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第一作者，郭子瑜，是香港中文大学 MiuLar Lab 的博士生，本科毕业于北京大学，曾在 Amazon、Roblox、上海人工智能实验室、腾讯等机构实习，研究多模态大模型和 3D 视觉，一作代表作有 Point-LLM、PointCLIP、SAM2Point 等。

随着 OpenAI o1 向社区展示了思维链 Chain-of-Thought（CoT）对于大模型推理能力的强大提升，各种基于强化学习 RL 和提升 test-time 推理成本的方案已经在大模型理解领域取得了很大的进展。然而，在图像生成（Image Generation）领域，例如文生图（Text-to-Image）与文生视频（Text-to-Video），我们是否也可以借鉴 CoT 相关的策略，来提升图片或视频的质量和文本一致性呢？

来自香港中文大学、北京大学、和上海 AI Lab 的研究者们通过 Verify 和 Reinforce 的方案，系统地探索了「CoT 推理 + 文生图」的结合与潜力。研究结果表明，这些方法能够有效提升自回归（Autoregressive）图像生成的质量，作者也提出了两种专门针对该任务的新型奖励模型 ——  潜力评估奖励模型（Potential Assessment Reward Model, PARM） 及其增强版本 PARM++，后者引入了反思机制（Reflection Mechanism），进一步优化了图像生成质量。

• 论文标题：Can We Generate Images with CoT? Let’s Verify and Reinforce Image Generation Step by Step
• 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2501.13926
• 项目地址：https://github.com/ZiyuGuo99/Image-Generation-CoT

研究背景与挑战

目前，CoT 推理已广泛应用于大语言模型（LLM）和多模态大模型（LMM），尤其在数学推理、科学计算等任务上展现出卓越的能力。然而，在自回归图像生成任务中，如何有效地验证（Verify）和强化（Reinforce）图像生成过程，仍是一个尚未解决的问题。

下图左边部分是目前领域使用「CoT 推理 + 解数学题」的方案概述，而右边部分则是本文对于「CoT 推理 + 文生图」的全面探索。研究团队观察到，自回归图像生成与 LLM/LMM 具有类似的推理架构，即：

1. 离散化 Token 表示：无论是语言还是图像数据，自回归模型都将其量化为离散 Token，并通过逐步预测的方式进行生成。
2. 逐步解码（Step-by-Step Decoding）：类似于 CoT 在数学问题上的逐步推理，自回归图像生成也可以逐步生成中间图像，并在生成过程中进行验证与优化。

CoT 如何应用于图像生成？

考虑到 Autoregressive 图像生成和 LLM 在数据表征和推理架构的相似性，论文调研了包括使用 ORM 和 PRM 的 Test-time Verification、构造 Preference Ranking Data、和通过 DPO 进行偏好对齐等方案，首次证明了「CoT + 文生图」的可行性！本文也提出了两种新型的 reward model，PARM 和 PARM++，来优化图像生成质量。如下图所示，通过本文探索的推理策略，大幅度提升了 Autoregressive Image Generation 的效果。

具体方案

本文的探索以「文生图」为任务场景，并使用了 Show-o 来作为 baseline 模型，主要分为 3 个部分：

1、测试时验证（Test-time Verification）

首先，论文探索如何使用奖励模型（Reward Model, RM） 来进行 Test-time Verification，实现了 Outcome Reward Model（ORM，下图左边部分）和 Process Reward Model（PRM，下图中间部分）方案，并在两者的基础上提出了一种全新的针对于图像生成任务的 Potential Assessment Reward Model（PARM，下图右边部分）。

1.1. 结果奖励模型（Outcome Reward Model, ORM）

论文提出了 2 种方案，均使用 Best-of-N 的方式进行验证，即进行多次完整路径的生成，并从中选择出质量最高的最终图片。

Zero-shot ORM：基于 LLaVA-OneVision 强大的图像理解能力，作者使用了其 7B 模型，直接作为 zero-shot ORM 使用，并通过下面的 prompt 来激发其作为文生图质量评估的能力：

Fine-tuned ORM：为了进一步增强 ORM 的专业性能，作者也构建了大规模的图文 reward data 来得到 fine-tuned ORM，数据形式如下图所示：

