本文第一作者為鄧慧琳，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩博連讀四年級，研究方向?yàn)槎嗄B(tài)模型視覺理解、推理增強(qiáng)（R1強(qiáng)化學(xué)習(xí)）、異常檢測。在TAI、TASE、ICCV等期刊和頂會(huì)發(fā)表論文。
近年來，隨著大型語言模型（LLMs）的快速發(fā)展，多模態(tài)理解領(lǐng)域取得了前所未有的進(jìn)步。像 OpenAI、InternVL 和 Qwen-VL 系列這樣的最先進(jìn)的視覺-語言模型（VLMs），在處理復(fù)雜的視覺-文本任務(wù)時(shí)展現(xiàn)了卓越的能力。
然而，這些成就主要依賴于大規(guī)模模型擴(kuò)展（>32B 參數(shù)），這在資源受限的環(huán)境中造成了顯著的部署障礙。因此，如何通過有效的后訓(xùn)練（post-training）范式來縮小小規(guī)模多模態(tài)模型與大規(guī)模模型之間的性能差距，是亟待解決的問題。
目前，VLM 的主流訓(xùn)練方法是監(jiān)督微調(diào)（SFT），即使用人工標(biāo)注或 AI 生成的高質(zhì)量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練。但這種方法在小模型上存在兩個(gè)關(guān)鍵問題：
域外泛化能力不足（Out-of-Domain generalization collapse）：容易過擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在未見過的場景時(shí)性能顯著下降。
推理能力有限（shallow reasoning abilities）：傾向于淺層模式匹配，而非真正的理解和推理。這導(dǎo)致模型雖能應(yīng)對相似問題，但難以處理需要深度思考的復(fù)雜問題。
圖 1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。 (a) SFT 與 RL 方法性能對比：通過對比域內(nèi)和域外性能，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在各類視覺任務(wù)中具有更強(qiáng)的 OOD 泛化能力。 (b) "磚墻"現(xiàn)象分析：在小規(guī)模 VLMs 中觀察到：面對復(fù)雜樣本時(shí)出現(xiàn)訓(xùn)練不穩(wěn)定性，模型最終收斂到次優(yōu)解。我們提出的課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法采用難度感知的獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)，確保模型能力從基礎(chǔ)任務(wù)到復(fù)雜推理任務(wù)的穩(wěn)步提升。
通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練方法在提升模型域外泛化性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。
然而，在實(shí)踐中我們觀察到一個(gè)顯著的「磚墻」（Brick Wall）現(xiàn)象：小規(guī)模模型在簡單任務(wù)上快速進(jìn)步，但在復(fù)雜任務(wù)上遇到瓶頸，甚至導(dǎo)致已掌握能力的退化。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為訓(xùn)練過程的劇烈震蕩，最終導(dǎo)致模型收斂到次優(yōu)解。
為突破這一瓶頸，我們從課程學(xué)習(xí)（Curriculum Learning, CL）中汲取靈感。課程學(xué)習(xí)是一種將模型逐步暴露于遞增復(fù)雜任務(wù)的訓(xùn)練策略。我們提出了課程式強(qiáng)化學(xué)習(xí)后訓(xùn)練范式（Curr-ReFT），確保模型能力從基礎(chǔ)任務(wù)到復(fù)雜推理任務(wù)的穩(wěn)步提升。
這一創(chuàng)新方法能夠幫助小型 VLMs 突破性能瓶頸，在保持部署友好性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與大規(guī)模模型相媲美的推理能力。
論文標(biāo)題： Boosting the Generalization and Reasoning of Vision Language Models with Curriculum Reinforcement Learning
論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2503.07065
開源鏈接：
https://github.com/ding523/Curr_REFT（代碼）https://huggingface.co/datasets/ZTE-AIM/Curr-ReFT-data（數(shù)據(jù)）https://huggingface.co/ZTE-AIM/3B-Curr-ReFT（模型權(quán)重）https://huggingface.co/ZTE-AIM/7B-Curr-ReFT（模型權(quán)重）
工作概述
在中小尺寸多模態(tài)大模型上，我們成功復(fù)現(xiàn)了 R1，并提出了一種創(chuàng)新的后訓(xùn)練范式 Curr-ReFT。通過結(jié)合課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)和基于拒絕采樣的自我改進(jìn)方法，我們顯著提升了視覺語言模型（VLM）的推理能力和泛化能力。
理論與實(shí)驗(yàn)分析
