多模态幻觉检测：POPE（Polling-based Object Probing Evaluation）基准测试方法

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Sat, 22 Nov 2025 12:24:07 +0000
AI大模型, based, polling, pope

多模态幻觉检测：POPE (Polling-based Object Probing Evaluation) 基准测试方法 大家好，今天我们来深入探讨一个在多模态大型语言模型（MLLMs）领域日益重要的问题：幻觉。特别是，我们将聚焦于一种名为 POPE (Polling-based Object Probing Evaluation) 的基准测试方法，它专门用于评估 MLLMs 在生成图像描述时是否会产生与图像内容不符的“幻觉”。 1. 引言：多模态幻觉的挑战 多模态大型语言模型，例如能够接收图像作为输入并生成文本描述的模型，正变得越来越强大。然而，这些模型并非完美无缺。一个关键的挑战是它们可能产生“幻觉”，即生成与输入图像内容不符的文本描述。这些幻觉可以表现为多种形式，例如： 对象属性幻觉： 正确识别了图像中的对象，但赋予了它错误的属性（例如，描述红色汽车为蓝色）。 对象存在幻觉： 描述了图像中不存在的对象（例如，描述图像中只有狗，但生成文本中提到猫）。 关系幻觉： 错误地描述了图像中对象之间的关系（例如，描述狗在猫后面，但实际上猫在狗后面）。 这些幻觉的存在严重影响了 MLLMs …

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多模态幻觉检测：POPE (Polling-based Object Probing Evaluation) 基准测试方法

大家好，今天我们来深入探讨一个在多模态大型语言模型（MLLMs）领域日益重要的问题：幻觉。特别是，我们将聚焦于一种名为 POPE (Polling-based Object Probing Evaluation) 的基准测试方法，它专门用于评估 MLLMs 在生成图像描述时是否会产生与图像内容不符的“幻觉”。

1. 引言：多模态幻觉的挑战

多模态大型语言模型，例如能够接收图像作为输入并生成文本描述的模型，正变得越来越强大。然而，这些模型并非完美无缺。一个关键的挑战是它们可能产生“幻觉”，即生成与输入图像内容不符的文本描述。这些幻觉可以表现为多种形式，例如：

对象属性幻觉： 正确识别了图像中的对象，但赋予了它错误的属性（例如，描述红色汽车为蓝色）。

对象存在幻觉： 描述了图像中不存在的对象（例如，描述图像中只有狗，但生成文本中提到猫）。

关系幻觉： 错误地描述了图像中对象之间的关系（例如，描述狗在猫后面，但实际上猫在狗后面）。

这些幻觉的存在严重影响了 MLLMs 的可靠性和可用性，特别是在安全敏感的应用中，例如自动驾驶、医疗诊断等。因此，开发有效的评估方法来检测和量化 MLLMs 中的幻觉至关重要。

2. POPE：一种基于投票的对象探测评估方法

POPE 是一种专门设计用于评估 MLLMs 中对象存在幻觉的基准测试方法。它的核心思想是通过“投票”的方式来判断模型是否能够正确区分图像中存在的对象和不存在的对象。POPE 引入了三种不同的探测策略：

POPE-C (Correct)： 从原始图像描述中提取一个正确的对象。

POPE-R (Random)： 从与图像相关的 COCO 数据集中随机选择一个对象。

POPE-A (Adversarial)： 从原始图像描述中提取一个对象，然后替换图像中该对象的属性（例如，将“红色汽车”替换为“蓝色汽车”）。

对于每种策略，POPE 都会生成一个探测问题，例如：“图像中是否存在 [对象]？” 然后，将这个问题输入到 MLLM 中，并根据模型的回答来判断是否存在幻觉。

3. POPE 的实现细节

现在，让我们深入了解 POPE 的实现细节，包括数据准备、问题生成和评估指标。

3.1 数据准备

POPE 的数据准备过程包括以下步骤：

1. 选择数据集： POPE 最初设计用于 COCO 数据集，但可以推广到其他具有图像和描述的数据集。

2. 获取图像描述： 对于每个图像，获取其对应的文本描述。这些描述通常是人工标注的，用于提供图像内容的概述。

3. 对象提取： 从图像描述中提取对象。这可以通过使用自然语言处理 (NLP) 技术，例如命名实体识别 (NER) 或依存句法分析来实现。

3.2 问题生成

POPE 使用三种不同的策略来生成探测问题，如前所述。以下是每种策略的具体实现：

POPE-C (Correct)：

从原始图像描述中随机选择一个对象。

生成问题：“图像中是否存在 [对象]？”

