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Vision-Language Model, VLM; 비전-언어 모델
이미지(와 영상)와 텍스트를 함께 입력받아 이해하고, 주로 텍스트로 답하는 인공지능 모델

비전-언어 모델(VLM)은 사진, 도표, 화면 캡처, 영상 같은 시각 입력과 자연어를 한 모델 안에서 함께 다루는 모델이다. "이 사진에서 고장 난 부분이 어디인가", "이 영수증의 합계를 표로 정리해 달라"처럼 이미지에 대한 질문에 문장으로 답한다. 대형 언어 모델(LLM)에 시각 입력을 붙인 형태가 주류라서 대형 비전-언어 모델(LVLM), 멀티모달 대형 언어 모델(MLLM)이라고도 부른다.

멀티모달 인공지능의 한 갈래로, 텍스트와 이미지 두 모달리티에 집중한다는 점이 특징이다. 이미지를 만들어 내는 확산 모델 계열의 이미지 생성 모델은 보통 VLM에 넣지 않는다. 2023년 GPT-4가 이미지 입력을 받기 시작한 뒤 상용 챗봇 대부분이 이미지 이해 기능을 갖추었고, 이 능력은 화면을 보고 마우스와 키보드를 다루는 컴퓨터 사용 에이전트와 로봇을 움직이는 비전-언어-행동 모델의 기반이 되었다.

현재 VLM 대부분은 세 부품으로 이루어진다.

부품 역할 대표 예
비전 인코더 이미지를 패치 단위 특징 벡터 열로 바꾼다 CLIP ViT-L/14, SigLIP, InternViT-6B
연결부(커넥터, 투영) 비전 특징을 언어 모델이 받는 임베딩 공간으로 옮기고, 필요하면 개수를 줄인다 선형 투영(LLaVA), MLP(LLaVA-1.5), Q-Former(BLIP-2), 퍼시버 리샘플러(Flamingo)
언어 모델 이미지 토큰과 텍스트 토큰을 함께 읽고 답을 생성한다 Vicuna, 라마, Qwen, Chinchilla

비전 인코더는 주로 비전 트랜스포머(ViT)다. 이미지를 14×14나 16×16 픽셀 패치로 잘라 각 패치를 토큰처럼 처리하므로, 출력은 패치 수만큼의 벡터 열이 된다. 예를 들어 336×336 이미지를 14픽셀 패치로 자르면 24×24=576개 벡터가 나온다. 인코더는 대조 학습으로 미리 학습한 CLIP이나 SigLIP 계열을 가져다 쓰는 경우가 많다.

시각 정보를 언어 모델에 넣는 방식

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방식 동작 대표 모델 장단점
입력 연결(early fusion에 가까움) 투영한 이미지 토큰을 텍스트 토큰 앞이나 사이에 끼워 언어 모델 입력으로 넣는다 LLaVA, MiniGPT-4, Qwen-VL, Qwen2-VL 구조가 단순하고 기존 LLM을 거의 그대로 쓴다. 이미지 토큰이 많으면 컨텍스트 윈도우와 연산을 많이 차지한다
교차 어텐션 삽입 언어 모델 블록 사이에 시각 특징을 참조하는 교차 어텐션 층을 끼운다 Flamingo 언어 모델 입력 길이가 늘지 않는다. 언어 모델 내부를 고쳐야 한다
쿼리 기반 압축 학습 가능한 고정 개수의 쿼리 벡터가 시각 특징을 요약해 짧은 토큰 열로 만든다 BLIP-2의 Q-Former, Flamingo의 퍼시버 리샘플러 이미지당 토큰 수가 일정하다. 세밀한 정보가 줄어들 수 있다
이중 인코더(듀얼 인코더) 이미지와 텍스트를 따로 인코딩해 같은 벡터 공간에서 유사도만 계산한다 CLIP, SigLIP 검색과 제로샷 분류에 강하다. 문장을 생성하지 못한다

이중 인코더 모델은 엄밀히는 문장을 생성하는 VLM이 아니라 판별 모델이지만, 넓은 의미의 비전-언어 모델에 포함하고 생성형 VLM의 비전 인코더로 쓰인다.