強(qiáng)化學(xué)習(xí)的重塑能力：我們證明了基于規(guī)則的強(qiáng)化學(xué)習(xí)能夠有效重塑多模態(tài)/CV 任務(wù)的訓(xùn)練方案，從傳統(tǒng)的精調(diào)轉(zhuǎn)向強(qiáng)化精調(diào)。
提升推理與泛化能力：實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法顯著提升了 VLM 在分布外數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。
創(chuàng)新框架
Curr-ReFT：我們提出了一種新型后訓(xùn)練范式，結(jié)合課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自我改進(jìn)策略。在 Qwen2.5-VL-3B 和 Qwen2.5-VL-7B 模型中驗(yàn)證了其有效性。
全面評估
在多個(gè)自建數(shù)據(jù)集和權(quán)威基準(zhǔn)測試上進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的通用表現(xiàn)，結(jié)果表明 7B 模型甚至超越了最新的 InternVL2.5-26B 和 38B 模型。
具體方法
圖 2. 所提出的 Curr-ReFT 后訓(xùn)練范式整體框架。Curr-ReFT 包含兩個(gè)連續(xù)的訓(xùn)練階段：1.課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)：通過與任務(wù)復(fù)雜度匹配的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，逐步提升任務(wù)難度。2.基于拒絕采樣的自我改進(jìn)：維持 LLM 模型的基礎(chǔ)能力。
Curr-ReFT 包含兩個(gè)連續(xù)的訓(xùn)練階段：
課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)：通過難度感知的獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)確保模型能力的穩(wěn)步提升，從基礎(chǔ)的視覺感知逐步過渡到復(fù)雜的推理任務(wù)。
基于拒絕采樣的自我改進(jìn)：通過從高質(zhì)量的多模態(tài)和語言樣本中進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)，維持 VLMs 的基礎(chǔ)能力。
圖 3. 訓(xùn)練數(shù)據(jù)組織架構(gòu)圖。 (a) 課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)的三階段漸進(jìn)式響應(yīng)格式示例。展示了任務(wù)從簡單到困難的遞進(jìn)過程，呈現(xiàn)不同階段的響應(yīng)格式變化。 (b) 拒絕采樣 SFT 階段使用的數(shù)據(jù)來源分布。
Stage1：課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Curriculum Reinforcement Learning）
課程學(xué)習(xí)（Curriculum Learning，CL）作為一種教學(xué)式訓(xùn)練策略，其核心思想是讓模型循序漸進(jìn)地接觸復(fù)雜度遞增的任務(wù)。
針對強(qiáng)化學(xué)習(xí)中普遍存在的訓(xùn)練不穩(wěn)定性和收斂性問題，我們創(chuàng)新性地將課程學(xué)習(xí)與 GRPO 相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)基于樣本難度評估的局限，轉(zhuǎn)而關(guān)注任務(wù)層面的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)。
本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了難度感知的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，該機(jī)制與任務(wù)的自然進(jìn)階路徑相匹配，具體包括三個(gè)遞進(jìn)階段：
二元決策階段（Binary Decision）
多項(xiàng)選擇階段（Multiple Choice）
開放式回答階段（Open-ended Response）
這一課程強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Curr-RL）框架通過精確校準(zhǔn)任務(wù)復(fù)雜度對應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了視覺感知和數(shù)學(xué)推理任務(wù)的穩(wěn)定優(yōu)化過程。
Stage2：拒絕采樣自我增強(qiáng)（Rejected Sample based Self-improvement）
數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程涉及對綜合數(shù)據(jù)集的系統(tǒng)采樣。我們使用 GPT-4-O 作為獎(jiǎng)勵(lì)模型，從多個(gè)維度評估生成的響應(yīng)，評估標(biāo)準(zhǔn)包括：準(zhǔn)確性、邏輯一致性、格式規(guī)范性、語言流暢度。
所有響應(yīng)在 0-100 分范圍內(nèi)進(jìn)行量化評估。得分超過 85 分的響應(yīng)及其對應(yīng)的問題會(huì)被納入增強(qiáng)數(shù)據(jù)集。最終整理的數(shù)據(jù)集包含 1,520 個(gè)高質(zhì)量樣本，涵蓋多個(gè)領(lǐng)域：數(shù)學(xué)、科學(xué)、通用場景的通用知識。數(shù)據(jù)分布如下：
