百萬魯棒數據訓練，3D場景大語言模型新SOTA！IIT等發布Robin3D

　　多模態大語言模型(Multi-modal Large Language Models, MLLMs)以文本模態為基礎，將其它各種模態對齊至語言模型的語義空間，從而實現多模態的理解和對話能力。近來，越來越多的研究聚焦于3D大語言模型(3DLLM)，旨在實現對3D物體以及復雜場景的理解，推理和自由對話。

　　與2D MLLM所能接觸的廣泛的多模態數據不同，3DLLM的訓練數據相對稀少。

　　即便過去有些工作嘗試生成更多的多模態指令數據，但這類模型仍然在指令的魯棒性上存在兩點不足：

　　1. 絕大多數3D多模態指令數據對是正樣本對，缺乏負樣本對或者對抗性樣本對。模型在這種數據上訓練缺乏一定的辨識能力，因為無論被問到什么問題，模型只會輸出正面的回答。因此碰到問題與場景無關時，模型也更容易出現幻覺。這種模型有可能只是記住了正樣本對，而非真正地理解被問及的場景、物體、以及具體的指令。

　　2. 由于在造數據的過程中，人類標注員或者生成式大語言模型是按照既定的規則去描述物體的，很多由這些描述所轉換而來的指令缺乏多樣性。甚至有的數據是直接按照模板生成的。

　　為了解決以上問題，伊利諾伊理工大學、浙江大學、中佛羅里達大學、伊利諾伊大學芝加哥分校提出一個強大3DLLM——Robin3D，在大規模魯棒數據上進行訓練。

　　論文地址：https://arxiv.org/abs/2410.00255

　　文中提出了「魯棒指令數據生成引擎」(Robust Instruction Generation, RIG)，可以生成兩種數據：

　　1. 對抗性指令數據。該數據特點在于在訓練集或者單個訓練樣本中，混合了正樣本和負樣本對(或者對抗樣本對)，從而使得模型在該類數據集訓練能獲得更強的辨識能力，該數據包含了物體層面到場景層面的、基于類別的指令和基于表達的指令，最終形成了四種新的訓練任務，幫助模型解耦對正樣本對的記憶。

　　2. 多樣化指令數據，首先全面收集現有研究中的各種指令類型，或將一些任務轉化為指令跟隨的格式。為了充分利用大語言模型強大的上下文學習能力，研究人員使用ChatGPT，通過為每個任務定制的特定提示工程模板來多樣化指令的語言風格。

　　將這些與現有基準的原始訓練集相結合，研究人員構建了百萬級指令跟隨樣本，其中約有34.4萬個對抗性數據(34%)、50.8萬個多樣化數據(50%)和16.5 萬個基準數據(16%)，如圖1(右)所示。

　　圖1 Robin3D在構建的百萬級數據上訓練(右)，最終在所有3D多模態數據集上的性能超過之前的SOTA(左)

　　Robin3D在模型上與Chat-Scene類似：使用Mask3D，Uni3D來抽3D物體級別的特征，使用Dinov2來抽2D物體級別的特征，使用物體ID來指定和定位物體。

　　先前的方法在抽物體特征的時候，由于其物體級別的規范化(normalization)，不可避免的丟失了物體間的3D空間關系。同時簡單的物體ID和物體特征拼接缺乏對ID-特征的充分聯結，使其在這種復雜的指令數據上面臨訓練的困難，而Robin3D引入了關系增強投射器來增強物體的3D空間關系，并使用ID-特征捆綁來增強指代和定位物體時ID與特征之間的聯系。