초기 모델은 이미지를 224×224나 336×336 정사각형으로 줄여 넣었기 때문에 작은 글씨나 세로로 긴 문서를 잘 읽지 못했다. 이후 고해상도 이미지를 여러 타일로 나눠 각각 인코딩하는 방식(LLaVA-NeXT 등)과, 이미지 크기에 따라 토큰 수를 바꾸는 방식이 나왔다. Qwen2-VL은 임의 해상도 이미지를 그대로 받아 해상도에 따라 다른 개수의 시각 토큰을 만드는 동적 해상도와, 텍스트, 이미지, 영상의 위치 정보를 함께 담는 다차원 회전 위치 임베딩(M-RoPE)을 도입했다.[1]

VLM은 이미 학습된 비전 인코더와 언어 모델을 연결한 뒤, 둘이 서로를 이해하도록 맞추는 단계를 거친다. LLaVA가 보여 준 2단계 방식이 기본형이다.[2]

단계 학습하는 부분 데이터 목적
1. 정렬 사전학습(feature alignment) 연결부만 학습하고 인코더와 언어 모델은 고정 이미지-캡션 쌍(LLaVA는 CC3M에서 고른 약 59만 쌍) 이미지 특징을 언어 모델이 읽을 수 있는 임베딩으로 옮긴다
2. 시각 지시 튜닝(visual instruction tuning) 연결부와 언어 모델(인코더는 보통 고정) 이미지에 대한 질문-답, 대화, 추론 예시(LLaVA-Instruct-158K 등) 사람의 지시를 따라 이미지에 대해 대화하게 한다

LLaVA는 이미지를 볼 수 없는 텍스트 전용 GPT-4에 COCO 이미지의 캡션과 객체 위치 정보를 글로 주고 질문-답 대화를 지어내게 하는 방법으로 시각 지시 데이터를 만들었다.[2] 후속작 LLaVA-1.5는 연결부를 MLP로 바꾸고 학술용 VQA 데이터를 더해, 공개 데이터 약 120만 건만으로 8장의 A100 GPU에서 하루 정도에 학습을 마쳤다.[3] 지시 튜닝은 텍스트 LLM의 지도 미세조정과 같은 발상을 시각 입력으로 넓힌 것이다.

대형 모델은 여기에 더해 이미지와 텍스트가 섞인 웹 문서, 문서 OCR, 표와 차트, 물체 위치(바운딩 박스) 데이터로 대규모 사전학습을 하고, 마지막에 인간 피드백 기반 강화 학습 같은 정렬 단계를 거친다. Qwen-VL은 이미지-캡션-박스 묶음을 학습해 물체 위치를 좌표로 답하는 그라운딩과 글자 읽기 능력을 갖추었다.[4]

VLM은 이미지 캡셔닝과 시각적 질의응답(VQA) 연구에서 나왔다. 2010년대 중반에는 합성곱 신경망으로 이미지를 인코딩하고 RNN이나 LSTM으로 문장을 생성하는 인코더-디코더 구조가 쓰였고, 이후 디코더가 트랜스포머로 바뀌었다. 이 시기 모델은 캡션 생성, VQA처럼 정해진 과제 하나를 위해 학습했다.

2021년 OpenAI의 CLIP이 인터넷에서 모은 이미지-텍스트 4억 쌍으로 이미지와 문장을 같은 벡터 공간에 놓는 법을 배우면서, 범용 시각 표현을 텍스트로 다룰 길이 열렸다.[5] 2022년부터는 고정된 비전 인코더와 고정된 언어 모델을 작은 연결부로 잇는 방식이 퍼졌다.