正确答案：是 (Yes)。

import random

def generate_pope_c_question(description):
    """
    生成 POPE-C 问题。

    Args:
        description: 图像的文本描述。

    Returns:
        一个包含问题和正确答案的字典。
    """
    # 假设我们已经提取了描述中的所有对象
    objects = extract_objects_from_description(description) # 需要实现 extract_objects_from_description 函数
    if not objects:
        return None  # 如果没有找到对象，则返回 None

    object_to_probe = random.choice(objects)
    question = f"图像中是否存在 {object_to_probe}?"
    answer = "yes"
    return {"question": question, "answer": answer}

# 示例用法 (需要实现 extract_objects_from_description 函数)
# description = "A red car parked on the street."
# pope_c_question = generate_pope_c_question(description)
# if pope_c_question:
#     print(f"问题: {pope_c_question['question']}")
#     print(f"答案: {pope_c_question['answer']}")

POPE-R (Random)：

从与数据集相关的对象列表中随机选择一个对象。

生成问题：“图像中是否存在 [对象]？”

正确答案：否 (No)，因为该对象并非来自原始描述，因此很可能不在图像中。

import random

def generate_pope_r_question(coco_dataset, image_id):
    """
    生成 POPE-R 问题。

    Args:
        coco_dataset: COCO 数据集对象。
        image_id: 图像的 ID。

    Returns:
        一个包含问题和正确答案的字典。
    """
    # 获取 COCO 数据集中所有对象的列表 (需要实现 get_all_objects_from_coco 函数)
    all_objects = get_all_objects_from_coco(coco_dataset) # 需要实现 get_all_objects_from_coco 函数
    if not all_objects:
        return None  # 如果没有找到对象，则返回 None

    object_to_probe = random.choice(all_objects)
    question = f"图像中是否存在 {object_to_probe}?"
    answer = "no"
    return {"question": question, "answer": answer}

# 示例用法 (需要实现 get_all_objects_from_coco 函数)
# from pycocotools.coco import COCO # 导入COCO api
# annotation_file = 'path/to/your/coco_annotations.json' # 替换为你的 COCO 注释文件路径
# coco = COCO(annotation_file)
# image_id = 324158 # 替换为你的图像ID
# pope_r_question = generate_pope_r_question(coco, image_id)
# if pope_r_question:
#     print(f"问题: {pope_r_question['question']}")
#     print(f"答案: {pope_r_question['answer']}")

POPE-A (Adversarial)：

从原始图像描述中随机选择一个对象。

修改该对象的属性（例如，将“红色汽车”替换为“蓝色汽车”）。

生成问题：“图像中是否存在 [修改后的对象]？”

正确答案：否 (No)，因为修改后的对象与图像中的实际对象不匹配。

import random

def generate_pope_a_question(description):
"""
生成 POPE-A 问题。

Args:
    description: 图像的文本描述。

Returns:
    一个包含问题和正确答案的字典。
"""
# 假设我们已经提取了描述中的所有对象和它们的属性
objects_with_attributes = extract_objects_with_attributes(description) # 需要实现 extract_objects_with_attributes 函数
if not objects_with_attributes:
    return None  # 如果没有找到对象，则返回 None

object_to_probe, attributes = random.choice(list(objects_with_attributes.items())) # 选择一个对象及其属性
if not attributes:
    return None  # 如果没有属性可以修改，则返回 None

# 随机选择一个属性进行修改
attribute_to_modify = random.choice(attributes)

# 假设我们有一个函数可以生成与原始属性不同的属性
modified_attribute = generate_different_attribute(attribute_to_modify) # 需要实现 generate_different_attribute 函数

# 构建修改后的对象描述
modified_object = object_to_probe.replace(attribute_to_modify, modified_attribute)

question = f"图像中是否存在 {modified_object}?"
answer = "no"
return {"question": question, "answer": answer}

示例用法 (需要实现 extract_objects_with_attributes 和 generate_different_attribute 函数)

description = "A red car parked on the street."

pope_a_question = generate_pope_a_question(description)

if pope_a_question:

print(f"问题: {pope_a_question[‘question’]}")

print(f"答案: {pope_a_question[‘answer’]}")

