長(zhǎng)視頻理解新突破！Mamba混合架構(gòu)讓顯存消耗腰斬，處理10萬(wàn)視頻token不費(fèi)力

夢(mèng)晨 2025-03-27 13:11:11 來(lái)源：量子位

Vamba團(tuán)隊(duì) 投稿
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

Mamba混合架構(gòu)視頻模型來(lái)了，不再對(duì)視頻token進(jìn)行壓縮——

而是通過改進(jìn)模型架構(gòu)設(shè)計(jì)的方式提升模型在訓(xùn)練及推理預(yù)填充階段處理視頻token的效率。

滑鐵盧大學(xué)陳文虎團(tuán)隊(duì)與多倫多大學(xué)、零一萬(wàn)物、向量學(xué)院以及M-A-P的研究人員提出了一種新的Mamba-Transformer混合模型Vamba。

通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Vamba在同等硬件條件下可處理的視頻幀數(shù)較傳統(tǒng)Transformer架構(gòu)提升4倍，訓(xùn)練內(nèi)存消耗降低50%以上，并且可實(shí)現(xiàn)單步訓(xùn)練速度的翻倍。

同時(shí)，該方法完整保留了原始視頻的時(shí)空特征，避免傳統(tǒng)方法因降采樣或池化操作導(dǎo)致的關(guān)鍵動(dòng)作或場(chǎng)景的信息丟失。

在多個(gè)長(zhǎng)視頻的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上，Vamba保持了高準(zhǔn)確率和出色的性能，尤其在LVBench長(zhǎng)視頻理解基準(zhǔn)上相較先前的高效長(zhǎng)視頻理解模型達(dá)到了約4.3%的性能提升。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開源Vamba模型的代碼、模型權(quán)重以及訓(xùn)練、推理腳本供研究社區(qū)進(jìn)一步探索與應(yīng)用。

核心方法

目前流行的多模態(tài)大語(yǔ)言模型多使用Transformer作為模型的基本結(jié)構(gòu)，其中的因果注意力機(jī)制相對(duì)于輸入的token序列長(zhǎng)度存在二次時(shí)間/空間復(fù)雜度關(guān)系。

在長(zhǎng)視頻理解任務(wù)中，多模態(tài)大模型一般會(huì)將視頻轉(zhuǎn)化為一段極長(zhǎng)的token序列，因此這些模型往往需要高昂的訓(xùn)練或推理成本。舉例來(lái)說(shuō)，一種較為流行的視頻編碼方式為使用CLIP或者SigLIP編碼器將視頻的每幀轉(zhuǎn)換為約196個(gè)token。

基于這種編碼方式，一個(gè)512幀的視頻輸入將會(huì)轉(zhuǎn)換為約10萬(wàn)個(gè)視頻token，從而造成極高的訓(xùn)練或推理復(fù)雜度?，F(xiàn)有方法在處理這個(gè)問題時(shí)，往往采用壓縮視頻token數(shù)量的模型設(shè)計(jì)，即通過不同的壓縮機(jī)制合并或刪除一些非必要的視頻token并縮短視頻token序列長(zhǎng)度，從而降低多模態(tài)模型在長(zhǎng)視頻理解任務(wù)上的資源消耗。

盡管相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，這些高效的長(zhǎng)視頻理解模型仍然存在一個(gè)共同的問題，即過度的視頻token序列壓縮可能會(huì)造成一定程度的信息損失。這使得目前的高效長(zhǎng)視頻理解模型在性能方面仍然與最頂級(jí)的模型存在一定差距。

Vamba的核心設(shè)計(jì)思路是將原本作用于整個(gè)視頻+文本序列的運(yùn)算成本高昂的因果自注意力運(yùn)算操作分解為兩個(gè)更為高效且協(xié)同操作的計(jì)算組件。

（1）在處理文字token的過程中，通過引入交叉注意力機(jī)制使文字token獲得視頻token的信息。此類操作的計(jì)算開銷相比將文字與視頻同時(shí)經(jīng)由因果注意力模塊處理更為可控，同時(shí)確保文本語(yǔ)義與視覺信息的高效對(duì)齊。

（2）針對(duì)海量的視頻token，采用基于狀態(tài)空間模型（SSM）的Mamba-2模塊進(jìn)行序列建模。該模塊通過選擇性掃描機(jī)制，在保持了更新視頻token序列時(shí)可以檢索全局序列信息的同時(shí)，將計(jì)算復(fù)雜度從Transformer的二次復(fù)雜度降至線性復(fù)雜度，從而突破了長(zhǎng)視頻序列的處理瓶頸。

如圖所示，對(duì)于文字token輸入，Vamba使用了因果自注意力機(jī)制和交叉注意力機(jī)制同時(shí)處理文字token，從而省去了視頻token在因果注意力模塊中所需要的計(jì)算成本。在此基礎(chǔ)上，Vamba使用Mamba-2模塊處理視頻token序列，從而既保持了對(duì)視頻序列的信息更新又將該操作所需要的復(fù)雜度控制在了線性范圍。

研究團(tuán)隊(duì)通過不同幀數(shù)的視頻輸入，對(duì)Vamba與Transformer模型在訓(xùn)練與推理中的計(jì)算成本進(jìn)行了比較。對(duì)比發(fā)現(xiàn)Vamba在長(zhǎng)視頻/高幀數(shù)輸入的情景下（128幀及以上的視頻輸入），相比Transformer類模型達(dá)到了50%以上的運(yùn)行時(shí)間與顯存需求下降。同時(shí)，Vamba可以準(zhǔn)確地描述視頻內(nèi)容，根據(jù)用戶輸入的問題對(duì)視頻進(jìn)行分析，并作出相應(yīng)的回答。

總結(jié)

本文介紹了Vamba模型，一種專為高效理解超長(zhǎng)視頻設(shè)計(jì)的Mamba-Transformer混合模型。

該方法通過集成面向文本token的交叉注意力機(jī)制與面向視頻token的Mamba-2模塊更新策略，在顯著降低計(jì)算復(fù)雜度與顯存占用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)、中、短視頻理解任務(wù)的性能提升?；贚VBench等數(shù)據(jù)集的大量實(shí)驗(yàn)評(píng)估表明，Vamba在長(zhǎng)視頻理解任務(wù)中以4.3%的顯著優(yōu)勢(shì)超越了現(xiàn)有的高效長(zhǎng)視頻理解模型，并在多個(gè)分布各個(gè)視頻時(shí)常區(qū)間的基準(zhǔn)測(cè)試中展現(xiàn)出了卓越的競(jìng)爭(zhēng)力。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2503.11579
項(xiàng)目主頁(yè)：https://tiger-ai-lab.github.io/Vamba/
代碼倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/TIGER-AI-Lab/Vamba
模型權(quán)重：https://huggingface.co/TIGER-Lab/Vamba-Qwen2-VL-7B