시기 모델 개발 의의
2021년 1월 CLIP OpenAI 이미지-텍스트 4억 쌍 대조 학습. 이후 VLM 비전 인코더의 표준이 됨[5]
2022년 4월 Flamingo 딥마인드 고정된 비전 인코더와 Chinchilla 언어 모델을 교차 어텐션으로 연결. 이미지와 텍스트가 섞인 입력으로 퓨샷 학습[6]
2022년 9월 PaLI 구글 40억 매개변수 ViT-e와 100여 개 언어, 100억 건 이미지-텍스트 데이터로 비전과 언어를 함께 키움[7]
2023년 1월 BLIP-2 세일즈포스 Q-Former로 고정 인코더와 고정 LLM을 연결. 학습 매개변수가 54배 적고도 Flamingo 80B보다 제로샷 VQAv2에서 8.7%p 높음[8]
2023년 3월 GPT-4 OpenAI 이미지와 텍스트 입력을 받아 텍스트를 출력하는 상용 모델. 구조는 공개하지 않음[9]
2023년 4월 LLaVA, MiniGPT-4 위스콘신-매디슨대 등, KAUST CLIP 인코더와 Vicuna를 투영층 하나로 연결. 공개 모델 VLM의 기본형이 됨[2][10]
2023년 5월 InstructBLIP 세일즈포스 공개 데이터셋 26개를 지시 형식으로 바꿔 BLIP-2를 지시 튜닝[11]
2023년 8월 Qwen-VL 알리바바 그라운딩(위치 지정)과 글자 읽기, 3단계 학습[4]
2023년 9월 GPT-4V OpenAI GPT-4의 이미지 입력 기능을 ChatGPT 사용자에게 공개하며 시스템 카드 발표[12]
2023년 12월 제미나이 구글 처음부터 이미지, 오디오, 영상, 텍스트를 함께 학습한 멀티모달 모델 계열[13]
2023년 12월 InternVL 상하이 AI 연구소 등 비전 인코더를 60억 매개변수로 키워 LLM과 정렬[14]
2024년 5월 GPT-4o OpenAI 텍스트, 이미지, 음성을 한 모델에서 처리
2024년 9월 Qwen2-VL 알리바바 동적 해상도와 M-RoPE, 2B/8B/72B 공개[1]

공개된 구조로 보면 CLIP류 비전 인코더, 기성 LLM, 그 둘을 잇는 연결부라는 설계는 대부분의 모델이 공유한다. GPT-4V, 제미나이, 클로드 같은 상용 모델은 세부 구조를 공개하지 않는다.

과제 내용
이미지 캡셔닝 이미지를 문장으로 설명한다
시각적 질의응답(VQA) 이미지에 대한 질문에 답한다. 세부 인식("이 소스는 어떤 종류인가"), 상식 추론("안경 쓴 사람은 시력이 좋은가"), 외부 지식이 필요한 질문으로 나뉜다
문서·차트 이해 스캔 문서, 표, 그래프, 수식을 읽는다. 광학 문자 인식을 모델 안에서 함께 처리한다
시각 그라운딩 "왼쪽 빨간 컵"처럼 문장이 가리키는 물체의 위치를 좌표나 상자로 답한다
제로샷 분류·검색 클래스 이름 문장과 이미지의 유사도로 분류하거나, 문장으로 이미지를 찾는다(주로 이중 인코더)
다중 이미지·영상 이해 여러 장의 이미지나 영상 프레임을 비교하고 시간 흐름을 이해한다
화면 이해 웹 페이지나 앱 화면의 버튼, 입력란을 찾아 컴퓨터 사용 에이전트가 조작할 위치를 정한다

평가 벤치마크로는 VQAv2, 문서 이해용 DocVQA, 차트용 ChartQA, 대학 수준 전공 문제 11,500개로 이루어진 MMMU 등이 있다. MMMU가 나온 2023년 11월에는 GPT-4V와 Gemini Ultra의 정답률이 각각 56%, 59%에 그쳤다.[15]

