一文了解VLM

VLM
LLM
Published

January 1, 2026

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VLM（Vision-Language Model）: 视觉语言大模型

参考资料

一文了解 VLM

视觉语言模型（Vision-Language Model，VLM）是人工智能领域最激动人心的进展之一。它让机器能够同时”看懂”图像和”理解”语言，开启了人机交互的全新范式。本文将带你从零开始，全面了解 VLM 的原理、发展与未来。

一、什么是视觉语言模型？

1.1 通俗理解：给 AI 装上”眼睛”

想象一下，如果你能和一台机器这样对话：

你：“请描述这张图片里有什么？”
AI：“图中有一只金毛犬在草地上奔跑，背景是蓝天白云，远处还有几棵树。”

或者更复杂一点：

你：“这张图表显示了什么趋势？”
AI：“这张柱状图显示了 2020-2024 年公司营收的逐年增长趋势，其中 2023 年增长率最高，达到 35%。”

这就是视觉语言模型（VLM）的能力——它能够同时处理视觉信息（图像、视频）和语言信息（文本），并在两者之间建立联系。

根据 IBM 的定义，视觉语言模型是将计算机视觉（CV）与自然语言处理（NLP）功能融合到统一系统中的多模态模型。简单来说，VLM = 视觉理解 + 语言理解。

1.2 技术定义：多模态 AI 的集大成者

从技术角度看，VLM（也常被称为 Large Vision-Language Models，LVLMs）通常由三个核心组件构成：

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三个核心组件的作用：

  1. 视觉编码器（Visual Encoder）：负责从图像中提取视觉特征。通常使用 Vision Transformer（ViT）架构，如 CLIP-ViT、EVA-CLIP 等。它将输入的图像转换为模型可以理解的”视觉 token”序列。

  2. 视觉-语言适配器（Vision-Language Adapter）：作为视觉和语言之间的”桥梁”，将视觉特征映射到大语言模型的嵌入空间。常见设计包括：

    • 单层线性投影（如 LLaVA）
    • 带非线性的 MLP（如 MiniGPT-4）
    • Q-Former 架构（如 BLIP-2）

  3. 大语言模型（LLM）：负责理解视觉和文本信息，并生成自然语言响应。通常使用预训练的大语言模型，如 LLaMA、Vicuna、Qwen 等。

1.3 VLM 与纯视觉模型、纯语言模型的区别

模型类型 输入 输出 典型任务 代表模型
纯视觉模型 图像 类别/检测框 图像分类、目标检测 ResNet、ViT、YOLO
纯语言模型 文本 文本 文本生成、问答 GPT、LLaMA、Qwen
视觉语言模型 图像+文本 文本 图像描述、视觉问答、图文检索 CLIP、BLIP、LLaVA

VLM 的核心优势在于跨模态理解能力：它不仅能识别图像中的物体，还能理解物体之间的关系、场景的语义信息，并用自然语言表达出来。

二、VLM 的发展历程：从萌芽到爆发

2.1 早期探索（2019-2020）：双塔结构的兴起

VLM 的发展可以追溯到 2019-2020 年，这一时期的研究主要采用双塔架构（Dual-stream Architecture），即分别用独立的编码器处理视觉和语言信息，然后在共享空间中对齐。

代表性工作：

  • ViLBERT（2019）：将 BERT 架构扩展到视觉-语言领域，采用双流架构分别处理图像和文本
  • VisualBERT（2020）：首个图像-文本预训练模型，使用 Faster R-CNN 提取视觉特征
  • UNITER（2020）：大规模视觉-语言预训练，在多个下游任务上取得 SOTA

这些早期模型的共同特点是： - 使用目标检测器（如 Faster R-CNN）提取区域特征 - 采用单流或双流 Transformer 进行跨模态融合 - 预训练任务主要包括掩码语言建模（MLM）和图像-文本匹配（ITM）

2.2 CLIP 时代（2021）：对比学习的革命

2021 年，OpenAI 发布了 CLIP（Contrastive Language-Image Pre-training），这是 VLM 发展史上的里程碑事件。

CLIP 的核心创新：

  1. 对比学习范式：通过最大化匹配图文对的相似度、最小化不匹配图文对的相似度来学习跨模态表示
  2. 双塔架构：图像编码器和文本编码器独立工作，输出映射到同一语义空间
  3. 大规模数据：使用 4 亿个互联网收集的图像-文本对进行训练

