机器之心报道
机器之心编辑部
在购买家具时，我们会尝试回忆起我们的客厅，以想象一个心仪的橱柜是否合适。虽然估计距离是困难的，但即使只是看过一次，人类也能在脑海里重建空间，回忆起房间里的物体、它们的位置和大小。
我们生活在一个感官丰富的 3D 世界中，视觉信号围绕着我们，让我们能够感知、理解和与之互动。
这是因为人类拥有视觉空间智能（visual-spatial intelligence），能够通过连续的视觉观察记住空间。然而，在百万级视频数据集上训练的多模态大语言模型 (MLLM) 是否也能通过视频在空间中思考，即空间思维（Thinking in Space）？
为了在视觉空间领域推进这种智能，来自纽约大学、耶鲁大学、斯坦福大学的研究者引入了 VSI-Bench，这是一个基于视频的基准测试，涵盖了近 290 个真实室内场景视频，包含超过 5000 个问答对。
其中，视频数据是通过捕捉连续的、时间性的输入来完成的，不仅与我们观察世界的方式相似，而且比静态图像更能丰富空间理解和推理。在 VSI-Bench 上评估开源和闭源模型显示，尽管模型与人类之间存在较大的性能差距，尽管 MLLM 面临视频理解、文本理解和空间推理的挑战，但其仍展现出了新兴的视觉空间智能。
为了对模型行为展开研究，本文受到双重编码理论的启发（该理论认为语言处理和视觉处理既有区别又相互补充），他们提出了用于自我解释（语言）和认知图（视觉）的选择模型（selected models）。
这篇论文作者有我们熟悉的斯坦福大学教授，她提倡的「空间智能」最近正在引领 AI 发展方向，还有纽约大学计算机科学助理教授谢赛宁等。
谢赛宁表示，「视频理解是下一个研究前沿，但并非所有视频都是一样的。模型现在可以通过 youtube 片段和故事片进行推理，但是我们未来的 AI 助手在日常空间中导航和经验如何呢？空间思维正是为这一问题诞生的，我们的最新研究 VSI-Bench，可以探索多模态 LLM 如何看待、记忆和回忆空间。」
「在视觉处理方面，我们通常处理空间问题，但很少进行推理；而多模态大语言模型（LLM）虽然能够思考，但通常忽略了逻辑空间。然而，作为人类 —— 无论是做心理旋转测试还是为新家定制家具 —— 我们依赖于空间和视觉思维 。而这些思维并不总能很好地转化为语言。」
「我们通过研究涵盖各种视觉空间智能任务（关系和度量）的新基准来探索这一点。」
李飞飞也对这项研究进行了宣传，她表示这项名为「Thinking in Space」的研究，是对 LLM（大部分都失败了）在空间推理方面表现的评估，而空间推理对人类智能至关重要。2025 年还有更多值得期待的事情，以突破空间智能的界限！
在李飞飞的这条推文下，网友已经开始期待即将到来的 2025 年。
在论文主页给出的 Demo 中，作者提供了谷歌 Gemini 模型在视觉空间智能上的一些表现。（以下视频均以 2 倍速播放。）
1：估计相对距离
问：如果我站在冰箱旁边，面对着洗衣机，炉子是在我的左边、右边还是后面……
2：让大模型数物体
问：房间里有几把椅子？Gemini-1.5 Pro 给出了 2。
3：根据视频猜测物体出现的顺序
问：以下类别在视频中第一次出现的顺序是：毯子、废品桶、微波炉、植物？Gemini 给出 B 选项，正确答案是 C。
4：估计房间大小
问：这个房间有多大（平方米）？如果展示了多个房间，估计一下组合空间的大小。
VSI-Bench 介绍
VSI-Bench 是一个用于定量评估从第一视角视频出发的 MLLM 视觉空间智能的工具。VSI-Bench 包含了超过 5000 个问答对，这些问答对来源于 288 个真实视频。这些视频包括居住空间、专业场所（例如，办公室、实验室）和工业场所（例如，工厂）—— 以及多个地理区域。VSI-Bench 的质量很高，经过迭代审查以最小化问题的歧义，并移除了从源数据集中传播的错误注释。
VSI-Bench 包括八项任务，如图 3 所示，包括：物体计数、相对距离、出现的顺序、相对方向、物体大小、绝对距离、房间面积、路径规划。
VSI-Bench 的任务展示。注意：为清晰简洁起见，上述问题略作简化。
数据集统计见图 5。
此外，本文还开发了一个复杂的基准构建流程，以有效地大规模生成高质量问答（QA）对，如图 4 所示。
评估
评估设置：本文对 15 个支持视频的 MLLM 进行了基准测试。专有模型包括 Gemini-1.5 和 GPT-4o。开源模型包括 InternVL2、ViLA、LongViLA、LongVA、LLaVA-OneVision 和 LLaVA-NeXT-Video 。
主要结果：通过 5000 多个问答对，作者发现 MLLM 表现出了有竞争性的视觉空间智能（尽管仍然低于人类）。Gemini Pro 表现最佳，但与人类的表现仍有差距。
具体而言，人类评估者的平均准确率达到 79%，比最佳模型高出 33%，在配置和时空任务上的表现接近完美（94%-100%）。
然而，在需要精确估计的测量任务上，差距缩小了，MLLM 在定量任务中表现出相对优势。
在专有模型中，Gemini-1.5 Pro 脱颖而出，尽管只在 2D 数字数据上进行训练，但它大大超过了机会基线，并在绝对距离和房间大小估计等任务中接近人类表现。
表现最佳的开源模型，如 LLaVA-NeXT-Video-72B 和 LLaVA-OneVision-72B，取得了有竞争力的结果，仅落后 Gemini-1.5 Pro 4%-5%。然而，大多数开源模型（7/12）都低于机会基线，暴露出视觉空间智能的明显缺陷。
为了更好地理解模型成功或失败的时间和原因，并阐明它们所拥有的视觉空间智能的各个方面，本文研究了 MLLM 如何在空间语言中思考。
当被要求解释自己时，LLM 表示空间推理（而不是物体识别或语言能力）是主要瓶颈。
在成功示例中，该模型展示了高级视频理解能力，具有准确的时间戳描述和正确的逐步推理过程。全局坐标系的使用表明 MLLM 可以通过整合空间背景和推理来构建隐式世界模型。
错误分析：对 VSI-Bench（tiny）上表现最佳的 MLLM 的错误进行分析，发现主要有四种错误类型：视觉感知、语言智能、关系推理和第一视角 - 他人视角转换。图 6 显示，71% 的错误源于空间推理，特别是在理解距离、大小和方向方面。这表明空间推理仍然是提高 VSI-Bench 上 MLLM 性能的关键瓶颈。
此外，本文还有一些其他发现。
语言提示技术在这种情况下是无效的 —— 像 CoT 或多数投票这样的方法实际上对本文任务是非常有害的。
了解更多内容，请参考原论文。
