【導讀】馬里蘭大學發布首個專為VLM設計的基準測試HallusionBench，全面測試GPT-4V視覺錯誤和語言幻覺。

GPT-4被吹的神乎其神，作為具備視覺能力的GPT-4版本——GPT-4V，也被大眾寄于了厚望。 但如果告訴你，初中生都知道的勾股定理，只適用于直角三角形。 然而GPT-4V卻自信將其用于鈍角三角形中計算斜邊長度。

還有更離譜的，GPT-4V直接犯了致命的安全錯誤，竟然認為紅燈可以行駛。

這到底是怎么回事呢？ 馬里蘭大學的研究團隊在探索過程中發現了這些問題，并在此基礎上提出了兩種主要的錯誤類型：語言幻覺和視覺錯覺，以此來闡釋這些錯誤的原因。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2310.14566

項目主頁：https://github.com/tianyi-lab/HallusionBench

研究人員依據上述分析，創建了一個名為HallusionBench的圖像-語境推理基準測試，旨在深入探討圖像與語境推理的復雜性。 基于他們的對于視覺能力的測試，GPT4V在回答視覺問題組的錯誤率高達近90%。

研究者們還對新發布的GPT-4V(ision)和LLaVA-1.5進行了詳細的研究，深入分析了它們在視覺理解方面的能力。 HallusionBench是第一個專為VLM設計的基準測試，主要關注視覺錯覺和知識幻覺。這個測試包括約200組視覺問答，其中近一半是由人工專家創作的。 目前數據已經開源, 并且還在更新中。 涉及的圖片類型多樣，包括原始的錯覺圖片、圖表、地圖、海報、視頻及手動制作或修改的圖片，涵蓋數學、計數、文化、動漫、體育和地理等多個領域。 論文中，作者初步闡述了HallusionBench中的兩種視覺問題分類：視覺依賴型（Visual Dependent）和視覺補充型（Visual Supplement），并討論了實驗對照組的設計方法。 隨后，他們分析了可能導致答案錯誤的兩大主要原因：視覺錯覺（Visual Illusion）和語言幻覺（Language Hallucination）。 在文末，作者通過不同的子類別詳細展示了各主要類別中的失敗案例，并進行了深入的分析。關鍵點： 1. 「語言幻覺」：在GPT-4V和LLaVA-1.5中會誤導90%的樣本推理。視覺與語言之間的微妙平衡至關重要！ 2. 「視覺錯覺」：LVLMs中的視覺模塊容易受到復雜視覺上下文的影響，語言模型的錯誤被夸大。 3. 簡單的圖像修改就能欺騙GPT-4V和LLaVA-1.5，暴露了對更強大的圖像分析能力的需求。 4. GPT-4V在推理多個圖像之間的時間關系方面存在困難。 5. LLaVA-1.5有時會在常識查詢上犯錯，需要改進其語言模型先驗。

視覺問題類型

視覺依賴型問題(Visual Dependent)：

這類問題的答案完全依賴于視覺內容，缺乏圖像信息時無法確切回答。

這些問題通常關聯到圖像本身或其顯示的內容。例如，在沒有圖像的情況下，無法準確回答諸如「圖中右側的橙色圓圈是否與左側的同樣大?。俊怪惖膯栴}。

視覺補充型問題(Visual Supplement)：

這些問題即使在沒有視覺內容的情況下也能得到回答。在這種類型的問題中，視覺元素僅提供附加信息。

比如，即便沒有圖片輔助，GPT-4V仍能回答「新墨西哥州是否比德克薩斯州大？」等問題。

測試的核心在于判斷GPT-4V和LLaVA-1.5能否利用圖像內容來作答，而不是僅憑它們的參數化記憶。

錯誤分類

作者對錯誤回答進行了分析，并將其原因分為兩大類：

視覺錯誤(Language Hallucination)：

這類錯誤產生于對輸入圖像的錯誤視覺識別和解釋。模型未能從圖像中提取準確信息或對其進行正確推斷。語言幻覺(Visual Illusion)：

模型基于其參數化知識庫，對問題輸入和圖像背景作出不恰當的先入為主的假設。模型應當針對問題的具體環境作出反應，而不是忽略問題本身或對圖像作出錯誤解讀。

范例

從圖1所展示的經典視覺錯覺案例中可見，GPT-4V在識別各種錯覺圖像及其名稱上顯示出比LLaVA-1.5更豐富的知識儲備。

圖1 然而，在回答經過編輯處理的圖像相關問題時，GPT-4V未能提供精確答案。 這種現象可能源于GPT-4V更多地依賴于其參數化存儲的知識，而不是實際對圖像進行分析。 與此相反，無論是處理原始圖像還是編輯后的圖像，LLaVA-1.5的表現都相對較差，這反映出LLaVA-1.5在視覺識別方面的能力較為有限。 觀察圖2提供的樣本，可以發現GPT-4V和LLaVA-1.5均未能正確識別平行線、正三角形、多邊形及其他數學定理。 這一現象揭示了，對GPT-4V而言，在處理幾何和數學問題方面仍面臨較大挑戰。

