接看图,而是依据已有图像标注生成训练问题与回答。标注能覆盖什么,便会影响合成指令能够可靠表达什么。
LLaVA 的意义在于展示了视觉指令微调的价值:已有视觉表示与语言能力结合后,还需要教会模型如何响应用户的视觉意图。简单连接器为数据迭代提供了清晰的实验基础。不过,“线性层足够取得有效结果”不意味着线性连接在所有任务中都最优,也不意味着后续版本都沿用初代配置。
四、InternVL:视觉侧容量成为独立研究变量
6. InternVL:不要只扩展语言模型
初代 InternVL 将视觉骨干扩展为 InternViT-6B,并通过从语言模型初始化的 QLLaMA 中间件逐步对齐视觉与语言。其训练先建立大规模图文对比表征,再引入生成式对齐,最终接入语言解码器进行多模态指令学习。
这一选择把一个问题摆到台面上:当语言模型越来越强时,视觉编码器是否已经成为感知瓶颈?如果文本解码器只看到了缺少小字、局部关系或细粒度属性的特征,继续增加语言推理未必能恢复已经丢失的信息。
但视觉模型变大,也会增加图像编码的计算、显存和训练门槛。对于高频在线任务,视觉编码成本可能占据相当比例。初代 InternVL 的组件与后续 InternVL 系列的动态高分辨率、连接方式和训练策略不能混写,应根据具体版本确认。
更可迁移的结论是:多模态系统至少存在视觉表征、跨模态接口和语言计算三个容量瓶颈。评估扩展方向时,可以固定其他部分,观察增加视觉分辨率、视觉容量或语言容量分别改善了哪些错误,而不是默认大语言模型规模就是唯一决定因素。
五、Qwen-VL 三代:从细节感知到长时间跨度
7. Qwen-VL:空间信息进入适配器与训练任务
初代 Qwen-VL 使用位置感知的视觉语言适配器,通过可学习查询与交叉注意力压缩视觉特征,并保留二维位置信息。训练采用图文预训练、多任务预训练与指令微调,逐步加入 OCR、定位、视觉问答和多图交互。
与只要求生成整体描述相比,OCR 和定位监督要求模型关注更局部的视觉证据。较高输入分辨率能够保留更多细节,位置编码与框输出则为“语言提到的对象究竟在哪里”提供了学习路径。
这仍然受到缩放和查询压缩的限制。一张报表如果被缩小到无法辨认小数点,文本模型可能给出合理但错误的数值。工程中应区分视觉采样不足与推理错误,必要时采用区域裁剪、重新读取或专门的文档流水线,而不是仅增加回答长度。
8. Qwen2.5-VL:动态分辨率与绝对时间各解决一类失真
Qwen2.5-VL 的视觉编码器处理动态分辨率,使用窗口注意力降低大部分视觉层的计算开销,同时保留少量全局注意力层。对于固定窗口大小,局部注意力部分随 patch 数量近似线性增长;由于仍有全局层,不能把整个模型复杂度都写成线性。
动态分辨率让模型根据输入形状与像素预算保留更合适的视觉信息,减少统一方形裁剪对文档和极端宽高比图像的破坏。但“原生动态分辨率”不等于无限制处理原始像素,推理时仍需明确 min/max pixels、视觉 token 数和显存预算。
视频的另一个问题是时间。相同的帧序号,在不同采样率下对应不同物理时间。Qwen2.5-VL 将 MRoPE 时间分量与绝对时间对齐,并用动态 FPS 训练,使模型更好地区分事件顺序、时长和发生位置。它改善了时间表示,仍不能弥补没有采到的瞬间事件。
因此,视频评测应同时记录采样帧率、总帧数、输入 token 数、是否提供字幕和定位误差。只说“支持一小时视频”,不足以说明模型是否能找出某个只出现几帧的小动作。
9. Qwen3-VL:多层视觉融合与更明确的时间接口
Qwen3-VL 进一步引入 DeepStack,将视觉编码器多个层级的特征注入语言模型的较早层,以利用不同抽象层次的视觉信息;交错 MRoPE 更均衡地分配时间与空间维度的频率;视频输入还通过显式文本时间戳建立更直接的事件时间关联。
这些变化各自对应一个信息问题:只取最后一层可能损失局部细节,位置维度分配影响长序列建模,而帧序号与真实时间之间需要稳定联系。它们并不自动保证模型在所有分辨率、全部长度和每个空间任务上都可靠。
官方将 256K 列为原生上下文,并给出使用 YaRN 向 1M 扩展的配置。因此,原生 256K、外推到 1M,以及能否在长视频里稳定检索特定事件,是三个不同问题。不能用“超长视频依赖外推”否认原生 256K,也不能用配置文件允许的长度证明所有长上下文任务已经通过验证。
