给大模型制作图文并茂的教科书: 从2.5年的教学视频里挖掘多模态语料

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近期关于 scaling law 的讨论甚嚣尘上，很多观点认为 scale law is dead. 然而，我们认为，高质量的 “无监督” 数据才是 scaling law 的关键，尤其是教科书级别的高质量的知识语料。此外，尽管传统的语料快枯竭了，但是互联网上还有海量的视频并没有被利用起来，它们囊括了丰富的多种模态的知识，可以帮助 VLMs 更好好地理解世界。
浙大和阿里巴巴达摩院联合提出一个图文交织的多模态知识语料：他们收集互联网上超过 22000 课时 (两年半) 的教学视频，提取关键步骤的画面和音频（转录成文本），组织成连贯、图文交织的格式，制作成数学，物理，化学等多个学科的图文教科书 (textbook)。基于这些 textbook，VLMs 可以像人类上课一样学习这些图文交织，由易至难的学科知识。

• 论文地址: arxiv.org/abs/2501.00958
  
• Code: https://github.com/DAMO-NLP-SG/multimodal_textbook
  

该研究还登上了huggingface dataset trending榜单，不到两周下载量已经7000+。

1. 背景和动机

当前多模态大模型（VLMs）的预训练语料主要有两种形式：图像 - 文本对语料以及图文交织语料: 

• 图文对数据 (image-text pair corpus)：多模态模型通常依赖大量图文对数据进行预训练，这种数据能快速对齐图像与文本。
  
• 图文交错数据集 (image-text Interleaved corpus)：如 MMC4, OBELICS 等数据集，它们引入了更加自然，更加灵活的图文任意交织形式。这些语料由穿插着图像的文本段落组成，通常是从网页和文档（如 Common Crawl）中抓取的。与图像 - 文本对数据相比，图文交错语料库使 VLMs 能够更自然地处理任意输入，像人类一样理解世界。
  

然而当前的 interleaved corpus 大多爬取自网页或者文档，存在以下问题：
（1）文本与图像关系松散：网页中的图像和文本之间的关联通常很松散，甚至可能包括不相关的图像，例如徽标或广告。
（2）图像序列缺乏逻辑连贯性：大多数网页包含的图像相对较少，更重要的是，图像之间的逻辑关系往往很模糊，使得学习复杂的视觉推理变得困难。
（3）知识密度低：抓取的网页不可避免地包括新闻、娱乐和广告推荐等内容，很少涉及专业知识，即知识密度较低。
因此，探索如何构建高质量、教科书级别的 interleaved 数据集是非常必要的。此外我们还注意到互联网中存在的海量的教学视频 (例如 Youtube 上的在线课程），这些视频包含丰富的知识，人们经常使用这些视频来学习基础学科知识，但这些宝贵资源在 VLMs 训练中仍未得到充分利用。基于此，我们思考如何让 VLMs 像人类一样，利用这些教学视频进行高质量的预训练，从而提升其知识水平和推理能力。为实现这一目标，关键在于将这些教学视频转化为教科书级别的图文交织训练语料。


2. 方法：如何利用教学视频构建高质量的知识语料

2.1 LLM 辅助分门别类地收集教学视频

• 知识分类体系的构建：我们创建了一个四层的知识分类体系，包括学科（Subject）、课程（Course）、子课程（Sub-course）和知识点（Knowledge Point），然后使用 LLM 来自动构建这个分类体系。
  
• 涵盖数学、物理、化学、地球科学、工程学和计算机科学六大学科，共计 55 门课程，细化为 3915 个知识点。
  
• 示例：数学（学科） → 小学数学（课程） → 有理数与无理数 （子课程） → 无理数的定义 （知识点）。
  

• 教学视频的收集和过滤：
  
• 以构建的知识体系中的每个知识点为检索关键词，利用在线视频网站 (例如 YouTube) 的 API 搜索相关教学视频的元数据，每个知识点保留排名靠前的 50 个视频。然后我们利用 LLM 对所有视频元数据进行审查 (视频标题，简介，评论等），过滤不合适的视频，并且去除重复的视频。
  

2.2 Video-to-Textbook Pipeline

为了将教学视频转化为多模态教科书，我们设计了一个多层级的处理流程，包括 video-level、clip-level 和 keyframe-level，确保数据的高质量和知识的密集性。
（1） Long Video-Level

• 音频提取与转录（ASR）：使用 FFmpeg 提取音频，并通过 Whisper 模型进行转录，将视频的讲解转化为文本。
  
• 转录文本质量：由于教程语音的口语化特点，ASR 文本的困惑度（PPL）较高。我们通过 LLM 重写转录文本，提升其流畅性与连贯性，同时保持原始语义不变。
  
• 视频质量评估：通过 LLM 对转录文本进行分析，按以下标准过滤低质量视频：
  
• 相关性：确保转录文本与目标知识点匹配，剔除与教学内容无关的视频（如广告、综艺片段）。
  
• 知识密度：剔除知识点稀疏、包含大量无意义填充词的视频，如 “嗯”“然后我们得到这个” 等口语表达。
  
• 转录质量：删除 Whisper 转录质量较低的文本，例如重复、识别错误的文本。
  

最终我们保留了 75,000 个高质量教学视频和对应的 ASR。
（2）Video Clip-Level

• 视频分割：为实现文本与帧的时间对齐。我们现合并多个 ASR 片段，形成具有完整语义的句子。然后利用合并后的 ASR 的时间戳将长视频切分为 10-20 秒的短片段 (video clip)，每个 video clip 包含一段语音文本和对应的视频帧。
  