圖2 在圖3的展示中，作者指出了幾則海報，展示的是一些知名的地方美食，但這些美食的地理特征遭到了改動。 面對這樣的場景，GPT-4V和LLaVA-1.5都未能充分考慮上下文信息，忽略了圖像內容，繼續根據文本中提及的知名產地來回答相關問題。

圖3 在圖4的案例中，作者進一步探討了對多張圖片序列的處理能力。 圖片的順序排列和倒序排列在語義上常表現出對立的意義，例如「出現與消失」和「后退與前進」。

圖4 研究比較表明，盡管這些圖片序列描繪了不同的動態，GPT-4V依然未能區分這些圖片的順序和逆序排列。 這一發現指出，在視頻序列推理方面，GPT-4V仍需大幅度的優化和提高。 圖5展示了一個案例，其中在缺乏圖像背景信息的情境下，GPT-4V提供了一個斷定性的回答。

圖5 相對地，LLaVA-1.5，由于對文本的理解不足，提出了一個技術上無誤但與問題無關的答回答。 當以修改后的π值作為視覺輸入，兩個模型均未能從圖像中正確識別和解釋這個值。 圖6中的情形顯示，當缺少視覺輸入時，GPT-4V和LLaVA-1.5都能準確且斷定地作出回答。

圖6 然而，在表格作為視覺輸入的情況下，GPT-4V嘗試依據視覺信息解答，卻誤取了錯誤數據。 例如，GPT-4V錯誤地答道「中國贏得了36枚金牌」，盡管圖表實際顯示的是美國獲得了這些金牌。 相比之下，LLaVA-1.5更依賴于其參數化記憶，在分別處理問題和表格時表現不同。 在圖7的場景中，即使沒有視覺輔助，GPT-4V和LLaVA-1.5都作出了斷定性的答復，其中GPT-4V的答案更為準確和精確。

圖7 當引入圖表作為視覺輸入，GPT-4V能精準地根據圖表中的數據給出答案，而LLaVA-1.5則依賴于其參數化知識進行回答。 但是，一旦圖表被翻轉，GPT-4V對答案的預測發生了根本性變化。這個錯誤可以被解釋為由視覺錯覺引起的。 根據圖8，在缺乏圖像支持的情形下，GPT-4V和LLaVA-1.5均提供了確定的回答，但正確答案僅由GPT-4V給出。

圖8 由此可以推斷，GPT-4V在知識層面上優于LLaVA-1.5。 然而，當地圖的視覺呈現發生改變時，兩種模型由于其強大的參數記憶能力，均未能正確推斷出四個州的相對位置。

總結

近年來，隨著大規模語言模型和多模態研究的快速發展，人工智能領域經歷了重大的變革。 自然語言處理（NLP）和計算機視覺（CV）的結合，不僅促成了大型視覺語言模型（LVLM）的誕生，而且顯著提高了圖像推理任務的性能。 但是，LVLM仍面臨著一些挑戰，如語言幻覺和視覺錯覺等問題。 本研究通過推出HallusionBench，旨在為VLM提供一個基準測試，特別是在那些容易因語言幻覺或視覺錯覺而失敗的復雜情況下。 我們對GPT-4V和LLaVA-1.5的不同示例和失敗案例進行了深入探討，包括： 1. 在HallusionBench中，GPT-4V和LLaVA-1.5在處理含有先驗知識的問題時，往往會受到語言幻覺的影響。這些模型更傾向于依賴先驗知識，導致在我們的分析的例子中，超過90%的答案是錯誤的。因此，模型需要在參數化記憶和輸入文本圖片之間找到一個平衡點。 2. 即便是在GPT-4V和LLaVA-1.5缺乏參數化記憶或先驗知識的情況下，它們仍然容易受到視覺錯覺的影響。這些模型常常在處理幾何圖形、數學圖像、視頻（多圖像場景）、復雜圖表等問題時給出錯誤答案。目前，視覺語言模型在視覺處理方面的能力還很有限。 3. GPT-4V和LLaVA-1.5在HallusionBench中容易被一些基本的圖像操作所誤導，如圖像翻轉、顛倒順序、遮擋、物體編輯以及顏色的修改等。目前的視覺語言模型尚未能有效處理這些圖像操作。 4. 雖然GPT-4V支持處理多圖，但在分析涉及時間線索的多圖像問題時，它未能展現出有效的時間推理能力，在HallusionBench中表現欠佳。 5. 在HallusionBench的測試中，LLaVA-1.5由于知識庫相對較少，有時會犯下一些基本的錯誤。 作者表示，他們的數據集已經開源，并正在繼續擴展數據庫。最新的數據會在Github （https://github.com/tianyi-lab/HallusionBench）上不斷更新。 這項研究為未來更加強大、平衡和精準的LVLM奠定了基礎，并期待通過這些詳細的案例研究，為未來研究提供一些可能方向。