原文摘要 · English Abstract
InternVL3 adopts native multimodal pre-training (images as a small number of visual tokens in a single model), variable visual position encoding (VPE) for arbitrary resolutions, and test-time scaling. InternVL3-78B achieves 72.2 on MMMU, a new state-of-the-art among open-source MLLMs, competitive with leading proprietary models.
概要
多模态大模型长期依赖「先训语言模型、再嫁接视觉模块做后期对齐」的两阶段套路,视觉与语言参数难以同步演化。InternVL3 把语言预训练和多模态对齐合并成「原生多模态预训练」一个阶段,让 ViT、MLP、LLM 全部参数联合更新;再配合可变视觉位置编码 V2PE、SFT 后接混合偏好优化(MPO)纠正训练-推理分布偏移,以及 VisualPRM 驱动的 Best-of-N 测试时扩展。InternVL3 在 1B 到 78B 全规模取得开源最优表现,部分任务反超 GPT-4o、Claude-3.5-Sonnet。
此前主流 MLLM(如 LLaVA、早期 Qwen-VL)遵循「先训好纯语言 LLM,再接视觉编码器做指令微调对齐」的两阶段套路,视觉相关参数往往只在后期被微调甚至冻结,视觉与语言表征难以充分协同演化;同时传统位置编码对文本、视觉 token 一视同仁地递增,长多模态序列很快耗尽位置窗口,这正是 InternVL3 想解决的结构性问题。
关键贡献
- 提出「原生多模态预训练」,把语言预训练和图文对齐合并为单阶段联合优化,取消额外的桥接对齐步骤。
- 引入可变视觉位置编码 V2PE,用可调的小增量 δ 缓解视觉 token 过快耗尽位置空间的问题。
- 采用平方平均的 token 损失加权策略,避免训练梯度被回复长度系统性偏置。
- 用混合偏好优化(MPO)在 SFT 之后引入额外的偏好与质量监督,缓解训练与推理的分布偏移。
- 引入 VisualPRM 过程奖励模型驱动 Best-of-N 测试时扩展,用较小模型换取显著推理性能提升。
- 开源 1B 至 78B 全系列模型权重,在多项基准上追平甚至超越同期闭源商业模型。
方法详解(完整做法)
总体思路
InternVL3 沿用「ViT-MLP-LLM」范式:视觉编码器 InternViT 把图像/视频切成的图块编码为视觉 token,经两层 MLP 投影到语言模型的嵌入空间,与文本 token 拼接后交给 LLM(Qwen2.5 或 InternLM3)做统一自回归解码。全流程分三步:①原生多模态预训练,把语言预训练与图文对齐合并进同一阶段,联合更新 ViT/MLP/LLM 全部参数;②两阶段后训练——SFT 之后接混合偏好优化(MPO),弥合训练与推理的分布差异;③推理时引入 VisualPRM 过程奖励模型做 Best-of-N 测试时扩展。三步合力把「先练语言模型再嫁接视觉」的旧范式,换成端到端联合优化。
可变视觉位置编码(V2PE)
传统位置索引对所有 token 统一按 1 递增,序列一长,视觉 token 很快把位置空间耗尽,压缩了模型能处理的有效上下文长度。V2PE 给文本 token 保持增量 1,给视觉 token 用更小的增量 :训练时从一个预定义集合里随机采样,同一张图内部保持 不变;推理时可依据序列长度灵活选择,在任务效果和上下文预算之间权衡。
当 时 V2PE 退化为传统逐 token 递增的位置编码,因此它是原编码方式的严格泛化,而不是另起一套机制。
训练目标与 token 级损失加权
InternVL3 的自回归损失只对文本 token 计算,视觉 token 只作为条件上下文参与注意力、不直接被预测,这样模型被迫把视觉信息编码成对语言解码有用的形式:
权重 有三种取法:token 平均(,长回复因 token 数多而主导总梯度)、样本平均(,短回复的 token 反而占优)、以及 InternVL3 采用的平方平均(),其中 是该样本需计算损失的 token 数。平方平均介于两者之间,避免梯度被回复长度系统性左右——这是从 InternVL2.5 沿用下来的经验设计。
混合偏好优化(MPO):为什么需要它
预训练和 SFT 阶段模型看到的都是「基于真实前缀预测下一个 token」,但推理时它只能吃自己生成的前缀——这种训练/推理不一致的分布偏移会侵蚀链式推理(CoT)的稳定性,尤其在多步推理里错误会逐步累积放大。MPO 引入额外的偏好和质量监督来纠正这一偏移,把三种损失按权重相加:
其中 是 DPO 偏好损失,学习「选中回复」相对「被拒回复」的相对偏好; 是 BCO 质量损失,用移动平均得到的奖励偏移量分别约束选中/被拒回复各自的绝对质量; 是标准的生成损失,负责保住模型正常生成偏好回复的能力,三者合力比单纯 SFT 更贴近真实推理时的分布。
测试时缩放:VisualPRM 过程奖励模型
InternVL3 用 Best-of-N 采样做测试时扩展:对同一题生成 N 条推理链,交给专门训练的 VisualPRM-8B 过程奖励模型逐步打分再取平均,挑分数最高的一条作为最终答案。VisualPRM 把打分建成多轮对话——第一轮给出图像、问题和第一步解答,之后每轮追加一步,要求模型判断该步对错:
推理阶段把生成「+」的概率当作该步分数,全部步骤取平均得到整条解答的质量分。8B、38B 量级模型用 Best-of-8 在 MathVerse(Vision-Only)上分别带来约 6.0 和 3.2 个百分点的提升,证明小模型也能靠测试时算力换性能。
小结
一句话:InternVL3 = 原生联合预训练(语言与多模态一步到位)+ SFT/MPO 纠正训练-推理分布偏移 + VisualPRM 驱动的测试时 Best-of-N,三者分别作用于预训练、后训练、推理三个阶段。
实验与关键数据
评测覆盖 MMMU/MathVista 推理数学、AI2D/ChartQA/DocVQA 图表文档理解等任务,多数经 VLMEvalKit 完成,并与 InternVL2.5、GPT-4o 对比。结论:InternVL3 一致超越同尺寸 InternVL2.5,部分任务反超闭源模型,Best-of-N 对小模型收益大。
关键数据
影响与局限
InternVL3 是 InternVL 系列从「后期对齐」走向「原生联合训练」的关键转折,证明多模态能力可以和语言能力在同一个预训练阶段同步习得,而不必牺牲其一。其 V2PE、MPO、VisualPRM 三项组件此后被后续版本延用和扩展,也为开源社区提供了一套完整、可复现的「预训练-后训练-测试时扩展」全流程范式。
局限与不足
论文自己承认 Gemini-2.5-Pro 在 HallusionBench 等部分任务上仍领先 InternVL3,说明幻觉抑制等能力尚未达到最优;开源训练数据列表在论文发表时仍在整理中,完整的数据配比和复现细节无法完全对外核实。此外,V2PE 的 在推理时需要依据序列长度人工挑选,缺乏自动化策略;MPO 依赖 SFT 版本模型生成 rollout 才能构造偏好对,链路较长,训练和数据构建成本高于单纯 SFT。Best-of-N 测试时扩展虽然提升明显,但要求额外训练并常驻一个 VisualPRM 评分模型,推理时的算力和延迟开销也随 N 增大而上升。