同样,Thinking 与非 Thinking 版本、稠密与 MoE 版本、不同规模和量化方式应独立评估。没有任务、版本和运行条件支撑的“量化后格式全部崩溃”“中文文档落后一倍”等结论,不适合当成系列模型的统一能力描述。
六、Grounding DINO 与 SAM 3:让语言直接选择空间对象
图 3:同一目标可以用语言、框或掩码表达。视觉任务需要什么输出,就应采用相应监督和验收指标;从位置预测到执行动作,还需要额外的坐标映射与状态验证。
10. Grounding DINO:文本条件进入检测的多个环节
Grounding DINO 将 DINO 检测器与语言监督结合,在特征增强、语言引导查询选择和跨模态解码等阶段融入文本信息。给定类别或短语,模型在图像中产生相应目标框,而不是仅从固定训练类别中分类。
这里的语言作用主要是指定检测对象。它不需要先写一段长答案再解析坐标,因此天然契合批量框预测。官方报告的 COCO 零样本 52.5 AP 对应其特定模型与评测设置,不能直接与任意 VLM 的 RefCOCO 准确率比较,两个指标衡量的任务并不相同。
开放词汇也不意味着无限语义可靠。复杂关系表达、罕见对象、遮挡和同类密集目标,仍可能导致漏检或选错对象。将 Grounding DINO 接到分割模型后,要分别检查检测框是否选对对象、分割头是否恢复正确边界,避免只看最终可视化。
11. SAM 3:概念级分割与视频实例传播
SAM 3 把文本概念、视觉示例和几何提示纳入可提示分割,能够检测、分割并跟踪指定概念的实例。它包含共享视觉编码器的检测器与跟踪器;检测器以文本、几何和图像示例为条件,跟踪器延续 SAM 2 风格的编码解码与视频传播能力。
相较于围绕一个给定点或框恢复掩码,概念提示需要模型先识别有哪些实例属于目标,再为这些实例恢复像素区域。presence token 用于改善概念是否出现及相关判别,检测与跟踪解耦则有助于减少任务干扰。
分析时应区分单图和视频路径。静态图像概念分割并不需要完整的跨帧记忆链路,不能把视频 memory bank 的全部流程机械套入每一次图像推理。反过来,单帧掩码质量高,也不能保证视频中长期遮挡、目标再出现或身份保持都正确。
SAM 3 提供的是强空间预测接口。遇到“找出能用来完成某种复杂目的的物体”这类依赖长链语义的指令时,仍应检验概念分割与专门指令式 VLM 的差异,而不能因为两者都支持文本输入就认定功能等价。
七、Qwen3-VL-Seg 与 LocateAnything:语言模型开始适应空间输出
12. Qwen3-VL-Seg:把框变成掩码解码的先验
Qwen3-VL-Seg 利用 MLLM 已有的框定位能力,将预测框作为结构先验,结合指令语义与视觉特征生成掩码。新增的 Box-Guided Mask Decoder 约 17M 参数,约占所用 4B 基座的 0.4%,包括多尺度特征注入、空间语义查询、框引导高分辨率融合和迭代掩码细化。
其高分辨率路径还利用浅层 CNN 细节,因此“不依赖外部 SAM”不等于“不增加任何图像处理分支”。准确的理解是:它避免耦合一个额外的大型分割基础模型,用相对轻量的组件复用 MLLM 定位与表征。
数据上,SA1B-ORS 将 SA-1B 的无语言掩码转为两类监督:类别导向的 SA1B-CoRS 约 105 万条,描述导向的 SA1B-DeRS 约 194 万条。前者可包含同类多个实例,后者强调通过属性与关系选中特定实例。它们对应不同语言表达要求,不能仅用总量概括数据价值。
训练先强化分割相关能力,再混入通用多模态数据恢复能力平衡。因为框参与掩码解码,评估应同时测试真实预测框和理想框,观察错误究竟来自对象选择还是边界恢复。小目标、无目标、相邻同类实例和域外图像,也应单独检查。
13. LocateAnything:以框为单位提高生成效率
通用语言模型若用多个文本 token 表示每个坐标,密集场景中的定位会产生很长输出。LocateAnything 将空间结果组织成结构化 block,通过 Parallel Box Decoding 并行预测一个框块的内容,联合训练 next-token prediction 与 multi-token prediction。
