视觉强化学习综述 核心观点 - 该综述对视觉强化学习（VRL）领域进行系统性梳理，整合200+篇研究成果，提出四大主题支柱：多模态大型语言模型、视觉生成、统一模型框架和视觉-语言-动作模型，并分析算法设计、奖励工程及评估协议 [5] - 强调强化学习在视觉任务中的关键作用，包括跨模态对齐、长序列优化及可验证奖励设计，同时指出开放挑战如推理效率、长视野信用分配等 [47] 研究框架 强化学习范式 - **RLHF（基于人类反馈的强化学习）**：通过三元组偏好数据训练奖励模型，结合PPO优化策略，三阶段流程（监督预训练→奖励建模→策略优化）成为主流 [10] - **DPO（直接偏好优化）**：绕过奖励建模环节，直接通过封闭式监督目标优化策略，降低计算成本 [11] - **RLVR（带可验证奖励的强化学习）**：用确定性验证信号（如代码测试结果）替代人类偏好，提升客观性 [12] 策略优化算法 - **PPO（近端策略优化）**：通过重要性采样和广义优势估计实现稳定策略更新，依赖精确奖励模型 [15] - **GRPO（群体相对策略优化）**：利用群体归一化优势信号替代价值网络，降低内存消耗并提升训练稳定性 [16] 应用领域 多模态大型语言模型 - **传统方法**：通过GRPO/PPO将视觉-语言模型与可验证奖励对齐，如RePIC、GoalLadder等 [17] - **空间感知**：2D任务（目标检测、分割）和3D任务（布局推理）均采用规则驱动奖励和KL正则化微调 [18] - **视频推理**：分层奖励设计（如VQ-Insight）和时间衰减回报（如TW-GRPO）解决长序列挑战 [20] 视觉生成 - **图像生成**：DiffPPO等结合扩散模型与感知奖励（如ImageReward），提升生成质量 [21] - **3D生成**：DreamCS等通过渲染-比较循环优化几何结构，强化学习实现标准方法难以达到的保真度 [24] 视觉-语言-动作模型 - **GUI自动化**：规则驱动奖励（如GUI-R1）和群体归一化更新（如UIShift）推动跨平台交互 [28] - **视觉导航**：OctoNav-R1等结合第一人称视觉与低级动作控制，通过混合强化学习管道提升泛化性 [29] 评估体系 - **多模态模型**：结合外部基准（如MME）、人类偏好奖励和KL散度监控 [35] - **视觉生成**：FID/CLIP Score等传统指标与去噪轨迹诊断结合 [36] - **GUI任务**：在线成功率与逐步奖励设计（如Mind2web）平衡稀疏信号问题 [39] 未来方向 - **自适应推理**：通过终止评论者动态平衡深度与效率 [43] - **长视野优化**：子目标发现与对比视觉-语言评论者缓解稀疏奖励问题 [44] - **奖励模型设计**：需开发抗攻击、跨模态且用户可定制的综合奖励函数 [46]

研究背景与综述定位 - 视觉强化学习（Visual RL）的爆发源于强化学习在大语言模型（LLM）中的成功迁移，特别是RLHF（人类反馈强化学习）显著提升了LLM的人类偏好对齐与复杂推理能力[7] - 当前领域面临三大核心挑战：复杂奖励信号下的策略优化稳定性、高维视觉输入的高效处理、长周期决策场景的可扩展奖励函数设计[7] - 综述核心目标包括形式化视觉RL问题、分类200+研究为四大支柱（多模态LLM/视觉生成/统一模型/VLA模型）、分析算法设计与评估体系[8] 视觉强化学习的理论基础 - 问题建模采用马尔可夫决策过程（MDP），将文本/图像/视频生成统一为episodic MDP框架，状态包含用户prompt和已生成动作序列[15] - 三大对齐范式：RLHF（三阶段流程：SFT→奖励模型→PPO优化）、DPO（直接优化偏好数据）、RLVR（可验证奖励替代主观偏好）[18][19][20] - 策略优化算法PPO（带价值网络与KL惩罚）和GRPO（组相对优势+移除价值网络）分别适用于通用场景和内存密集型任务[26][27] 