  • 시각 환각(visual hallucination): 이미지에 없는 물체를 있다고 답하거나 색, 개수, 위치를 틀리게 말한다. 2023년 체계적 연구에서 당시 대표 VLM 대부분이 심한 물체 환각을 보였고, 지시 데이터에 자주 나오거나 이미지 속 물체와 함께 잘 등장하는 물체일수록 환각이 잦았다. 이 연구는 "이미지에 X가 있는가"를 예/아니요로 묻는 평가법 POPE를 제안했다.[16] 언어 모델이 가진 사전 지식이 시각 증거보다 앞서는 것이 주요 원인으로 꼽힌다. 자세한 내용은 할루시네이션 (인공지능) 문서 참고.
  • 세는 일과 공간 관계: 물체 개수 세기, 좌우·앞뒤 관계, 시계 읽기처럼 정밀한 공간 판단에 약하다.
  • 해상도와 비용: 이미지 한 장이 수백~수천 토큰이 되므로 고해상도 이미지나 긴 영상은 연산과 KV 캐시 부담이 크다. 해상도를 낮추면 작은 글씨를 놓친다.
  • 이미지를 통한 공격: 이미지 안에 숨긴 글자로 지시를 주입하는 간접 프롬프트 인젝션이나, 사람 눈에는 보이지 않는 적대적 섭동으로 모델을 속일 수 있다.
  • 편향: 웹 이미지-텍스트 데이터의 편향을 그대로 배운다.
  1. ↑ 1.0 1.1 Peng Wang 외, 〈Qwen2-VL: Enhancing Vision-Language Model's Perception of the World at Any Resolution〉, 2024. arXiv:2409.12191
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 Haotian Liu 외, 〈Visual Instruction Tuning〉, NeurIPS 2023. arXiv:2304.08485
  3. ↑ Haotian Liu 외, 〈Improved Baselines with Visual Instruction Tuning〉, CVPR 2024. arXiv:2310.03744
  4. ↑ 4.0 4.1 Jinze Bai 외, 〈Qwen-VL: A Versatile Vision-Language Model for Understanding, Localization, Text Reading, and Beyond〉, 2023. arXiv:2308.12966
  5. ↑ 5.0 5.1 Alec Radford 외, 〈Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision〉, ICML 2021. arXiv:2103.00020
  6. ↑ Jean-Baptiste Alayrac 외, 〈Flamingo: a Visual Language Model for Few-Shot Learning〉, NeurIPS 2022. arXiv:2204.14198
  7. ↑ Xi Chen 외, 〈PaLI: A Jointly-Scaled Multilingual Language-Image Model〉, ICLR 2023. arXiv:2209.06794
  8. ↑ Junnan Li 외, 〈BLIP-2: Bootstrapping Language-Image Pre-training with Frozen Image Encoders and Large Language Models〉, 2023. arXiv:2301.12597
  9. ↑ OpenAI, 〈GPT-4 Technical Report〉, 2023. arXiv:2303.08774
  10. ↑ Deyao Zhu 외, 〈MiniGPT-4: Enhancing Vision-Language Understanding with Advanced Large Language Models〉, 2023. arXiv:2304.10592
  11. ↑ Wenliang Dai 외, 〈InstructBLIP: Towards General-purpose Vision-Language Models with Instruction Tuning〉, 2023. arXiv:2305.06500
  12. ↑ GPT-4V(ision) system card, OpenAI, 2023-09-25.
  13. ↑ Gemini Team, 〈Gemini: A Family of Highly Capable Multimodal Models〉, 2023. arXiv:2312.11805
  14. ↑ Zhe Chen 외, 〈InternVL: Scaling up Vision Foundation Models and Aligning for Generic Visual-Linguistic Tasks〉, CVPR 2024. arXiv:2312.14238
  15. ↑ Xiang Yue 외, 〈MMMU: A Massive Multi-discipline Multimodal Understanding and Reasoning Benchmark for Expert AGI〉, CVPR 2024. arXiv:2311.16502
  16. ↑ Yifan Li 외, 〈Evaluating Object Hallucination in Large Vision-Language Models〉, EMNLP 2023. arXiv:2305.10355