• 视觉知识和文本知识匹配：
  
• 使用 VideoLlama2 为每个 video clip 生成详细描述 (caption)；
  
• 计算 video clip 的 caption 与 ASR 文本的相似度，剔除视觉内容与文本内容不匹配的片段，或者剔除无信息量的 clips（例如如过渡场景，仅有演讲者的画面或者严重遮挡的画面）。这些 clips 的视觉信息虽然过滤了，但是对应的 ASR 依然保留在 textbook 中。
  

（3）Keyframe-Level

• 关键帧检测：通过计算连续帧之间的结构相似性（ Structural Similarity Index, SSIM），提取视觉变化显著的帧，迭代式地过滤掉重复或冗余的画面。
  
• OCR 文本提取：由于教学视频中常包含文本、公式和符号等重要知识，我们使用先进的 VLMs（如 InternVL）对关键帧进行 OCR，这些内容往往蕴含重要的教学知识，作为 ASR 的补充。
  

最后，我们将处理后的关键帧、OCR 文本和 ASR 转录按时间顺序排布，交错组织成多模态教科书。
3. 数据集统计和分析

• 教学视频和知识点统计
  

我们收集了 15.9 万个教学视频，经过元数据审查，去重和 ASR 过滤后保留了 7.5 万个长视频，视频总时长超过 22000 小时 (2.5 年)。这些教学视频囊括数学，物理，化学，地科，工程，计算机六大学科，3915 个知识点。

• Textbook 统计
  

经过 video-to-textbook pipeline，我们生成了 6.5M 个关键帧、258M ASR tokens 和 500M OCR tokens。我们将其拼接成 610k 个样本，每个样本平均包含 10.7 张图片，1297 个 text tokens。我们观察到样本内图像之间的相似度显著高于先前的 interleaved dataset，例如 MMC4 和 OBELICS。这体现了我们的 textbook 语料中图片之间关系更紧密，知识密度更高。

4. 实验和分析

4.1 实验设置
我们使用主流的多模态模型 LLaVA-1.5-7B 和 Idefics2-8B 作为基座模型，对比 textbook 数据集与 webpage-centric interleaved datasets (MMC4 和 OBELICS) 的持续预训练的效果。
4.2 持续预训练的实验效果
模型性能提升显著：在 Textbook-6.5M 上预训练后，LLaVA-1.5 和 Idefics-8B 在多个基准上表现出显著改进。在 0-shot 到 4-shot 设置下，分别提升了 +3.2%、+8.3%、+4.0% 和 +4.6%。即使对于像 Idefics2 这样的原本支持图文交织输入的 VLM，该 textbook 仍带来了额外 +1.4% 的提升，突出了其丰富的知识内容和高数据质量。
在知识和推理基准上优势明显：在知识导向和推理相关基准上，该数据集相比其他数据集改进显著。例如在 ScienceQA 上，与 MMC4 相比，零样本和少样本设置下均有超过 20% 的提升。在 MathVista 等数学相关基准上，与 OBELICS 相比，平均改进 +5.3% 和 +6.4%。

4.3 “作弊测试” 检验上下文感知 (in-context awareness) 能力

• 我们设计了一个作弊测试（cheat test) 来测试 VLMs 是否能有效感知图文交织的上下文。
  
• Cheat-test: 我们将 few-shot example 中的某个示例替换成测试样本，观察模型是否能快速识别 prompt 中的已经包含了测试样本。
  

• Cheat-test 显示在 1-shot 和 2-shot 场景下，相比 MMC4 和 OBELICS，textbook 有近 20% 的显著优势。这表明来自视频的 textbook 训练语料让 VLMs 能更关注输入图文交织的 context，并且能利用 context 中的线索回答问题。例如在 MathVista 任务中，Textbook 训练的模型在 1-shot 设置下准确率达到 94.1%，远超 MMC4 的 72.6%。 
  

4.4 其他实验
除了上述实验，作者还研究了数据集中图像顺序的影响，指令微调后下游任务性能，以及一系列的消融实验。通过这些实验表明了数据集的高质量。 
总结和展望

我们引入了一种多模态教科书来预训练视觉语言模型，使它们能够以自然且图文交织的方式学习专业知识。通过收集海量的在线教育视频并将其转换为关键帧 - 自动语音识别（ASR）交错数据集，这本教科书提供了一个更加连贯且相互关联的学习语境，补充了传统的图像 - 文本对齐方法。实验证明了其有效性，特别是在 VLMs 的上下文感知和数学推理等方面。此外，这些 textbook 语料不仅仅可以用来做多模态的理解，未来还可以探索利用它们实现任意模态的连续生成，实现更好的世界模型。
作者介绍

本文一作是张文祺 （浙江大学博士生），他的研究基础是基于大模型智能体，多模态模型等，开发了数据分析智能体 Data-Copilot，在 github 上获得超过 1400 stars。共同通讯包括鲁伟明 （浙江大学副教授），李昕（阿里巴巴达摩院算法工程师），其中李昕和张航（本文二作）主导开发了 VideoLlama 系列视频理解模型。其他作者包括浙江大学庄越挺教授，赵德丽（阿里巴巴达摩院基础智能中心主管）, 邴立东（达摩院语言技术实验室主管），沈永亮（浙大百人计划研究员），孙嘉硕 (达摩院算法工程师)。