四大核心应用领域 多模态大语言模型（MLLM） - 常规RL驱动型MLLM使用可验证奖励（如精确匹配/IoU）优化VLM骨干，代表模型包括RePIC、GoalLadder、GRPO-CARE[32] - 空间感知方向分为2D（Omni-R1双系统GRPO优化情感识别）和3D（MetaSpatial用渲染深度奖励优化AR场景生成）[34] - 图像推理分为"基于图像思考"（SVQA-R1用视图一致性奖励）和"用图像思考"（GRIT优化答案正确性+框精度）[35] 视觉生成 - 图像生成三大奖励范式：人类中心偏好优化（ImageReward）、多模态推理对齐（UnifiedReward）、Metric驱动优化（DDPO最小化FID）[37][40] - 视频生成通过偏好模型优化（InstructVideo）、组相对优化（DanceGRPO）、领域特定奖励（Phys-AR惩罚物理定律违反）提升时序一致性[41] - 3D生成采用RL优化文本-网格生成（DreamCS融合轮廓IoU与CLIP对齐）、交互式编辑（Nabla-R2D3用实时渲染验证奖励）[41] 视觉-语言-动作模型（VLA） - GUI自动化分桌面（GUI-R1映射点击成功为稠密奖励）和移动场景（AgentCPM-GUI压缩动作空间适配设备）[42] - 视觉导航采用端到端RL（VLN-R1时间衰减奖励处理轨迹）和仿真微调（Flare实现家居场景泛化）[45] - 机器人操纵通过任务接地奖励（TGRPO）、课程式RL（RLVLA提升重排成功率）优化长周期规划[45] 评估指标与未来方向 - 分层评估框架包含集合级（FID/FVD）、样本级（人类偏好分数）、状态级（KL散度监控策略漂移）[46][48][49] - 开放挑战包括有效推理平衡（自适应周期策略）、VLA长周期RL（分层子目标发现）、视觉思考RL（混合动作空间设计）[50][51][52] - 奖励模型设计需融合低阶信号（几何一致性）与高阶偏好，并实现跨模态泛化与动态更新[53][56]

研究背景与问题 - 视觉强化学习中的泛化问题受到广泛关注 旨在使智能体具备处理现实复杂任务的能力 在多样化环境中表现良好[7] - 现有方法如数据增广和对比学习仅聚焦于从视觉图像中提取鲁棒信息 忽略了下游关键的决策过程 导致难以捕捉序列数据中关键的长期信息[8] - 许多方法未考虑序列决策过程 导致所学表征缺乏关键的长期信息[1] 方法创新 - 研究人员在信息瓶颈框架下提出ROUSER方法 通过引入信息瓶颈学习能有效捕捉决策目标中长期信息的向量化表征[2][9] - ROUSER通过最大化表征与动作价值之间的互信息来保留长期信息 同时最小化表征与状态-动作对之间的互信息以滤除无关特征[4][10] - 由于动作价值未知 ROUSER将状态-动作对的鲁棒表征分解为单步奖励和下一状态-动作对的鲁棒表征[5][10] 技术实现 - ROUSER包含两个核心模块：奖励模型学习仅包含单步奖励信息的表征 通过最大化奖励表征与单步奖励的互信息 同时最小化奖励表征与状态-动作对的互信息[14][15] - 鲁棒损失模块构建递归式损失函数 仅利用奖励模型编码的表征即可直接计算 该模块不更改批评家模型架构 最终学习的向量化表征为批评家模型的中间层嵌入[16] - 方法理论证明ROUSER能够利用学习到的向量化表征准确估计动作价值 可有效结合各类连续和离散控制的视觉强化学习算法[3][17] 实验效果 - 在12个连续控制任务中 ROUSER于11个任务上取得最优性能 实验包括背景干扰与颜色干扰两类任务[6][18] - 在物体动态颜色变化干扰的6个任务中 ROUSER展现出优越的泛化性能[19][25] - ROUSER可兼容离散控制任务 当与基于价值的VRL方法结合应用于非连续控制任务时 也能提升智能体的泛化性能[21][22]