官方 3B 版本使用 MoonViT 视觉编码器、Qwen2.5-3B-Instruct 语言模型和 MLP 投影。训练数据规模为约 1,200 万图像、1.38 亿以上查询与 7.85 亿框,覆盖多种视觉定位任务。这些是图像、查询、框三个层级的计数,不能相加为“训练样本总数”。
推理支持 Slow、Fast 与 Hybrid:Slow 按自回归方式生成,Fast 使用并行块预测,Hybrid 在检测到格式异常或空间歧义时回退到自回归。这里的研究问题是如何在结构化输出的效率与可靠性之间切换;平均吞吐提高,并不意味着每个困难样本都获得同样加速。
官方效率口径使用单张 H100、batch size 1 的 boxes per second。评估时还需记录每图对象数、回退比例、漏检和误检;更多框并不天然代表更好的检测。当前公开权重采用 NVIDIA 的非商业研究许可,不能因为可下载就假设可以直接用于商业服务。
八、这些路线为什么会接近,又为什么不会完全合并
语言生成路线提供了强开放语义和指令理解,但细粒度边界与密集输出需要额外设计。检测分割路线擅长结构化空间预测,却需要更好的语言接口来处理复杂指代。Qwen3-VL-Seg 与 LocateAnything 正是在输出端补足语言模型路线的空间能力,Grounding DINO 与 SAM 3 则在空间模型中加强语言条件。
它们的接近,不意味着所有任务最终都应由同一张计算图处理。固定目标检测、实时工业相机、高精度图像编辑和长视频问答,对延迟、输出密度和错误类型的要求不同。一个成熟产品可能使用通用 VLM 理解请求,再通过专门空间模块完成定位或分割;也可能在单个模型中联合学习这些能力。
更关键的是监督是否真正作用于共享表征。如果分割头只调用完全独立的外部编码器,掩码质量提升未必会改善语言模型的细粒度感知;如果像素监督直接进入共享视觉特征,则有可能改变问答与推理所使用的证据。两种设计都可以成立,但需要相应消融实验区分收益来源。
九、如何为真实任务选择 VLM
先定义输出,再选择候选模型。图文检索主要关心向量空间与召回;文档问答需要小字读取、版面和结构;GUI 操作需要精确坐标以及动作后状态;交互式图像编辑需要可靠目标选择与像素边界;视频任务还要考虑采样、时间定位与实例一致性。
评测时至少固定输入像素预算、提示格式、模型版本、精度、推理长度和硬件。对定位模型,还要固定坐标协议:归一化到 0—1000、原图像素坐标、缩放后像素坐标,是不同表示。坐标解释错误会把一个正常预测变成严重偏移,不能将接口错误误判为模型能力不足。
指标也要与任务匹配。分类与检索使用准确率、Recall@K 等;生成问答关注答案正确性与证据支持;检测关注精确率、召回率及 IoU 阈值;掩码分割需要看区域重合与边界;交互系统最终应测量闭环完成率,而不只检查第一次点击的位置。
错误分析应沿链路进行:是否看到了足够像素,是否选对目标,是否生成了正确结构,后处理是否解释正确,执行后是否达到目标。这样才能知道该提高分辨率、补充数据、改变输出头,还是修复工具接口。
十、值得持续投入的研究问题
一是视觉 token 的分配。对整页文档均匀提高分辨率,可能大量计算落在空白处;任务相关裁剪和自适应采样可以提高效率,但又可能漏掉初始阶段没有被注意到的证据。如何用可验证的策略分配视觉计算,仍有很大空间。
二是语言语义与空间粒度的协同。类别、属性、关系、功能性描述对应不同的目标选择方式。训练集中“所有杯子”和“左边那个装水的杯子”需要不同的实例监督,否则模型可能语义听懂了,输出目标集合却不正确。
三是结构化输出与通用能力的平衡。定位和分割适配可能改善空间任务,也可能影响 OCR、知识问答或推理。应同时报告专用能力增益与通用能力变化,并研究数据配比、共享层和训练阶段的影响。
Rocky认为,VLM 的跨周期能力,是把语言意图与可验证视觉证据联系起来。从 CLIP 的相似度,到 LLaVA 的视觉指令,再到框、掩码和视频轨迹,输出正在变得越来越具体。研究者需要解释监督如何塑造表征,工程师需要证明输出如何进入可靠流程;这比记住一份不断增长的模型名单更有价值。
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