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CLIP 的革命性意义在于： - 零样本能力：无需微调即可应用于下游任务 - 开放词汇：不受预定义类别限制，可识别任意概念 - 强大的迁移能力：作为视觉编码器广泛应用于后续 VLM

同期，Google 发布了 ALIGN，采用类似的对比学习思路，但使用 18 亿个噪声更大的图文对进行训练，进一步验证了规模的重要性。

2.3 统一框架（2022）：理解与生成的一体化

2022 年，Salesforce 发布了 BLIP（Bootstrapping Language-Image Pre-training），提出了统一的视觉-语言理解与生成框架。

BLIP 的核心贡献：

  1. MED（Multimodal Mixture of Encoder-Decoder）架构：
    • 单模态编码器：分别编码图像和文本
    • 图像条件文本编码器：融合视觉信息进行理解
    • 图像条件文本解码器：生成图像描述
  2. CapFilt（Captioning and Filtering）：
    • 使用”生成器+过滤器”策略清洗网络数据
    • 生成器（Captioner）为网络图像生成合成描述
    • 过滤器（Filter）去除噪声描述

BLIP 在图像-文本检索、图像描述、视觉问答等任务上取得了 SOTA 性能，并展示了强大的零样本迁移能力。

2.4 大模型时代（2023）：LLM 赋能的视觉助手

2023 年是 VLM 的爆发之年，核心趋势是将预训练的大语言模型（LLM）与视觉能力相结合。

代表性模型：

模型 机构 核心特点 发布时间
BLIP-2 Salesforce 冻结视觉编码器和 LLM，使用 Q-Former 桥接 2023.01
LLaVA 威斯康星大学 视觉指令微调，端到端训练 2023.04
MiniGPT-4 KAUST 单投影层对齐，两阶段训练 2023.04
Qwen-VL 阿里巴巴 多语言、多图像、细粒度理解 2023.08

这一时期的共同特点：

  1. 冻结预训练模型：视觉编码器和 LLM 保持冻结，仅训练适配器，大幅降低训练成本
  2. 指令微调：使用指令数据对模型进行微调，提升指令跟随能力
  3. 端到端训练：从视觉输入直接生成文本输出，简化流程

以 LLaVA 为例，它首次将视觉指令微调（Visual Instruction Tuning）引入 VLM： - 使用 GPT-4 生成多模态指令跟随数据 - 将 CLIP 视觉编码器与 Vicuna LLM 连接 - 端到端微调，实现强大的多模态对话能力

BLIP-2 则提出了两阶段训练策略： - 第一阶段：使用冻结的视觉编码器训练 Q-Former 进行视觉-语言表示学习 - 第二阶段：将 Q-Former 连接到冻结的 LLM，进行视觉到语言的生成学习

2.5 最新进展（2024-2025）：多模态原生大模型

进入 2024-2025 年，VLM 朝着更大规模、更强能力、更多模态的方向发展。

主要趋势：

  1. 模型规模扩大：从 7B 参数扩展到 70B+ 参数
  2. 分辨率提升：支持更高分辨率输入（如 448×448、896×896）
  3. 多模态扩展：从图像-文本扩展到视频、音频等多模态
  4. 原生多模态架构：不再简单拼接单模态模型，而是从头设计多模态架构

以 Qwen2-VL 为例，它引入了： - 原生动态分辨率支持，可处理任意分辨率的图像 - 多模态旋转位置编码（M-RoPE），统一处理图像和视频 - 强大的文档理解和 OCR 能力

三、VLM 的核心技术原理

3.1 模型架构：单流 vs 双流

根据 VLP 综述，VLM 的架构可以从两个维度进行分类：

3.1.1 从多模态融合角度：单流 vs 双流

单流架构（Single-stream）： - 将视觉特征和文本特征拼接后输入单个 Transformer - 使用统一的自注意力机制进行融合 - 参数效率更高，但模态间干扰较大 - 代表：VisualBERT、UNITER

双流架构（Dual-stream）： - 视觉和文本分别输入独立的 Transformer - 通过交叉注意力（Cross-Attention）实现跨模态交互 - 模态内信息保留更好，但参数量更大 - 代表：CLIP、BLIP-2