　　最終Robin3D在所有的3D場景多模態數據集上達到一致的SOTA，并且不需要特定任務的微調。

　　方法

　　圖2 Robin3D的模型結構

　　關系增強投射器

　　如圖2所示，關系增強投射器(Relation-Augmented Projector, RAP)考慮三種特征：

　　1. Mask3D所抽取的場景級別特征，這種特征經過多層cross-attention充分交互了語意和位置關系;

　　2. Mask3D里的位置嵌入特征，這種特征由物體超點直接轉換而來，代表了物體間的位置關系。

　　3. Uni3D抽取的統一物體級別特征，這種特征和語言進行過大規模的對齊訓練。

　　圖3 RAP公式

　　如圖3所示，通過MLP和短接的方式，對三種特征進行高效的融合，最終實現了即保持強大的統一物體級別語意信息、又增強了物體之間的空間位置關系。

　　ID-特征捆綁

　　如圖1所示，的ID-特征捆綁(ID-Feature Bonding, IFB)主要包含兩個操作。首先，使用兩個相同的ID來包裹其物體特征。

　　由于LLM的因果注意力機制，這種方法通過第一個ID將ID信息與物體特征關聯起來，并通過第二個ID將物體信息與其ID關聯起來。

　　其次，提出了一個后視覺順序，將視覺tokens放置在輸入序列的末尾，靠近模型生成的答案標記。

　　該方法減少了由于tokens間的相對距離和LLM中旋轉位置嵌入所導致的從答案tokens到ID-特征tokens的注意力減弱問題，同時增強了視覺信息對答案tokens的注意力影響，從而提升答案生成效果。

　　魯棒指令數據生成引擎

　　對抗性數據生成

　　圖4對抗性數據的四種任務

　　如圖4，的對抗性數據形成了四種新的具備挑戰性的任務HOPE、HROC、PF-3DVG和3DFQA，包含了從物體到場景、從基于類比到基于表達的不同指令。

　　圖4左上：Hybrid Object Probing Evaluation (HOPE)

　　為了構建一個場景級別的基于類別的任務，引入了HOPE，靈感來自2D領域的POPE基準。POPE通過詢問關于單個物體存在與否的是/否問題，評估2DMLLMs產生幻覺的傾向。在此基礎上，HOPE將這種幻覺挑戰擴展到3D領域的訓練階段，旨在讓模型更具辨別力。

　　此外，HOPE引入了一個混合場景，增加復雜性，進一步推動模型對記憶中的視覺與語言正樣本的解耦。

　　具體來說，在給定的3D場景中，要求模型判斷多個隨機指定的物體是否存在。物體可能存在或不存在，且每個存在的物體可能有一個或多個實例。

　　當物體不存在時，模型需回答「否」;當物體存在時，需回答「是」并提供每個實例的物體ID。這一設置結合了正負物體的混合識別與多實例物體定位，具有很高的挑戰性。

　　圖4右上：Hybrid Referring Object Classification (HROC)

　　指代物體分類任務旨在評估模型在2D域中識別指代區域的能力，使用「區域輸入，文本輸出」的形式。HROC將此任務擴展到3D領域，創建了一個物體級別的基于類別的任務，并結合了對抗性和混合挑戰。

　　在3D場景中，隨機生成混合的正負ID-類別樣本對來提出問題。正樣本對包含一個有效的物體ID和對應的真實類別，負對則包含一個有效的物體ID和隨機選擇的非真實類別，作為對抗性挑戰。模型需對正樣本對回答「是」，對負對回答「否」并給出正確類別。

　　圖4左下：Partial Factual 3D Visual Grounding (PF-3DVG)

　　PF-3DVG引入了一個場景級別的基于表達的任務，涵蓋三種數據類型：非真實數據、部分真實數據和真實數據。

　　非真實數據：在3D場景中，隨機選擇Sr3D+中的描述，其中所描述的物體不存在與當前3D場景。模型需回答「否」。

　　部分真實數據：給定Sr3D+的描述及對應的3D場景，隨機修改描述中的空間關系。例如，將「沙發上的枕頭」改為「沙發下的枕頭」。

　　模型需糾正信息并回答「它是在『上面』」，同時提供物體ID。團隊確保描述的目標物體類別是當前場景唯一的、無干擾項，以避免歧義。真實數據：隨機增強空間關系的同義詞以提高多樣性，例如，將「below」替換為「under」、「beneath」或「underneath」。

　　圖4右下：Faithful 3D Question Answering (3DFQA)

　　原始的3D問答任務僅包含正樣本，可能導致模型記住固定的3D場景和問答對。為了解決這一問題，提出3DFQA，一個結合了負樣本和正樣本的場景級別的基于表達的QA任務，其增加了定位的要求。

