ECCV 2024 | 提升GPT-4V、Gemini检测任务性能，你需要这种提示范式

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本文作者来自浙江大学、上海人工智能实验室、香港中文大学、悉尼大学和牛津大学。作者列表：吴逸璇，王逸舟，唐诗翔，吴文灏，贺通，Wanli Ouyang，Philip Torr，Jian Wu。其中，共同第一作者吴逸璇是浙江大学博士生，王逸舟是上海人工智能实验室科研助理。通讯作者唐诗翔是香港中文大学博士后研究员。

多模态大模型（Multimodal Large Language Models，MLLMs）在不同的任务中表现出了令人印象深刻的能力，尽管如此，这些模型在检测任务中的潜力仍被低估。在复杂的目标检测任务中需要精确坐标时，MLLMs 带有的幻觉又让它常常错过目标物体或给出不准确的边界框。为了让 MLLMs 赋能检测，现有的工作不仅需要收集大量高质量的指令数据集，还需要对开源模型进行微调。费时费力的同时，也无法利用闭源模型更强大的视觉理解能力。为此，浙江大学联合上海人工智能实验室和牛津大学提出了 DetToolChain，一种释放多模态大语言模型检测能力的新提示范式。不需要训练就能让多模态大模型学会精确检测。相关研究已经被 ECCV 2024 收录。

为了解决 MLLM 在检测任务上的问题，DetToolChain 从三个点出发：（1）针对检测设计视觉提示（visual prompts），比传统的文字提示（textual prompts）更直接有效的让 MLLM 理解位置信息，（2）把精细的检测任务拆解成小而简单的任务，（3）利用 chain-of-thought 逐步优化检测结果，也尽可能的避免多模态大模型的幻觉。 

与上述的 insights 对应，DetToolChain 包含两个关键设计：（1）一套全面的视觉处理提示（visual processing prompts），直接在图像中绘制，可以显著缩小视觉信息和文本信息之间的差距。（2）一套全面的检测推理提示 (detection reasoning prompts)，增强对检测目标的空间理解，并通过样本自适应的检测工具链逐步确定最终的目标精确位置。

通过将 DetToolChain 与 MLLM 结合，如 GPT-4V 和 Gemini，可以在无需指令调优的情况下支持各种检测任务，包括开放词汇检测、描述目标检测、指称表达理解和定向目标检测。

• 论文标题：DetToolChain: A New Prompting Paradigm to Unleash Detection Ability of MLLM
• 论文链接：https://arxiv.org/abs/2403.12488

什么是 DetToolChain？

图 1 DetToolChain 的整体框架

如图 1 所示，对于给定的查询图像，MLLM 被指示进行以下步骤：

I. Formatting：将任务的原始输入格式转化为适当的指令模板，作为 MLLM 的输入；

II. Think：将特定的复杂检测任务分解为更简单的子任务，并从检测提示工具包中选择有效的提示（prompts）；

III. Execute：按顺序迭代执行特定的提示（prompts）；

IV. Respond：运用 MLLM 其自身的推理能力来监督整个检测过程并返回最终响应（final answer）。

检测提示工具包：Visual Processing Prompts

图 2：visual processing prompts 的示意图。我们设计了 (1) Regional Amplifier, (2) Spatial Measurement Standard,  (3) Scene Image Parser，从不同的角度来提升 MLLMs 的检测能力。

如图 2 所示，(1) Regional Amplifier 旨在增强 MLLMs 对感兴趣区域（ROI）的可见性，包括将原始图像裁剪成不同部分子区域，重点关注目标物体所在子区域；此外，放大功能则使得可以对图像中特定子区域进行细粒度观察。

(2) Spatial Measurement Standard 通过在原始图像上叠加带有线性刻度的尺子和指南针，为目标检测提供更明确的参考，如图 2 (2) 所示。辅助尺子和指南针使 MLLMs 能够利用叠加在图像上的平移和旋转参考输出准确的坐标和角度。本质上，这一辅助线简化了检测任务，使 MLLMs 能够读取物体的坐标，而不是直接预测它们。

(3) Scene Image Parser 标记预测的物体位置或关系，利用空间和上下文信息实现对图像的空间关系理解。Scene Image Parser 可以分为两类：首先，针对单个目标物体，我们用质心、凸包和带标签名称及框索引的边界框标记预测的物体。这些标记以不同格式表示物体位置信息，使 MLLM 能够检测不同形状和背景的多样物体，特别是形状不规则或被大量遮挡的物体。例如，凸包标记器标记物体的边界点并将其连接为凸包，以增强对形状非常不规则的物体的检测性能。其次，针对多目标，我们通过场景图标记器（scene graph marker）连接不同物体的中心，以突出图像中物体之间的关系。基于场景图，MLLM 可以利用其上下文推理能力来优化预测的边界框并避免幻觉。例如，如图 2 (3) 所示，Jerry 要吃奶酪，因此它们的 bounding box 应该非常接近。

检测提示工具包：Detection Reasoning Prompts

为了提高预测框的可靠性，我们进行了检测推理提示（如表 1 所示），以检查预测结果并诊断可能存在的潜在问题。首先，我们提出了 Problem Insight Guider，突出困难问题并为查询图像提供有效的检测建议和相似例子。例如，针对图 3，Problem Insight Guider 将该查询定义为小物体检测的问题，并建议通过放大冲浪板区域来解决它。其次，为了利用 MLLMs 固有的空间和上下文能力，我们设计了 Spatial Relationship Explorer 和 Contextual Object Predictor，以确保检测结果符合常识。如图 3 所示，冲浪板可能与海洋共现（上下文知识），而冲浪者的脚附近应该有一个冲浪板（空间知识）。此外，我们应用 Self-Verification Promoter 来增强多轮响应的一致性。为了进一步提升 MLLMs 的推理能力，我们采用了广泛应用的 prompting 方法，例如 debating 和 self-debugging 等。详细描述请见原文。

图 3 检测推理提示可以帮助 MLLMs 解决小物体检测问题，例如，利用常识定位人脚下的冲浪板，并鼓励模型在海洋中检测冲浪板。

图 4  一个 DetToolChain 应用于旋转目标检测的例子（HRSC2016 数据集）

实验：免训练也能超越微调方法

如表 2 所示，我们在 open vocabulary detection（OVD）上评估了我们的方法，测试了在 COCO OVD benchmark 中 17 个新类、48 个基础类和所有类的 AP50 结果。结果显示，使用我们的 DetToolChain，GPT-4V 和 Gemini 的性能均显著提升。

为了展示我们的方法在指称表达理解上的有效性，我们将我们的方法与其他零样本方法在 RefCOCO、RefCOCO + 和 RefCOCOg 数据集上进行了比较（表 5）。在 RefCOCO 上，DetToolChain 使得 GPT-4V 基线在 val、test-A 和 test-B 上的性能分别提升了 44.53%、46.11% 和 24.85%，展示了 DetToolChain 在 zero-shot 条件下优越的指称表达理解和定位性能。

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