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3.1.2 从整体设计角度：Encoder-only vs Encoder-Decoder

Encoder-only： - 仅使用编码器提取跨模态表示 - 适用于理解任务（如图文检索、视觉问答） - 代表：CLIP、ALBEF

Encoder-Decoder： - 编码器提取特征，解码器生成文本 - 适用于生成任务（如图像描述） - 代表：BLIP、OFA

3.2 预训练目标

VLM 的预训练目标是学习视觉和语言之间的语义对应关系。根据 VLP 综述，主要预训练目标可以分为四类：

3.2.1 补全类（Completion）

掩码语言建模（MLM）： - 随机掩码文本中的部分 token，让模型根据视觉信息和上下文预测 - 公式：\(\mathcal{L}_{MLM} = -\mathbb{E}_{(v,w)\sim D} \log P(w_m|w_{\setminus m}, v)\) - 应用：VisualBERT、UNITER

掩码视觉建模（MVM）： - 随机掩码部分图像区域，让模型根据文本和其他视觉信息预测 - 变体：掩码特征回归、掩码特征分类 - 应用：UNITER、OSCAR

3.2.2 匹配类（Matching）

图像-文本对比学习（ITC）： - 拉近匹配图文对的特征距离，推远不匹配图文对 - 使用 InfoNCE 损失函数 - 公式：\(\mathcal{L}_{ITC} = -\frac{1}{2}\mathbb{E}_{(I,T)\sim D}[CE(y^{v2t}, p^{v2t}(I)) + CE(y^{t2v}, p^{t2v}(T))]\) - 应用：CLIP、ALBEF、BLIP

图像-文本匹配（ITM）： - 二分类任务，判断图文对是否匹配 - 使用难负样本挖掘策略 - 应用：ALBEF、BLIP

3.2.3 时序类（Temporal）

帧序建模（FOM）： - 打乱视频帧顺序，让模型预测正确顺序 - 用于视频-语言预训练 - 应用：VideoBERT

3.2.4 特定类型

视觉问答（VQA）： - 将 VQA 作为预训练任务 - 分类或生成式答案预测

视觉描述（VC）： - 自回归生成图像描述 - 使用语言建模损失

3.3 视觉特征提取的演进

VLM 中视觉特征提取方式经历了三代演进：

3.3.1 第一代：基于目标检测的区域特征（OD-RFs）

  • 使用预训练的目标检测器（如 Faster R-CNN）提取区域特征
  • 每个区域特征为 2048 维向量，附带边界框坐标
  • 优点：语义明确，包含物体级信息
  • 缺点：计算开销大，只能提取有限数量的区域
  • 代表：VisualBERT、UNITER、OSCAR

3.3.2 第二代：基于 CNN 的网格特征（CNN-GFs）

  • 使用 CNN（如 ResNet）提取网格特征
  • 可以端到端训练
  • 优点：计算效率更高
  • 缺点：语义信息不如区域特征明确
  • 代表：PixelBERT

3.3.3 第三代：基于 ViT 的 Patch 特征（ViT-PFs）

  • 使用 Vision Transformer 将图像分割为 patch 序列
  • 每个 patch 作为一个 token
  • 优点：与 NLP 的 token 形式统一，便于跨模态融合
  • 代表：CLIP、BLIP、LLaVA

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3.4 训练策略：两阶段 vs 三阶段

现代 VLM 通常采用多阶段训练策略：

3.4.1 两阶段训练（以 BLIP-2 为例）

第一阶段：视觉-语言表示学习 - 冻结视觉编码器 - 训练 Q-Former 提取与文本最相关的视觉特征 - 使用 ITC、ITM、ITG 三个目标

第二阶段：视觉到语言生成学习 - 将 Q-Former 连接到冻结的 LLM - 训练 Q-Former 使输出可被 LLM 理解 - 使用语言建模损失

3.4.2 三阶段训练（以 Qwen-VL 为例）

第一阶段：预训练 - 冻结 LLM，训练视觉编码器和适配器 - 使用大规模图文对数据（14 亿对） - 低分辨率输入（224×224）

第二阶段：多任务预训练 - 解锁 LLM，端到端训练 - 引入高质量细粒度数据（VQA、OCR、Grounding 等） - 高分辨率输入（448×448）

第三阶段：监督微调 - 冻结视觉编码器，微调 LLM 和适配器 - 使用指令跟随数据 - 增强对话能力和指令理解能力

四、主流 VLM 模型详解

4.1 CLIP：跨模态对比学习的开创者

基本信息： - 发布时间：2021 年 2 月 - 机构：OpenAI - 参数量：约 4 亿参数（最大版本） - 训练数据：4 亿图文对

核心架构：

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# CLIP 伪代码
image_features = image_encoder(images)  # ViT 或 ResNet
text_features = text_encoder(texts)      # Transformer

