本研究提出了一种无需额外训练的“可视化干预”方法，利用多模态大语言模型（MLLM）自身的注意力与梯度信息，提升其对微小目标的感知能力。具体而言，我们设计了三种自动裁剪方案，基于模型的注意力分布、梯度敏感性及两者结合，动态生成更“聚焦”的视图，帮助模型在回答视觉问题时突出关键细节。该方法无需额外标注或训练，仅依靠模型原生机制即可显著增强小目标识别能力，尤其在医学图像分析、安全监控等任务中表现突出。多项基准测试表明，该方法能有效提升模型在细微目标区分上的准确性与稳定性，为改进 MLLM 的视觉感知提供了一种灵活高效的思路。
论文标题：
MLLMs Know Where to Look: Training-free Perception of Small Visual Details with Multimodal LLMs
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2502.17422
代码链接：
https://github.com/saccharomycetes/mllms_know
一、简介
在本研究中，我们针对多模态大语言模型（MLLM）在辨识微小视觉信息时的局限性，提出了一套无需额外训练的“可视化干预”方法，巧妙地挖掘并利用模型自身的内部知识（注意力与梯度信息），从而提升模型对小尺度目标的感知能力。
具体而言，我们设计了三种自动裁剪方案，分别根据模型内在的注意力分布、梯度对目标位置的敏感性，以及组合利用这两类内部信号来确定最具辨识度的局部区域。在推理过程中，这些方法会围绕模型潜在的关注焦点动态地产生更“聚焦”的视图，帮助模型在回答视觉问题时忽略干扰并放大关键细节。
有趣的是，这些裁剪策略并不依赖针对性的数据标注或额外训练：它们仅依据模型原生的注意力机制和梯度反馈，即可更精准地定位微小目标所在。如此一来，我们不仅保留了通用型 MLLM 在海量数据中学习到的知识，还能在关键任务（如医学图像分析、安全监控等）中显著减少漏检小目标带来的风险。
我们在多项视觉问答基准上对该方法进行评估，结果表明，裁剪后的图像能够让 MLLM 在区分细微目标时表现更为准确和稳定，且这一增益在对小尺度目标尤其敏感的数据集上最为显著。
总而言之，这些训练无关的可视化干预手段充分利用了 MLLM 内在的多模态表征能力，为解决视觉细节缺失和小目标识别不佳的问题提供了一条灵活、高效且通用的新思路。
在这一部分，我们主要探究多模态大语言模型在面对不同大小的视觉目标时，是否会对小尺度信息“视而不见”。
我们选取了 TextVQA 数据集作为切入点：该数据集中每个问题都有对应的真实边界框，标注了提供正确文字答案的具体位置。我们依据边界框占整张图片的相对面积，将验证集划分为“小”“中”“大”三类，观察模型在不同大小视觉概念上的识别准确度。
直觉上，如果模型的感知能力与目标大小无关，它在这三种场景中的表现应该相差无几。但实验结果却显示，无论是零样本推理模型（如 BLIP-2、InstructBLIP）还是经过 TextVQA 训练的模型（如 LLaVA-1.5、Qwen-VL），它们对小目标的准确率都显著低于大目标，就连最新商业模型 GPT-4o 也不能幸免，足见其对小尺度视觉细节依旧存在偏差。为了进一步确认“小尺度”是否真的是模型无法识别小目标的因果原因，我们还进行了额外的“干预实验”：在输入原始图像的同时，我们把包含正确答案位置的最小正方形区域截取出来、放大到模型可接受的分辨率，再与原始图像共同输入到模型中。这样一来，我们就能直接测量“专注裁剪”对识别效果的影响。
结果显示，特别是在小目标场景下，模型准确率都有了相当明显的提升；而在大目标场景下，这种改进相对较弱。这不仅印证了小视觉概念的存在确实会“压制”模型的识别能力，也表明简单而直接的图像裁剪方法就能在很大程度上缓解这一问题。
通过这些实验，我们得以更深入地了解 MLLM 的视觉感知局限，为后续改进小目标感知提供了思路。
表1: 在 TextVQA 任务中，MLLM 的准确率对视觉目标的大小极其敏感：当答案区域在图像中的相对面积逐渐缩小（从右到左），未裁剪的模型表现明显下降；而采用人工裁剪（human-CROP）后，小目标的识别准确率可显著提升。
