最新基准测试错误率竟高达90%：红绿灯认错、勾股定理也不会

【导读】马里兰大学发布首个专为VLM设计的基准测试HallusionBench，全面测试GPT-4V视觉错误和语言幻觉。

GPT-4被吹的神乎其神，作为具备视觉能力的GPT-4版本——GPT-4V，也被大众寄于了厚望。 但如果告诉你，初中生都知道的勾股定理，只适用于直角三角形。 然而GPT-4V却自信将其用于钝角三角形中计算斜边长度。

还有更离谱的，GPT-4V直接犯了致命的安全错误，竟然认为红灯可以行驶。

这到底是怎么回事呢？ 马里兰大学的研究团队在探索过程中发现了这些问题，并在此基础上提出了两种主要的错误类型：语言幻觉和视觉错觉，以此来阐释这些错误的原因。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2310.14566

项目主页：https://github.com/tianyi-lab/HallusionBench

研究人员依据上述分析，创建了一个名为HallusionBench的图像-语境推理基准测试，旨在深入探讨图像与语境推理的复杂性。 基于他们的对于视觉能力的测试，GPT4V在回答视觉问题组的错误率高达近90%。

研究者们还对新发布的GPT-4V(ision)和LLaVA-1.5进行了详细的研究，深入分析了它们在视觉理解方面的能力。 HallusionBench是第一个专为VLM设计的基准测试，主要关注视觉错觉和知识幻觉。这个测试包括约200组视觉问答，其中近一半是由人工专家创作的。 目前数据已经开源, 并且还在更新中。 涉及的图片类型多样，包括原始的错觉图片、图表、地图、海报、视频及手动制作或修改的图片，涵盖数学、计数、文化、动漫、体育和地理等多个领域。 论文中，作者初步阐述了HallusionBench中的两种视觉问题分类：视觉依赖型（Visual Dependent）和视觉补充型（Visual Supplement），并讨论了实验对照组的设计方法。 随后，他们分析了可能导致答案错误的两大主要原因：视觉错觉（Visual Illusion）和语言幻觉（Language Hallucination）。 在文末，作者通过不同的子类别详细展示了各主要类别中的失败案例，并进行了深入的分析。关键点： 1. 「语言幻觉」：在GPT-4V和LLaVA-1.5中会误导90%的样本推理。视觉与语言之间的微妙平衡至关重要！ 2. 「视觉错觉」：LVLMs中的视觉模块容易受到复杂视觉上下文的影响，语言模型的错误被夸大。 3. 简单的图像修改就能欺骗GPT-4V和LLaVA-1.5，暴露了对更强大的图像分析能力的需求。 4. GPT-4V在推理多个图像之间的时间关系方面存在困难。 5. LLaVA-1.5有时会在常识查询上犯错，需要改进其语言模型先验。

视觉问题类型

视觉依赖型问题(Visual Dependent)：

这类问题的答案完全依赖于视觉内容，缺乏图像信息时无法确切回答。

这些问题通常关联到图像本身或其显示的内容。例如，在没有图像的情况下，无法准确回答诸如「图中右侧的橙色圆圈是否与左侧的同样大小？」之类的问题。

视觉补充型问题(Visual Supplement)：

这些问题即使在没有视觉内容的情况下也能得到回答。在这种类型的问题中，视觉元素仅提供附加信息。

比如，即便没有图片辅助，GPT-4V仍能回答「新墨西哥州是否比德克萨斯州大？」等问题。

测试的核心在于判断GPT-4V和LLaVA-1.5能否利用图像内容来作答，而不是仅凭它们的参数化记忆。

错误分类

作者对错误回答进行了分析，并将其原因分为两大类：

视觉错误(Language Hallucination)：

这类错误产生于对输入图像的错误视觉识别和解释。模型未能从图像中提取准确信息或对其进行正确推断。语言幻觉(Visual Illusion)：

模型基于其参数化知识库，对问题输入和图像背景作出不恰当的先入为主的假设。模型应当针对问题的具体环境作出反应，而不是忽略问题本身或对图像作出错误解读。

范例

从图1所展示的经典视觉错觉案例中可见，GPT-4V在识别各种错觉图像及其名称上显示出比LLaVA-1.5更丰富的知识储备。

图1 然而，在回答经过编辑处理的图像相关问题时，GPT-4V未能提供精确答案。 这种现象可能源于GPT-4V更多地依赖于其参数化存储的知识，而不是实际对图像进行分析。 与此相反，无论是处理原始图像还是编辑后的图像，LLaVA-1.5的表现都相对较差，这反映出LLaVA-1.5在视觉识别方面的能力较为有限。 观察图2提供的样本，可以发现GPT-4V和LLaVA-1.5均未能正确识别平行线、正三角形、多边形及其他数学定理。 这一现象揭示了，对GPT-4V而言，在处理几何和数学问题方面仍面临较大挑战。