# 归一化
image_features = normalize(image_features)
text_features = normalize(text_features)

# 计算相似度
similarity = image_features @ text_features.T

# 对比损失
loss = cross_entropy_loss(similarity, labels)

主要能力： - 零样本图像分类 - 图像-文本检索 - 作为视觉编码器用于下游任务

局限性： - 仅支持理解任务，不支持生成任务 - 对细粒度视觉理解能力有限

4.2 BLIP/BLIP-2：统一理解与生成

4.2.1 BLIP

核心创新： - MED（多模态编解码混合）架构 - CapFilt 数据自举方法

CapFilt 流程：

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4.2.2 BLIP-2

核心创新： - Q-Former 架构：轻量级的查询 Transformer - 两阶段训练策略 - 可插拔的冻结模型设计

Q-Former 架构：

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性能表现： - 在 VQAv2 上超过 Flamingo-80B 8.7%，但可训练参数仅为其 1/54

4.3 LLaVA：视觉指令微调的先锋

基本信息： - 发布时间：2023 年 4 月 - 机构：威斯康星大学麦迪逊分校 - 核心思想：将指令微调从 NLP 扩展到视觉-语言领域

数据生成： - 使用 GPT-4 生成多模态指令跟随数据 - 三种类型：对话、详细描述、复杂推理 - 共 158K 样本

架构：

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两阶段训练：

  1. 特征对齐预训练：
    • 冻结视觉编码器和 LLM
    • 仅训练投影矩阵
    • 使用 595K 图文对
  2. 端到端微调：
    • 冻结视觉编码器
    • 微调投影层和 LLM
    • 使用 158K 指令数据

性能： - 在 Science QA 上与 GPT-4 结合达到 92.53% 准确率（SOTA）

4.4 MiniGPT-4：极简设计的强大能力

基本信息： - 发布时间：2023 年 4 月 - 机构：阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）

架构：

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核心发现： - 仅训练一个线性投影层即可有效对齐视觉和语言 - 训练仅需 4 张 A100 GPU，约 10 小时

两阶段训练：

  1. 第一阶段：使用大规模图文对（500 万对）进行预训练
  2. 第二阶段：使用 3500 个高质量详细描述进行微调

涌现能力： - 详细图像描述 - 网站代码生成 - 诗歌创作 - 食谱生成 - 幽默解释

4.5 Qwen-VL：多语言多图像的通用模型

基本信息： - 发布时间：2023 年 8 月 - 机构：阿里巴巴 - 基础模型：Qwen-7B

核心特点：

  1. 多语言支持：
    • 支持中英文双语
    • 训练数据中 77.3% 英文，22.7% 中文
  2. 多图像输入：
    • 支持任意交错的图文数据
    • 可比较、理解多张图像
  3. 细粒度理解：
    • 高分辨率输入（448×448）
    • 支持文本阅读（OCR）
    • 支持视觉定位（Grounding）

三阶段训练：

阶段 数据 训练策略 分辨率
预训练 14 亿图文对 冻结 LLM，训练视觉模块 224×224
多任务预训练 7 个任务（76.8M 样本） 端到端训练 448×448
监督微调 350K 指令数据 冻结视觉，微调 LLM 448×448

性能表现： - Flickr30K 图像描述：85.8 CIDEr（零样本 SOTA） - VQAv2：79.5% 准确率 - RefCOCO 定位：88.55% 准确率