三、重要发现：即使回答错误，多模态大模型的注意力位置仍然精准
在本部分，我们探讨多模态大语言模型在视觉问答时，是否能准确找到图像中的关键区域。小目标识别不佳通常有两种可能：要么模型无法顺利定位到小目标，要么虽然知道位置却无法精确识别细节。我们观察到，模型即便回答错误，依然常常关注到目标周边，说明它们确实“知道”该往哪儿看，但缺乏对局部细节的充分感知能力。
为量化这种情况，我们从 MLLM 的跨注意力机制入手：提取“答案到图像 token” 的注意力，再结合“图像 token 到图像区域”的注意力，生成对各图像区域的综合关注度。
考虑到模型也会对某些“注册”或全局信息产生注意，我们提出“相对注意力”概念，将回答问题时的注意力值与模型对同张图片进行“通用描述”时的注意力值进行对比，以突出与答题真正相关的部分。
在 TextVQA 数据集上的实验证明，无论模型回答是否正确，其对包含答案的边界框都维持较高注意力比率。这提示 MLLM 定位能力并非主要瓶颈，真正的挑战在于它们对小尺度特征的精细识别能力。
图1：在本图中，我们展示了 MLLM 在不同网络层的注意力比率（基于 TextVQA 的平均值，带 95% 置信区间）。该比率用于衡量模型对真实答案边界框的关注程度。结果显示，在多数网络层中，该比率都大于 1，意味着即便模型未能正确回答，也能聚焦到图像中与答案相关的关键区域。
四、VICROP方法
在前面章节的研究中，我们发现 MLLM 对于小尺度目标的“聚焦”能力并不差，真正的问题在于其难以清晰辨别小目标的细节。因此，本节提出一种无需额外训练的图像裁剪方法（ViCrop），以充分利用模型内部的注意力和梯度线索，实现自动化的“放大镜”式细节解析。
具体来说，我们先让模型处理一张图像与问题，提取其关键的关注区域。具体来讲，
Relative Attention ViCrop
（rel-att）方法通过获取模型对“回答问题”与“通用描述”这两种场景的注意力差异，锁定与问题语义最相关的图像部位。
Gradient-Weighted Attention ViCrop
（grad-att）则借助模型输出分布对注意力进行梯度加权，以筛除无关的注意力热点；
Input Gradient ViCrop
（pure-grad）更直接地利用模型对原始图像像素的梯度，找出视觉中最能影响决策的细节区域。
这些方法均会输出裁剪后的“放大图”，并与原图一同输入模型，从而让 MLLM 对关键部位做更精细的分析。具体细节请见论文以及代码。
为将这些注意力或梯度图自动转化为可用裁剪框，我们借鉴目标检测的思路，通过多种不同大小的滑窗在整幅图像上移动，寻找在“高关注度”区域上得分最高的位置；再结合基于邻域变化的启发式策略，选出最能平衡“大而全”和“小而聚焦”的最佳窗口。
针对超高分辨率图像（如大于 1K 的场景），我们采用“两阶段”方案：先将大图分块计算关注图，再拼接回原图后选取裁剪区域。
最后，我们将裁剪后的“局部放大版”与原图共同输入模型。这样，一方面可充分保留全局信息，另一方面也能让模型更好地“看清”微小细节。
图2: ViCrop 帮助 MLLM 纠正错误的示例（青色边界框显示 ViCrop 裁剪的区域）
我们将所提出的 ViCrop 方法应用于两款开源 SOTA 多模态大语言模型（InstructBLIP 和 LLaVA-1.5），并在 7 个数据集上验证了它们在“看清”小目标时的改进成效。
结果显示，ViCrop 无需任何额外训练，就能显著提高模型在细节敏感型数据集（例如 TextVQA、V*）上的回答准确率；同时，对主要包含大目标的通用数据集（如 GQA、AOKVQA、VQAv2），也几乎不会造成性能下降。
特别值得关注的是，LLaVA-1.5 在裁剪后收获的提升幅度更明显，或与其针对视觉 token 进行更深入的模型调优有关。总体来看，ViCrop 在推理阶段提供了一个简单而高效的“小目标放大镜”方案，为解决 MLLM 在小尺度识别任务中的局限带来了新的思路。
表2：ViCrop 应用于两个主流 MLLM，在不同 benchmark 下的表现
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