1.2. 过程奖励模型（Process Reward Model, PRM）：

作者使用了类似 ORM 的方案，同样尝试了 Zero-shot 和 Fine-tuned 两种方案，并对每个 step 进行 Best-of-N 的方案，即逐步选择出质量最高的中间阶段的生成图片。然而，作者发现这种 naive 的 PRM 无法对图像生成有显著的提升。通过可视化，作者发现：PRM 在早期生成阶段由于图像模糊而难以评估，而在后期生成阶段不同路径的图片趋于相似，导致辨别能力受限，如下图所示。

1.3. 潜力评估奖励模型（Potential Assessment Reward Model, PARM）：

为了同时结合 ORM 的简洁和有效性，以及 PRM 细粒度逐个 step 验证的思想，作者提出了一个专门针对 Autoregressive 图像生成任务的 reward model：Potential Assessment Reward Model（PARM）。PARM 通过以下三步提升图像生成质量：

1. 清晰度判断（Clarity Judgment）：识别哪些中间步骤的图像已经足够清晰，可用于后续评估。
2. 潜力性评估（Potential Assessment）：分析当前步骤是否有潜力生成高质量的最终图像。
3. 最佳选择（Best-of-N Selection）：在高潜力路径中选择最佳的最终图像。

1.4. 潜力评估奖励模型 ++（Potential Assessment Reward Model++，PARM++）

如下图所示，在 PARM 的基础上，作者提出了 PARM++，使模型能够在生成错误时进行自我修正。具体来说，基于 PARM 选出的最终图片，作者首先使用 PARM++ 评估生成图片是否符合文本描述；若图片不符合要求，会要求 RM 提供详细的错误描述，并根据该描述，要求生成模型进行自我修正（Self-correction），即模型接收反馈，并参考错误信息重新生成结果。结果表明，PARM++ 进一步提升 GenEval +10%。如下图右边所示，生成结果在物体数量、颜色、空间关系等方面更加准确。

2、直接偏好优化（Direct Preference Optimization, DPO）Alignment：

作者进一步引入 DPO 偏好对齐，即使用大规模排名数据训练模型，使其生成结果更符合人类偏好。研究团队构建了 288K 条图文排名数据（Text-to-Image Ranking Data）用于训练。具体来说，训练过程是采用最大似然优化，调整模型输出，使其更偏向人类偏好。同时，论文也进一步使用迭代 DPO（Iterative DPO），在模型优化后重新生成新数据进行再次训练。结果表明，初次 DPO 训练使模型在 GenEval 性能提升 +9%，而迭代 DPO 进一步提高至 +12%，超越 Fine-tuned ORM。

3、Test-time Verification + DPO Alignment：

在前述两种方法的基础上，作者探索了将 Test-time Verification 与 DPO 对齐相结合的策略，以实现端到端的优化。在 DPO 训练的模型基础上，进一步应用 Test-time Verification 进行筛选，使生成图像质量更高，文本一致性更强。实验结果表明，结合 DPO 和 Test-time Verification 后，模型在 GenEval 指标上的整体提升达 +27%，超越单独使用 DPO 或 Test-time Verification 的方案。

总体效果对比

下表展示了模型在 GenEval 基准上的总体性能比较，相比于现有的扩散模型和自回归模型，结果证明了在文本生成图像任务中使用 CoT 推理策略的潜力。

结论

本研究首次系统性探索了 CoT 推理策略在自回归图像生成中的适应性及潜力。通过全面的实验分析证明了不同的推理策略（如测试时验证、偏好对齐及其结合）能够有效提升图像生成质量。基于这些观察，本文进一步提出了两种专门针对自回归图像生成的奖励模型 —— 潜在评估奖励模型（PARM）和 PARM++，前者能够对逐步生成过程进行自适应奖励评分，后者则结合了反思机制（Self-reflection），实现自我修正的图像生成。实验结果表明，CoT 推理在自回归图像生成任务中展现出了巨大的潜力，为该领域的发展开辟了新的方向，也为大模型推理能力的进一步提升奠定了基础！