1、數(shù)學(xué)領(lǐng)域（共 700 條數(shù)據(jù)）：
多模態(tài)數(shù)據(jù)（300 條）：
Geometry3K_MathV360K（100 條）
Geo170k_qa（100 條）
Geomverse（100 條）
純文本數(shù)據(jù)：
SK1.1 數(shù)學(xué)題（400 條）
2、科學(xué)領(lǐng)域（共 320 條數(shù)據(jù)）：
多模態(tài)數(shù)據(jù)（220 條）：
Scienceqa_cauldron（100 條）
Scienceqa_nona_context（120 條）
純文本數(shù)據(jù)：
SK1.1 科學(xué)題（100 條）
3、通識領(lǐng)域（共 500 條多模態(tài)數(shù)據(jù)）：
Illava_cot_100k（300 條）
Visual7w（100 條）
VSR（100 條）
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證我們的模型在多模態(tài)數(shù)學(xué)推理任務(wù)中的表現(xiàn)，我們進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)，并在多個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測試。以下是實(shí)驗(yàn)部分的詳細(xì)介紹：
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1、 Visual Datasets
我們構(gòu)建了一個(gè)全面的評估框架，涵蓋視覺檢測、視覺分類和多模態(tài)數(shù)學(xué)推理三個(gè)主要任務(wù)，以評估強(qiáng)化學(xué)習(xí)對視覺語言模型的有效性和泛化能力。
視覺檢測：使用 RefCOCO 和 RefGta 數(shù)據(jù)集。
視覺分類：采用 RefCOCO、RefCOCOg和 Pascal-VOC 數(shù)據(jù)集。
多模態(tài)數(shù)學(xué)推理：結(jié)合 Math360K、Geo170K 和 CLEVER-70k-Counting 數(shù)據(jù)集。
2、Benchmarks
我們在多個(gè)權(quán)威基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上評估了模型的表現(xiàn)，包括：
MathVisa：綜合數(shù)學(xué)基準(zhǔn)。
MATH：高中競賽級別數(shù)學(xué)問題。
AI2D：小學(xué)科學(xué)圖表及相關(guān)問題。
MMVet 和 MMBench：復(fù)雜推理和多模態(tài)能力評估。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們展示了使用課程強(qiáng)化微調(diào)（Curr-ReFT）訓(xùn)練的模型在多模態(tài)任務(wù)上的顯著性能提升，特別是在跨領(lǐng)域泛化能力和復(fù)雜推理任務(wù)方面。
與傳統(tǒng)的監(jiān)督微調(diào)（SFT）方法相比，我們的方法不僅提高了準(zhǔn)確率，還增強(qiáng)了模型處理未見過的數(shù)據(jù)的能力。以下表格展示了不同訓(xùn)練方法在域內(nèi)和域外數(shù)據(jù)集上的性能對比。具體包括傳統(tǒng)監(jiān)督微調(diào)（SFT）和強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）兩種方法：
通過這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練（RL）方法在提高模型的域內(nèi)和域外表現(xiàn)方面具有顯著優(yōu)勢，尤其是在處理未見過的數(shù)據(jù)時(shí)，能夠保持較高的準(zhǔn)確率。
Visual Datasets 上不同方法模型的測試結(jié)果如下：
為了驗(yàn)證 Curr-ReFT 的泛化性以及使用后不會(huì)削弱模型在其他領(lǐng)域的推理能力，我們在多模態(tài)領(lǐng)域多個(gè) Benchmark 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行驗(yàn)證。Benchmarks 上不同方法模型的測試結(jié)果如下（評測集裁判模型使用 GPT-3.5）：
總結(jié)
本研究聚焦于提升小規(guī)模視覺-語言模型（VLMs）在推理能力和域外（OOD）泛化性能兩個(gè)關(guān)鍵方面的表現(xiàn)。通過實(shí)證研究，我們發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)不僅能有效提升模型的推理能力，更在視覺任務(wù)中展現(xiàn)出超出預(yù)期的泛化性能提升。
基于這一重要發(fā)現(xiàn)，我們提出了創(chuàng)新性的課程式強(qiáng)化學(xué)習(xí)微調(diào)（Curr-ReFT）后訓(xùn)練范式。該方法巧妙地融合了漸進(jìn)式課程學(xué)習(xí)與拒絕采樣策略。Curr-ReFT 通過兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制：
任務(wù)復(fù)雜度的漸進(jìn)式提升
高質(zhì)量樣本的選擇性學(xué)習(xí) 成功實(shí)現(xiàn)了模型性能的顯著提升。
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