3.3 评估指标

POPE 主要使用准确率 (Accuracy) 作为评估指标。准确率是指模型正确回答问题的比例。对于每种策略 (POPE-C, POPE-R, POPE-A)，都会计算一个单独的准确率。此外，还可以计算一个总体的准确率，作为所有策略的平均值。

def evaluate_pope(model, dataset, question_generation_function):
    """
    评估 POPE 准确率。

    Args:
        model: 要评估的 MLLM 模型。
        dataset: 包含图像和描述的数据集。
        question_generation_function: 用于生成 POPE 问题的函数 (例如, generate_pope_c_question)。

    Returns:
        模型的 POPE 准确率。
    """
    correct_predictions = 0
    total_predictions = 0

    for image, description in dataset: # 假设 dataset 是一个包含 (image, description) 元组的列表
        question_data = question_generation_function(description)
        if question_data is None:
            continue # 如果无法生成问题，则跳过

        question = question_data["question"]
        expected_answer = question_data["answer"]

        # 将图像和问题输入到模型中，并获得模型的预测
        model_prediction = model.answer_question(image, question) # 需要实现 model.answer_question 函数

        # 将模型的预测与预期答案进行比较
        if model_prediction.lower() == expected_answer.lower(): # 忽略大小写
            correct_predictions += 1
        total_predictions += 1

    # 计算准确率
    accuracy = correct_predictions / total_predictions if total_predictions > 0 else 0
    return accuracy

# 示例用法 (需要实现模型和数据集)
# accuracy_c = evaluate_pope(model, dataset, generate_pope_c_question)
# accuracy_r = evaluate_pope(model, dataset, generate_pope_r_question)
# accuracy_a = evaluate_pope(model, dataset, generate_pope_a_question)

# print(f"POPE-C 准确率: {accuracy_c}")
# print(f"POPE-R 准确率: {accuracy_r}")
# print(f"POPE-A 准确率: {accuracy_a}")

4. POPE 的优点和局限性

POPE 作为一种评估 MLLMs 幻觉的基准测试方法，具有以下优点：

简单易用： POPE 的实现相对简单，易于理解和使用。

可解释性： POPE 能够提供关于模型幻觉类型的细粒度信息，例如，模型在识别存在对象方面是否表现良好，但在识别不存在对象方面表现不佳。

可扩展性： POPE 可以扩展到其他数据集和任务。

然而，POPE 也存在一些局限性：

仅关注对象存在幻觉： POPE 主要关注对象存在幻觉，而忽略了其他类型的幻觉，例如对象属性幻觉和关系幻觉。

依赖于对象提取： POPE 的性能取决于对象提取的准确性。如果对象提取不准确，则生成的探测问题可能不具有代表性。

对负样本的敏感性： POPE-R 策略依赖于从数据集中随机选择对象作为负样本。然而，这些负样本可能与图像中的对象过于相似，导致评估结果不准确。

5. 改进 POPE 的方向

为了克服 POPE 的局限性，可以从以下几个方面进行改进：

扩展到其他类型的幻觉： 可以开发新的探测策略来评估对象属性幻觉和关系幻觉。例如，可以生成问题：“图像中汽车的颜色是什么？”，或者“图像中狗和猫之间的关系是什么？”

提高对象提取的准确性： 可以使用更先进的 NLP 技术来提高对象提取的准确性。例如，可以使用基于 Transformer 的模型，例如 BERT 或 RoBERTa，来进行命名实体识别。

选择更具代表性的负样本： 可以使用更智能的方法来选择负样本。例如，可以使用对抗性攻击来生成与图像中的对象尽可能相似的负样本。

6. 其他多模态幻觉检测方法

除了 POPE 之外，还有其他一些用于检测多模态幻觉的方法。这些方法可以大致分为以下几类：

基于知识图谱的方法： 这些方法使用知识图谱来验证生成的文本描述是否与图像内容一致。例如，可以使用 ConceptNet 或 Wikidata 来检查对象之间的关系是否合理。

基于视觉推理的方法： 这些方法使用视觉推理技术来判断生成的文本描述是否与图像内容一致。例如，可以使用视觉问答 (VQA) 模型来验证文本描述中的对象属性和关系。

基于对比学习的方法： 这些方法训练模型来区分真实图像描述和幻觉图像描述。例如，可以使用对比损失函数来鼓励模型将真实图像描述与相应的图像对齐，并将幻觉图像描述与相应的图像分离。