图2 在图3的展示中，作者指出了几则海报，展示的是一些知名的地方美食，但这些美食的地理特征遭到了改动。 面对这样的场景，GPT-4V和LLaVA-1.5都未能充分考虑上下文信息，忽略了图像内容，继续根据文本中提及的知名产地来回答相关问题。

图3 在图4的案例中，作者进一步探讨了对多张图片序列的处理能力。 图片的顺序排列和倒序排列在语义上常表现出对立的意义，例如「出现与消失」和「后退与前进」。

图4 研究比较表明，尽管这些图片序列描绘了不同的动态，GPT-4V依然未能区分这些图片的顺序和逆序排列。 这一发现指出，在视频序列推理方面，GPT-4V仍需大幅度的优化和提高。 图5展示了一个案例，其中在缺乏图像背景信息的情境下，GPT-4V提供了一个断定性的回答。

图5 相对地，LLaVA-1.5，由于对文本的理解不足，提出了一个技术上无误但与问题无关的答回答。 当以修改后的π值作为视觉输入，两个模型均未能从图像中正确识别和解释这个值。 图6中的情形显示，当缺少视觉输入时，GPT-4V和LLaVA-1.5都能准确且断定地作出回答。

图6 然而，在表格作为视觉输入的情况下，GPT-4V尝试依据视觉信息解答，却误取了错误数据。 例如，GPT-4V错误地答道「中国赢得了36枚金牌」，尽管图表实际显示的是美国获得了这些金牌。 相比之下，LLaVA-1.5更依赖于其参数化记忆，在分别处理问题和表格时表现不同。 在图7的场景中，即使没有视觉辅助，GPT-4V和LLaVA-1.5都作出了断定性的答复，其中GPT-4V的答案更为准确和精确。

图7 当引入图表作为视觉输入，GPT-4V能精准地根据图表中的数据给出答案，而LLaVA-1.5则依赖于其参数化知识进行回答。 但是，一旦图表被翻转，GPT-4V对答案的预测发生了根本性变化。这个错误可以被解释为由视觉错觉引起的。 根据图8，在缺乏图像支持的情形下，GPT-4V和LLaVA-1.5均提供了确定的回答，但正确答案仅由GPT-4V给出。

图8 由此可以推断，GPT-4V在知识层面上优于LLaVA-1.5。 然而，当地图的视觉呈现发生改变时，两种模型由于其强大的参数记忆能力，均未能正确推断出四个州的相对位置。

总结

近年来，随着大规模语言模型和多模态研究的快速发展，人工智能领域经历了重大的变革。 自然语言处理（NLP）和计算机视觉（CV）的结合，不仅促成了大型视觉语言模型（LVLM）的诞生，而且显著提高了图像推理任务的性能。 但是，LVLM仍面临着一些挑战，如语言幻觉和视觉错觉等问题。 本研究通过推出HallusionBench，旨在为VLM提供一个基准测试，特别是在那些容易因语言幻觉或视觉错觉而失败的复杂情况下。 我们对GPT-4V和LLaVA-1.5的不同示例和失败案例进行了深入探讨，包括： 1. 在HallusionBench中，GPT-4V和LLaVA-1.5在处理含有先验知识的问题时，往往会受到语言幻觉的影响。这些模型更倾向于依赖先验知识，导致在我们的分析的例子中，超过90%的答案是错误的。因此，模型需要在参数化记忆和输入文本图片之间找到一个平衡点。 2. 即便是在GPT-4V和LLaVA-1.5缺乏参数化记忆或先验知识的情况下，它们仍然容易受到视觉错觉的影响。这些模型常常在处理几何图形、数学图像、视频（多图像场景）、复杂图表等问题时给出错误答案。目前，视觉语言模型在视觉处理方面的能力还很有限。 3. GPT-4V和LLaVA-1.5在HallusionBench中容易被一些基本的图像操作所误导，如图像翻转、颠倒顺序、遮挡、物体编辑以及颜色的修改等。目前的视觉语言模型尚未能有效处理这些图像操作。 4. 虽然GPT-4V支持处理多图，但在分析涉及时间线索的多图像问题时，它未能展现出有效的时间推理能力，在HallusionBench中表现欠佳。 5. 在HallusionBench的测试中，LLaVA-1.5由于知识库相对较少，有时会犯下一些基本的错误。 作者表示，他们的数据集已经开源，并正在继续扩展数据库。最新的数据会在Github （https://github.com/tianyi-lab/HallusionBench）上不断更新。 这项研究为未来更加强大、平衡和精准的LVLM奠定了基础，并期待通过这些详细的案例研究，为未来研究提供一些可能方向。