【源头活水】ECCV2024｜DepictQA: 图像质量感知多模态语言模型

“问渠那得清如许，为有源头活水来”，通过前沿领域知识的学习，从其他研究领域得到启发，对研究问题的本质有更清晰的认识和理解，是自我提高的不竭源泉。为此，我们特别精选论文阅读笔记，开辟“源头活水”专栏，帮助你广泛而深入的阅读科研文献，敬请关注！

项目主页：https://depictqa.github.io DepictQA-v1 (ECCV2024) ：https://arxiv.org/abs/2312.08962 DepictQA-v2 (arXiv, preprint) ：https://arxiv.org/abs/2405.18842 代码 (包括训练推理与数据集构造代码)：https://github.com/XPixelGroup/DepictQA 数据集：https://huggingface.co/datasets/zhiyuanyou/DataDepictQA

为什么会做这个项目？

图像质量感知是一个宏大而复杂的课题。比如：

• 图像是细节越多越好吗？

并不是。很多人都会喜欢湛蓝纯净的天空。因此，在飘了一些淡淡的云彩的天空中加入blur，使得天空的颜色更加均匀，人看起来反而更好看。

• 失真一定会带来低质量吗？

并不是。如下图所示，右图是在左图的基础上添加噪声得到的。但是在这种情况下，噪声可以使手部皮肤看起来更加真实，而左图则显得过度平坦化。在这种情况下，噪声使图像更加真实。

很容易发现，图像质量感知与图像的局部内容是强相关的，甚至是与个人的喜好强相关的。

那么，如何刻画如此复杂的质量感知呢？

现有的图像质量评价 (IQA) 方法使用score来描述图像质量，可以直接用于对比不同模型的性能，被广泛地作为metric或者loss使用，促进了图像生成、修复等领域的发展。但是，score这种描述形式是图像质量感知的一个综合的方面，其表达能力的上限是不足的，无法刻画复杂的局部性和内容相关性。

在大语言模型 (LLM) 和多模态语言模型 (MLLM) 出现后，我们希望语言成为描述图像质量感知这个复杂问题的工具，这也是这一系列工作的初衷。

TL;DR

1. DepictQA是基于多模态语言模型 (MLLM) 的图像质量感知方法。我们希望借助MLLM，对图像质量进行类似于人类的、基于语言的描述。
2. DepictQA-v1。为了验证MLLM感知图像质量的可行性，我们 (1) 构造了full-reference下的任务框架，(2) 构建了一个包括 大量的、简短的、模版化的构造数据 + 少部分的、详细的、人工标注的数据 组成的数据集，(3) 训练了一个MLLM，验证了MLLM感知图像质量的可行性。
3. DepictQA-v2。在可行性验证之后，我们希望拓展模型的适用范围，进行了 (1) 任务框架的拓展 (任务类型从3种到8种)，(2) 数据集的scaling up (detail数据从5K到56K)，实现了 (3) 在自然图像上具有一定的泛化性。

Motivation: Score-based质量感知方法的局限性

现有的图像质量感知方法主要是score-based方法。这些方法输出一个score来描述图像质量，可以用于对比不同模型的性能，被广泛地作为metric或者loss使用，促进了图像生成、修复等领域的发展。

虽然取得了如此巨大的成功，我们认为score的描述形式限制了更深层次的质量感知。

• 首先，图像质量包括了很多的因素，这些因素无法通过一个简单的score有效表达，例如图3中的噪声、色彩失真和伪影等。
• 其次，score无法模拟人类的感知过程。例如，在图3(b)中，人类一般首先识别图像的失真（即图像A中的噪声、图像B中的色彩失真和伪影），然后权衡这些失真对内容表达的影响（图像B中的色彩失真和伪影比图像A中的噪声更严重），最后得出结论 (图像A比图像B更好) 。但是，简单地对比score来判断好坏无法反应出人类复杂的感知过程。

最近，以ChatGPT为代表的大语言模型 (LLM) 将深度学习带入了大模型时代，随之出现的多模态大语言模型 (MLLM) 可以使用语言对图像的内容进行详细的描述。因此，我们希望探究基于MLLM、使用语言对于图像质量进行描述的方法。

DepictQA-v1

任务定义

我们建立了一个包括三个任务的任务框架。

• 质量描述。模型应该能够感知图像失真。如图5(a)，给出参考图像和一张失真图像，模型需要描述失真图像中的失真和纹理损伤，并判断失真图像的整体质量。
• 质量对比。模型应该能直接对比两张图像的好坏。如图5(b)，给出参考图像和两张不同的失真图像，模型需要确定哪一张失真图像的质量更好。
• 对比归因。模型应该能对两张图像的好坏进行判断并归因。如图5(c)，模型需要描述两张失真图像的失真和纹理损伤，并推理权衡利弊，对比图像质量的好坏。该任务是质量描述和质量对比的综合。