五、VLM 的应用场景

5.1 图像描述与视觉问答

图像描述（Image Captioning）： - 为图像生成自然语言描述 - 应用：辅助视障人士、图像检索、内容审核

视觉问答（Visual Question Answering, VQA）： - 根据图像内容回答自然语言问题 - 应用：智能客服、教育辅助、医疗影像分析

5.2 图文检索

图像-文本检索： - 文本到图像检索：根据文本描述找到匹配图像 - 图像到文本检索：根据图像找到相关文本描述 - 应用：搜索引擎、电商平台、内容推荐

5.3 文档理解

OCR 与文档分析： - 文本阅读：识别图像中的文字内容 - 表格理解：解析表格结构和内容 - 图表分析：理解图表中的数据和趋势 - 应用：金融报告分析、合同审查、发票处理

5.4 视觉定位与指代表达

视觉定位（Visual Grounding）： - 根据文本描述定位图像中的物体 - 输出边界框坐标

指代表达理解（Referring Expression Comprehension）： - 理解如”左边的红衣服女孩”这样的描述 - 应用：机器人导航、图像编辑、交互式 AI

5.5 创意生成

图像到代码： - 将手绘草图转换为 HTML/CSS 代码 - 应用：前端开发、原型设计

图像到故事/诗歌： - 根据图像创作故事或诗歌 - 应用：内容创作、教育娱乐

六、幻觉问题：VLM 的阿喀琉斯之踵

6.1 什么是 VLM 幻觉？

根据《视觉语言大模型的幻觉综述》，VLM 幻觉是指模型生成的文本响应表现出对图像内容的错误感知。

幻觉示例：

图像内容 模型输出 问题
只有酸奶和草莓的冰箱 “有草莓味酸奶” 物体存在幻觉
限速 40km/h 的路牌 “限速 60km/h” 属性幻觉
猫在沙发上 “沙发上有一只狗” 物体识别错误

6.2 幻觉的分类

根据幻觉综述，VLM 幻觉可分为三类：

  1. 物体存在幻觉（Object Existence Hallucination）：
    • 描述图像中不存在的物体
    • 遗漏图像中存在的物体
  2. 物体属性幻觉（Object Attribute Hallucination）：
    • 错误描述物体的颜色、形状、材质等属性
  3. 物体关系幻觉（Object Relationship Hallucination）：
    • 错误描述物体之间的空间位置关系
    • 错误描述物体之间的交互关系

此外，研究还定义了其他类型的幻觉： - 多模态冲突幻觉：文本输入与视觉输入不匹配时引发的幻觉 - 反常识幻觉：图像中存在反常识元素时导致的幻觉 - 事件幻觉：基于错误感知创造出完全虚构的事件或情景 - 数字幻觉：未能准确识别图像中特定物体的数量

6.3 幻觉的成因

幻觉综述从四个维度分析了幻觉的成因：

6.3.1 训练数据相关

  1. 图像的文本描述不够细致：
    • 开源数据集中的文本描述较为粗糙
    • 无法充分覆盖图像内容
  2. 合成的指令微调数据存在噪声：
    • 使用 GPT-4 生成的指令数据可能包含幻觉元素
    • 研究显示 LLaVA 的 GPT-4 合成数据中约 32.6% 含有幻觉
  3. 数据中存在统计偏差：
    • 物体类别出现频率不均衡
    • 正向响应比例过高

6.3.2 训练任务相关

  • 单一的语言建模任务缺乏对模态间一致性的显式约束
  • 模型过于关注生成文本的流畅性，而忽略与视觉信息的一致性

6.3.3 视觉编码相关

  1. 细粒度视觉信息感知能力不足：
    • 输入分辨率通常低于 400 像素
    • 训练数据中的文本标注只能涵盖主要内容而非细节
  2. 视觉特征无法受到 LLM 的充分关注：
    • 视觉 token 在 LLM 中的平均注意力分数不足 20%
    • 随着生成进行，对视觉 token 的关注持续下降

6.3.4 文本生成相关

  1. LLM 的先验性知识偏差：
    • 模型倾向于依赖先验知识而非实际视觉证据
    • 即使输入噪声图像，仍可能输出高置信度答案
  2. 自回归解码中的偏差累积：
    • 早期生成的小错误会在后续生成中被放大
    • 幻觉频率随生成长度增加而升高
  3. 固有的采样随机性：
    • 采样过程可能导致模型偶尔输出概率较低的错误 token

