论文笔记——KIMI-VL：具有增强推理能力的有效开源视觉语言模型

KIMI-VL：具有增强推理能力的有效开源视觉语言模型

原文地址：https://arxiv.org/pdf/2504.07491v1

开源地址：https://github.com/MoonshotAI/Kimi-VL

目录

• 简介
• 架构概述
• 训练方法
• 主要功能
• 性能基准
• 通过长链思考增强推理
• 应用
• 结论

简介

视觉语言模型 (VLM) 在人工智能领域正变得越来越重要，使系统能够处理和理解视觉和文本信息。Kimi-VL 代表了开源 VLM 的一项重大进步，解决了开源模型与 GPT-4o 和 Google Gemini 等专有解决方案之间的性能差距。该模型由 Moonshot AI 的 Kimi 团队开发，在效率、可扩展性和推理能力方面进行了创新。

图 1：Kimi-VL 架构，展示了 MoonViT 视觉编码器处理各种输入类型、MLP 投影仪和混合专家 (MoE) 语言模型。

Kimi-VL 的独特之处在于其混合专家 (MoE) 架构，该架构允许构建更高效的模型，仅激活 28 亿个参数（总共 160 亿个），同时保持与更大模型相媲美的性能。该模型还具有原生分辨率视觉编码器 (MoonViT)，可以处理原始分辨率的图像而无需子图像分割，并支持 128K tokens 的扩展上下文窗口，使其能够处理复杂的、多轮交互和长篇内容。

架构概述

Kimi-VL 的架构包含三个主要组成部分：

1. MoonViT 视觉编码器：一种原生分辨率视觉编码器，可以处理各种分辨率的图像，而无需进行子图像分割。这使得 Kimi-VL 能够处理各种视觉输入，包括小图像、精细细节、长视频、UI 截图以及具有特殊纵横比的 OCR 内容。该编码器采用了一种打包方法和 2D 旋转位置嵌入 (RoPE) 来保持空间关系。

2. MLP 投影仪：用作视觉编码器和语言模型之间的桥梁，将视觉特征与语言表示空间对齐。

3. MoE 语言模型 (Moonlight)：基于 DeepSeek-V3，该组件使用 MoE 架构，激活了 28 亿个参数（总共 160 亿个）。MoE 方法使模型能够在保持高性能的同时，保持可控的计算成本。

整个训练过程中使用的优化器是 Muon 的增强版本，它仔细调整了每个参数的更新规模，并包括权重衰减以提高训练稳定性和模型性能。

训练方法

Kimi-VL 的开发遵循结构化的多阶段方法：

图 2：Kimi-VL 的预训练阶段，展示了从文本预训练到联合预训练、冷却和长上下文激活的进展。

1. 预训练阶段：

   • 使用 5.2T 数据进行文本预训练
   • 使用 2.0T 数据进行视觉编码器 (ViT) 训练
   • 使用 1.4T 数据进行联合预训练（高达 40% 的多模态）
   • 使用 0.6T 高质量文本和多模态数据进行联合冷却
   • 使用 0.3T 数据进行联合长上下文激活，将 RoPE 基数从 50,000 扩展到 800,000

2. 后训练阶段：

   

   图 3：后训练流程，展示了监督微调、长链思考 (CoT) 监督微调和强化学习阶段。

• 联合监督微调 (SFT) 以增强指令遵循能力
• 长链思维 (CoT) SFT 以实现详细的推理
• 强化学习进一步提高推理能力，并对过长的回复进行惩罚

1. 数据构建: 训练利用了多样化的多模态数据，包括字幕数据、交错数据、OCR 数据、知识数据、代理数据和视频数据，这些数据经过精心策划，以确保高质量和非重复性。