数据收集

• 人工标注选项 + GPT-4语言化

在DepictQA-v1收集数据时，GPT-4V等强多模态模型还没有出现。我们设计了人工标注选项 + GPT-4语言化的数据策略。如图5所示，我们设计了由选择题构成的问卷，标注员标注问卷后，GPT-4将问卷的标注结果组合成语言，由此构造图像文本对。

大量的、简短的、模板化回答 + 少部分的、详细的回答

人工标注数据是详细的，但是费时费力获取难度大。因此，我们将已有的包含score的数据集转化为文本，构造大量的、简短的、模版化的数据。比如，图像A的score比图像B高，可以转化为"Image A maintains a better quality than Image B"。将模版化数据 + 详细数据混合训练，对于对比精度和归因准确性都有一定提升。

模型训练

如图6所示，我们采用了LLaVA框架，包括image encoder、image projector、LLM三部分。

• 区分多张图像

LLaVA的输入是单张图像，而我们涉及到多张图像。如何让模型区别多张图像是十分重要的。我们测试了4种区分多种图像的方法，并根据结果选择了textual hint + tag hint的方法。

• 加入high-level数据作为正则化

质量相关的描述语言是单一的，包括的独立词汇量偏少。仅仅用这些数据训练，模型存在过拟合、说套话、重复说话的问题。因此，我们在训练过程中加入了LAMM引入的COCO详细描述数据作为正则化。

实验结果

• 在双图对比、多图对比 (双图对比的拓展) 上，超越了经典的score-based方法。

• 在质量描述和对比归因上，通用MLLMs不具有质量感知能力，而DepictQA-v1体现出了一定的质量感知能力。

DepictQA-v2

任务定义

DepictQA-v1主要关注了full-reference设置下的3种任务。在DepictQA-v2中，我们对任务定义进行了拓展，从3种任务扩展到8种任务，提出了一个多任务的框架。如图7所示，拓展后的任务框架包括了单图评估和双图对比两大类任务，每类任务都包括了brief和detail两个子任务，支持full-reference和non-reference设置。

数据收集

• 更全面的自然图像。我们选择了KADIS-700K作为高质量图像的来源，一共包括了140K的高质量图像。
• 更全面的失真类型。我们构建了一个全面的失真库，包括了35种失真类型，每种类型包括了5个等级。
• 更大尺度的数据量。我们将detail数据从DepictQA-v1的5K扩增到了56K，相应地，brief的数据也扩增到了440K。
• 更合理的数据生成。在构造DepictQA-v2的数据集时，GPT-4V等强多模态模型已经出现。Co-Instruct直接采用了GPT-4V构造数据。虽然GPT-4V具有强大的内容识别、逻辑推理能力，但是其失真识别、质量对比能力都是不足的。因此，如图8所示，我们提出ground-truth-informed生成方法，将失真识别和质量对比的结果直接加入GPT-4V的prompt中，提升了生成数据的质量。

模型训练

我们采用了DepictQA-v1的模型架构。

• 图像分辨率的适应。由于图像的分辨率以及比例也是质量的重要部分，我们提出对于clip image encoder的位置编码进行差值，而保留图像的原始分辨率和比例。
• 置信度的计算。MLLM的response缺乏一个良好的置信度。我们提取了response中的key tokens，计算了key tokens的预测概率作为置信度。

实验结果

• 在失真识别上，超越了通用MLLMs、以及已有的MLLM-based质量感知模型。

• 在直接对比上，超越了score-based方法、通用MLLMs、以及已有的MLLM-based质量感知模型。

• 在评估归因和对比归因上，超越了通用MLLMs、以及已有的MLLM-based质量感知模型。

• 在web下载的真实图像上也体现出较好的泛化性。

• 模型预测的置信度与模型性能的一致程度非常高。

不足与未来的工作

在这两篇工作中，我们展示了使用MLLMs描述图像质量的可能性。但是，MLLM-based图像质量感知模型的落地应用仍有很长的路要走。

• 数据的数量和覆盖范围不足，限制了模型的泛化性能。尽管DepictQA-v2已经进行了数据集的scaling up，但是对于非自然图像，其泛化性能依然不足。
• MLLM-based方法的应用不像score-based方法那么自然。Score可以被直接对比选择更优的模型，但语言不能被直接对比。Score也可以被用作loss优化模型，但语言目前还不具有这种特性。因此，质量感知的语言能否被输入生成模型或者修复模型用于质量提升，还需要进一步的探索。

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