从CoT到MCoT！NUS、港中文等发布「多模态思维链」重磅综述，280篇文献深度解析

随着人工智能（AI）向通用智能（AGI）迈进，单一模态的链式思维（Chain-of-Thought，CoT）已难以应对现实世界中多源异构数据的复杂推理需求。 这篇综述全面梳理了 MCoT 的理论框架、技术方法及应用前景 ，为多模态 AI 研究提供了系统性参考。

论文标题：

Multimodal Chain-of-Thought Reasoning: A Comprehensive Survey

论文链接：

https://arxiv.org/pdf/2503.12605

项目链接：

https://github.com/yaotingwangofficial/Awesome-MCoT

从 CoT 到 MCoT：多模态推理的范式演进

传统 CoT 通过生成文本化的中间推理步骤显著提升了大语言模型（LLM）在逻辑任务中的表现，但其局限于单一文本模态，难以处理图像、视频、音频等多模态输入。

MCoT 则突破这一限制，支持多模态数据的自由组合与协同推理。例如，在医学诊断中，MCoT 可整合 CT 影像与病史文本，生成诊断报告并标注病灶区域。这种能力不仅模拟了人类多感官认知过程，也为 AGI 的多模态推理奠定了理论基础。

根据思维链的推进步骤可以将 CoT 和 MCoT 划分为以下结构：

MCoT 在多模态中的技术实现

MCoT 的学术创新体现在其针对不同模态的定制化技术策略：

• 图像模态 ：MCoT 通过生成视觉-语言中间步骤提升视觉问答（VQA）和图像生成性能。例如，技术上可采用提示引导模型逐步分解问题（如“识别物体→分析关系”），或通过逐步优化生成高质量图像，增强任务的可解释性与精度。

• 视频模态 ：视频理解需处理时空动态信息，MCoT 常借助关键帧提取或子任务分解。例如，技术路径包括从视频中提取代表性帧，结合时序推理生成答案，或将长视频任务拆解为短片段分析，提升复杂场景下的推理能力。

• 3D 模态 ：3D 场景推理涉及空间理解，MCoT 通过引导 LLM 逐步生成形状或细化场景描述。例如，技术上可利用多阶段推理（如“轮廓生成→体素填充”）支持 3D 建模，或结合外部工具实现细粒度空间分析。

• 音频与语音模态 ：MCoT 将音频任务分解为感知与语义分析步骤。例如，技术实现包括将语音翻译拆分为“信号解码 → 语义推导”，或通过情感信息逐步生成富有表现力的语音输出，提升音频理解与生成的质量。

• 表格与图表模态 ：针对结构化数据，MCoT 结合布局感知与逐步推理。例如，技术上可通过预训练捕捉表格结构，再利用推理链分析数值关系或图表趋势，提升文档理解的准确性。

• 跨模态推理 ：当多模态数据共存时，MCoT 整合异构信息源。例如，技术路径包括将视觉、听觉输入映射至统一推理空间，或通过跨模态 Rationale（如可视化中间步骤）实现协同决策。

这些技术展示了 MCoT 在模态间的灵活性与深度，为多模态推理提供了坚实支撑。

MCoT 的核心方法论：六大技术支柱

MCoT 的理论体系由六大方法论构成，覆盖推理设计的各个维度：

1. 推理构建视角 ：包括基于提示的零/少样本推理、基于规划的树状/图状路径生成，以及基于学习的推理嵌入训练，分别适用于不同任务复杂度。

2. 结构化推理视角 ：通过异步模态处理、固定流程分阶段或自主子任务分解，确保多模态任务的结构化推进。

3. 信息增强视角 ：集成外部工具（如 3D 建模软件）、检索增强生成（RAG）引入知识库，或优化上下文关系提升推理连贯性。

4. 目标粒度视角 ：支持粗粒度场景理解、语义定位及细粒度像素级分析，适应多层次推理需求。

5. 多模态中间步骤 ：生成跨模态 Rationale（如草图或图表），增强推理过程的可视化与可解释性。

6. 测试时扩展视角 ：通过慢思考机制或引入强化学习优化，探索长链推理路径，提升深度推理能力。

这六大支柱共同构成了 MCoT 的学术框架，为多模态推理的算法设计提供了理论指导。

MCoT 应用场景

多模态思维链（MCoT）已超越实验室的理论探索，探索在多个领域的产业化应用。

1. 机器人技术

• 任务规划 ：将复杂的“整理房间”任务分解为“物体识别 → 路径优化 → 抓取执行”等多阶段流程，通过融合视觉输入与传感器数据动态更新行动序列，提升机器人操作的智能化与效率。

2. 自动驾驶

• 多模态决策 ：通过“目标检测→自然语言指令解析→路径规划”的协同过程，整合视觉、语言等多种信息，实现安全高效的驾驶决策，展现 MCoT 在实时系统中的应用潜力。

3. 医疗诊断

• 内镜视频分析 ：采用“关键帧提取 → 病变定位 → 知识库检索 → 结构化报告生成”的步骤，MCoT 能够从视频数据中提取关键信息并结合外部知识，输出精准的诊断结果，助力临床决策。

4. 多模态内容生成

• 高精度创作 ：通过程序化的生成流程（如“草图绘制 → 体素构建 → 纹理渲染”），MCoT 实现从概念到细节的可控输出，为设计与艺术创作提供创新工具。

5. 教育与社会分析

• 情绪洞察 ：结合面部表情、语音语调和文本内容，构建情绪状态分析链，生成多维度的情感评估结果，为个性化教育和社会交互提供数据支持。

未来研究方向

MCoT 的推进仍面临若干学术挑战，比如：计算可持续性，需优化慢思考机制的算力需求；错误传播，需设计长链推理中的自校正策略; 伦理与安全，需构建内容对齐机制防范伪造风险；通用性扩展，需从可验证任务向开放域推理演进。这些问题为后续研究提供了明确方向。

结语：MCoT 的学术贡献与推荐价值

本综述系统性地整合了 MCoT 的理论基础、技术方法与应用案例。其对六大方法论的深度剖析以及各模态技术的细致阐述，为研究者提供系统的学习参考。同时，作者也准备了 Awesome-MCoT 资源库进一步帮助大家更好的检索 MCoT 相关资源。欢迎各位共同探索 MCoT 在 AI 未来中的关键作用：

https://github.com/yaotingwangofficial/Awesome-MCoT

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