2. 基础设施: 训练采用了 4D 并行（数据、专家、流水线和上下文并行）和 ZeRO1 优化策略，以提高内存效率并减少通信开销。

关键能力

Kimi-VL 展示了几个关键能力，使其区别于其他模型：

1. 原生高分辨率处理: MoonViT 编码器可以处理原始分辨率的图像，从而能够精确理解视觉细节和复杂文档。

2. 长上下文理解: 凭借 128K 的上下文窗口，Kimi-VL 可以处理冗长的文档、视频和多轮对话，并在整个过程中保持上下文感知。

3. OCR 和文档理解: 该模型擅长解析表格、数学方程式和图像中的文本，并将其准确地转换为 Markdown 等结构化格式。

4. 多语言支持: Kimi-VL 在理解和生成多种语言（包括中文）的内容方面表现出强大的性能，正如其解决中文几何问题的能力所表明的那样。

5. UI 导航和交互: 该模型可以解释 UI 元素并引导用户浏览应用程序界面，如 Chrome 设置导航示例所示。

6. 强大的视觉推理: 通过其增强的推理能力，Kimi-VL 可以解决需要视觉感知和逻辑推理的复杂问题。

性能基准

Kimi-VL 在各种基准测试中都取得了具有竞争力的性能，特别是与参数数量相似或更大的模型相比：

图 4：Kimi-VL-A3B 在各种基准类别中的比较性能，包括通用 VLM 任务、OCR、多图像处理、长视频理解、文档理解和代理能力。

在数学推理任务中，Kimi-VL-Thinking 以最少的参数展示了卓越的性能：

图 5：MathVision 性能比较，显示 Kimi-VL-A3B-Thinking 以更少的激活参数实现了优于其他模型的结果。

该模型在以下方面表现出强大的性能：

• MMMU (Massive Multitask Multimodal Understanding) 准确率 57%
• MMBench-EN 准确率 83.1%
• InfoVQA 准确率 83.2%
• LongVideoBench 准确率 64.5%
• MMLongBench-Doc 准确率 35.1%
• ScreenSpot-Pro 准确率 34.5%

通过长链思维增强推理能力

Kimi-VL 尤其值得关注的一个方面是通过实施长链思维 (CoT) 处理来增强推理能力。 这种方法最终促成了 Kimi-VL-Thinking 的开发，通过以下方式显着提高了模型解决复杂问题的能力：

1. 将复杂的任务分解为更小、更易于管理的步骤
2. 明确详细地描述其推理过程
3. 在提供最终答案之前评估和改进其方法

图 6：Kimi-VL 分析爱因斯坦手稿的思维过程示例，展示了详细的逐步推理。

这种方法的有效性体现在模型性能随思维 token 长度的扩展上：

图 7：在 MathVision、MathVista 和 MMMU 基准测试中，测试时准确率随最大思考长度的变化而变化。

如图所示，将最大思考 token 长度从 1k 增加到 16k，可以显著提高数学推理基准测试的准确性：MathVision（从 18.7% 提高到 36.8%），MathVista（从 66.7% 提高到 71.3%），以及 MMMU（从 49.2% 提高到 61.7%）。这表明，允许模型拥有更多的"思考空间"可以使其更有效地解决复杂问题。

应用

Kimi-VL 的能力使其适用于广泛的应用：

1. UI 导航和指导：该模型可以指导用户完成复杂的界面，如其在 Chrome 设置中导航的能力所示。

图 8：Kimi-VL 演示逐步 UI 导航以启用 Chrome 中的"请勿跟踪"功能。

1. 视频理解：该模型可以从视频内容中提取信息和见解，理解事件的进展和随时间变化的内容。

图 9：Kimi-VL 分析视频内容以识别和解释演示文稿中对中国谚语的修改。

1. 文档分析：Kimi-VL 擅长从复杂文档（包括表格和公式）中提取和格式化信息。

图 10：Kimi-VL 处理表格、数学公式和手写文本的示例。

1. 视觉问答：该模型可以高精度地回答有关图像的问题，即使是对于复杂的场景或专业知识也是如此。

图 11：Kimi-VL 回答各种视觉问题的示例，从识别地标到识别视频游戏环境。

1. 数学问题解决：Kimi-VL 可以理解和解决以视觉方式呈现的数学问题，并逐步展示其工作过程。

图 12：Kimi-VL 解决了一个用中文呈现的几何问题，展示了语言的多功能性和数学推理能力。

结论

Kimi-VL 代表了开源视觉语言模型领域的重大进步。通过将高效的 MoE 架构与原生分辨率视觉编码器和扩展的上下文窗口相结合，该模型在广泛的任务中实现了有竞争力的性能，同时保持了合理的计算要求。

通过 Long-CoT 监督微调和强化学习开发的 Kimi-VL-Thinking 进一步增强了模型的推理能力，使其能够解决需要视觉理解和逻辑推理的复杂问题。

Kimi-VL 的主要贡献包括：

1. 一种高效的开源 VLM，仅激活 2.8B 参数，即可实现与更大的模型相比具有竞争力的性能
2. 一种原生分辨率视觉编码器，可以处理各种视觉输入，而没有分辨率限制
3. 一个 128K 上下文窗口，可以处理长文档、视频和多轮对话
4. 通过 Long-CoT 处理增强推理能力
5. 在通用 VLM 任务、OCR、文档理解和数学推理方面表现出色

这些进步使 Kimi-VL 成为一个多功能的工具，适用于广泛的应用，从 UI 导航和文档处理到复杂的问题解决和教育辅助。作为一种开源模型，Kimi-VL 有助于先进 AI 能力的民主化，使研究人员、开发者和终端用户更容易获得强大的多模态理解能力。