　　構建負樣本時，從ScanQA中抽取問答對，并收集問題或答案中的相關物體，然后隨機選擇一個缺少這些物體的3D場景。在原來的問題上，新增一個指令：「如果可以，請回答……并提供所有ID……」。

　　此時，模型必須回答「否」，并且不提供任何物體ID，體現其對場景的依賴而不會胡言亂語總給出正面回復。正樣本直接取自ScanQA，模型需回答問題并提供相關物體的ID作為答案的依據。

　　因此，訓練在的3DFQA數據集上的模型不能依靠記憶，而是要學會對正負樣本做出忠實回應并有理有據。

　　多樣化數據生成

　　多樣化數據旨在通過結合多種不同任務類型的指令數據，并提高指令的語言多樣性，從而增強模型的泛化能力。首先從基準數據集之外的不同任務中收集大規模數據。

　　具體而言，給定一個3D場景，收集以下任務的問答對：類別問答任務(來自Chat-Scene)，Nr3D描述生成任務(轉換自Nr3D)，外觀描述生成任務(來自Grounded-3DLLM)，區域描述生成任務(來自Grounded-3DLLM)，端到端3D視覺定位(轉換自Nr3D)，端到端3D視覺定位(轉換自Sr3D+)。

　　圖5多樣化數據的生成流程和詳細的提示工程

　　為了豐富表述風格，開發了一個可擴展的流程，利用ChatGPT的上下文學習能力對上述數據進行重述。這通過一組示例和結構化提示工程實現，如圖5(上)所示。

　　具體而言，給定一個收集的指令數據集D_task(其中任務包括ScanRefer、Multi3DRefer、Nr3D、Sr3D+、Nr3D Captioning、ScanQA、SQA3D、PF-3DVG和3DFQA)，構建了一個系統提示P_system，以指示重述的要求和結構化的輸出格式，同時提供一個示例提示P_eg，以幫助ChatGPT更好地理解要求。

　　還隨機選擇一個溫度參數T(從[1.1, 1.2, 1.3]中選取)以增加輸出的隨機性和多樣性。的重述輸出D_rephrase通過公式D_rephrase = M(P_system, P_eg, D_task, T)生成，其中M是ChatGPT的GPT-4o版本。

　　圖5(上)詳細說明了P_system和P_eg的內容，以ScanRefer數據為例。通過使用sentence=和rephrase=的結構化提示，GPT-4o能夠輕松遵循要求，可以通過檢測rephrase=關鍵字方便地收集輸出。

　　圖5(下)提供了每個任務的示例提示的詳細信息。由于Nr3D Captioning源于Nr3D，PF-3DVG源于Sr3D+，而3DFQA源于ScanQA，因此不再為這些任務提供額外示例。

　　實驗

　　主要結果

　　表1 性能對比結果

　　如表1所示，由于RIG生成的魯棒指令數據，Robin3D在所有基準測試中顯著超越了之前的模型。具體而言，Robin3D在Scan2Cap CIDEr@0.5上帶來了6.9%的提升，在ScanRefer Acc@0.25上帶來了5.3%的提升。值得注意的是，在包含零目標案例的Multi3DRefer評估中，這些案例對模型的區分能力提出了挑戰，并要求模型能夠回答「No」。的Robin3D在F1@0.25上實現了7.8%的提升，在F1@0.5上實現了7.3%的提升。

　　消融實驗

　　表2和表3 消融實驗結果

　　如表2和表3所示，對提出的對抗性數據和多樣化數據進行了消融實驗，也對模型結構上RAP和IFB的提出做了消融實驗。實驗結果在所有benchmark上都證明了他們一致的有效性。

　　特別的，在表2中，對抗性數據對描述生成任務Scan2Cap帶來了8.9%的提升，然而對抗性數據是不存在描述生成任務的，并且也不存在同源的數據(Scan2Cap數據源自ScanRefer, 但對抗性數據無源自ScanRefer的數據)。這種大幅的提升體現了對抗性數據對模型識別能力的提升。