下表总结了一些常见的幻觉检测方法：

方法类型 | 方法名称 | 优点 | 缺点
基于知识图谱 | Fact Verification with Knowledge Graphs (FV-KG) | 可以有效检测知识相关的幻觉 | 依赖于知识图谱的质量和覆盖范围
基于视觉推理 | Visual Entailment (VE) | 可以使用视觉信息来验证文本描述的合理性 | 计算成本高，需要大量的训练数据
基于对比学习 | Contrastive Learning for Hallucination Detection (CL-HD) | 可以有效区分真实图像描述和幻觉图像描述 | 需要仔细选择对比样本，否则可能导致模型偏差
基于对象探测 | POPE (Polling-based Object Probing Evaluation) | 简单易用，可解释性强 | 仅关注对象存在幻觉，依赖于对象提取的准确性

7. 代码示例：使用 Hugging Face Transformers 实现 POPE

以下是一个使用 Hugging Face Transformers 库实现 POPE 的代码示例。该示例使用了 BLIP 模型作为 MLLM，并使用 POPE-C 策略生成探测问题。

from transformers import BlipProcessor, BlipForConditionalGeneration
from PIL import Image
import requests
import random

# 加载 BLIP 模型和处理器
processor = BlipProcessor.from_pretrained("Salesforce/blip-image-captioning-base")
model = BlipForConditionalGeneration.from_pretrained("Salesforce/blip-image-captioning-base")

def extract_objects_from_description(description):
  """
  从文本描述中提取对象 (需要实现)。
  """
  # 这里可以使用 NLP 技术，例如 spaCy 或 NLTK，来进行命名实体识别
  # 为了简化示例，我们假设描述中的所有名词都是对象
  words = description.split()
  objects = [word for word in words if word.isalpha() and word.islower()] # 简单地提取小写字母组成的单词作为对象
  return objects

def answer_question_with_blip(image, question):
    """
    使用 BLIP 模型回答问题。
    """
    inputs = processor(images=image, text=question, return_tensors="pt")
    outputs = model.generate(**inputs)
    answer = processor.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
    return answer

def generate_pope_c_question(description):
    """
    生成 POPE-C 问题。
    """
    objects = extract_objects_from_description(description)
    if not objects:
        return None

    object_to_probe = random.choice(objects)
    question = f"图像中是否存在 {object_to_probe}?"
    answer = "yes"
    return {"question": question, "answer": answer}

# 示例图像 URL
image_url = "https://huggingface.co/datasets/Narsil/image_dummy/raw/main/parrots.png"
image = Image.open(requests.get(image_url, stream=True).raw).convert('RGB')

# 生成图像描述
inputs = processor(images=image, return_tensors="pt")
outputs = model.generate(**inputs)
description = processor.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
print(f"图像描述: {description}")

# 生成 POPE-C 问题
pope_c_question = generate_pope_c_question(description)

if pope_c_question:
    print(f"问题: {pope_c_question['question']}")
    print(f"答案: {pope_c_question['answer']}")

    # 使用 BLIP 模型回答问题
    model_answer = answer_question_with_blip(image, pope_c_question['question'])
    print(f"模型答案: {model_answer}")

    # 评估模型的预测
    if model_answer.lower() in ["yes", "是的", "true"]: # 简化判断，根据模型实际输出调整
        prediction_correct = pope_c_question['answer'].lower() in ["yes", "是的", "true"]
    else:
        prediction_correct = pope_c_question['answer'].lower() not in ["yes", "是的", "true"]

    print(f"预测是否正确: {prediction_correct}")

注意：

这个示例代码只是一个简单的演示，需要根据实际情况进行修改和完善。

extract_objects_from_description 函数需要根据实际需求进行实现。可以使用更先进的 NLP 技术来提高对象提取的准确性。

answer_question_with_blip 函数使用了 BLIP 模型来回答问题。可以使用其他 MLLM 模型来代替。

评估模型的预测需要根据模型的实际输出进行调整。

8. 总结：幻觉检测是 MLLM 发展的关键

多模态幻觉是多模态大型语言模型发展面临的一个重要挑战。POPE 是一种有效的基准测试方法，可以用于评估 MLLMs 中对象存在幻觉。然而，POPE 也存在一些局限性，需要进一步改进。未来，我们需要开发更全面、更准确的幻觉检测方法，以提高 MLLMs 的可靠性和可用性。