6.4 幻觉的评估

幻觉评估基准包括：

基准 任务形式 评估指标 幻觉类型
CHAIR 图像描述 CHAIRi, CHAIRs 物体存在
POPE 视觉问答 准确率、F1 物体存在
MME 视觉问答 Accuracy+ 存在、属性
AMBER 描述+问答 准确率、精确率、召回率 存在、属性、关系
MMHAL-BENCH 描述+问答 GPT-4 评分 多种类型

6.5 幻觉的治理

幻觉综述从五个维度讨论了幻觉治理策略：

6.5.1 数据侧

  • 提升指令数据的多样性
  • 增强图像-文本关联度
  • 使用高质量的人工标注数据

6.5.2 视觉感知侧

  • 使用更高分辨率的视觉编码器
  • 集成多个视觉编码器
  • 增加视觉编码器的参数规模

6.5.3 训练策略侧

  • 引入新的监督信号
  • 使用强化学习
  • 增加任务信息

6.5.4 推理侧

  • 对比解码
  • 不确定性估计
  • 多步推理

6.5.5 事后修正侧

  • 使用外部知识验证
  • 自我修正机制
  • 人类反馈

七、VLM 的技术挑战与未来方向

7.1 当前挑战

7.1.1 幻觉问题

  • 如前所述，幻觉是限制 VLM 在高风险领域应用的主要因素
  • 需要更可靠的评估和治理方法

7.1.2 细粒度理解

  • 当前 VLM 对细节的理解能力仍有限
  • 高分辨率处理需要更多计算资源

7.1.3 多模态融合

  • 如何更好地融合视觉、语言、音频等多种模态
  • 如何处理模态间的信息冲突

7.1.4 计算效率

  • 大规模 VLM 的推理成本高昂
  • 需要更高效的模型压缩和加速技术

7.2 未来方向

7.2.1 原生多模态架构

  • 从头设计支持多模态的架构，而非简单拼接单模态模型
  • 统一处理文本、图像、视频、音频等多种模态

7.2.2 世界模型

  • 构建能够理解物理世界的 VLM
  • 支持因果推理和物理模拟

7.2.3 具身智能

  • 将 VLM 与机器人结合
  • 支持视觉导航、物体操作等任务

7.2.4 个性化与可解释性

  • 支持用户个性化的 VLM
  • 提供可解释的推理过程

八、总结

视觉语言模型（VLM）代表了人工智能领域的重要进展，它让机器能够同时”看懂”图像和”理解”语言，开启了人机交互的全新范式。

从发展历程看： - 从早期的双塔架构到 CLIP 的对比学习革命 - 从 BLIP 的统一框架到 LLM 赋能的视觉助手 - VLM 正在朝着更大规模、更强能力、更多模态的方向发展

从技术原理看： - VLM 的核心在于跨模态对齐和融合 - 预训练目标、模型架构、训练策略都在不断演进 - 幻觉问题仍是当前的主要挑战

从应用场景看： - 图像描述、视觉问答、图文检索等基础任务已较为成熟 - 文档理解、视觉定位、创意生成等高级任务正在快速发展 - 未来将在更多领域发挥重要作用

对于初学者，理解 VLM 的关键在于把握跨模态对齐这一核心思想；对于技术从业者，则需要深入理解各种架构设计和训练策略的优劣。无论如何，VLM 都是一个值得持续关注的领域，它正在重新定义人机交互的方式，让我们离真正的通用人工智能更近一步。

参考资料

[1]: 什么是视觉语言模型 (VLM)？| IBM

[2]: VLM 说明

[3]: VLP: A Survey on Vision-Language Pre-training

[4]: Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision (CLIP)

[5]: Scaling Up Visual and Vision-Language Representation Learning With Noisy Text Supervision (ALIGN)

[6]: BLIP: Bootstrapping Language-Image Pre-training for Unified Vision-Language Understanding and Generation

[7]: Visual Instruction Tuning (LLaVA)

[8]: BLIP-2: Bootstrapping Language-Image Pre-training with Frozen Image Encoders and Large Language Models

[9]: Qwen2-VL: Enhancing Vision-Language Model’s Perception of the World at Any Resolution

[10]: 视觉语言大模型的幻觉综述：成因、评估与治理

延伸阅读： - Guide to Vision-Language Models (VLMs) | Encord - 视觉语言模型详解 | Hugging Face - What Are Vision Language Models | NVIDIA