Multimodal LLMs and foundation models in robotics

第152回ロボット工学セミナー「ロボットのためのLLM・VLM利活用」資料
2024年5月23日（木）

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1. 慶應義塾大学 理工学部 杉浦孔明 1 ロボティクスにおける大規模言語モデル・ 視覚言語モデルの利活用
2. 2024年の大規模言語モデル・視覚言語モデルの動向 2 • 言語・画像・音声・動画を扱うマルチモー ダルLLM（2024/5/13） • Windows上のCopilotへ統合される予定 （2024/5/20） https://www.youtube.com/watch?v=DQacCB9tDaw プロンプト「Reflections in the window of a train traveling through the Tokyo suburbs.」 (2024/2/15) https://openai.com/sora Sora GPT-4o
3. ロボット×言語のユースケース - - 3 【Honda CIマイクロモビリティ】搭乗型マイクロモビリティ CiKoMaができること https://www.youtube.com/watch?v=82ixVe8cT_8 PaLM-E [Driess (Robotics at Google)+ 2023] https://palm-e.github.io/
4. 目次 - - 4 1. ロボティクスとLLM 2. マルチモーダル学習 3. ロボティクスとマルチモーダルLLMの評価 4. 取り組み事例
5. 本講演での用語用法 5 大規模言語モデル （LLM） 単語列の生成確率を推定するモデル GPT-3/4, LLaMA等 視覚言語モデル 視覚と言語を統合して学習可能なモデル CLIP, Otter等 マルチモーダルLLM 複数モダリティ（視覚と言語等）を扱うLLM GPT-4V, LLaVA等 基盤モデル 大規模データで訓練され種々のタスクに応用可能 なモデル BERT, GPT-3/4, CLIP等 同じモデルが複数のカテゴリに入り得る
6. 基盤モデルのロボティクスへの影響 - - 6 ▪ 基盤モデル：大規模データで訓練され種々のタスクに応用可能* ▪ BERT, GPT-3, CLIP等 ▪ ロボット構築に基盤モデルを利用 ▪ 未知の状況での頑健性（Zero-shot/few-shot性能） ▪ 言語・画像の非専門家が容易に利用可能 ▪ 例：ロボット対話に関する以前の状況 ▪ 20年前：音声の専門家でも制約多 ▪ 10年前：専門家からの要アドバイス ▪ 現在：誰でも使える *Bommasani et al, “On the Opportunities and Risks of Foundation Models”, 2021.
7. ロボティクスとLLM 7
8. 言語モデルとは - - 8 ▪ 単語列（トークン列）の生成確率を推定するモデル ▪ 次の単語を予測できる ▪ 例：むかしむかしあるところに… ▪ おじいさん：40% ▪ うさぎ：10% ▪ りんご：5% ▪ 例：N-gram ▪ 対象テキスト中の共起頻度を計算する ▪ 音声認識、機械翻訳等で数十年前から使われていた
9. トランスフォーマー - - 9 トランスフォーマー（transformer）[Vaswani+ 2017] ▪ 機械翻訳用のニューラルネットとして提案 ▪ 自然言語処理タスクの多くで主流 ▪ BERT, GPT-3/4等 ▪ 数式的な理解は以下を参照ください ▪ https://speakerdeck.com/keio_smilab/keio -univ-intro-to-ml-09-transformer [Vaswani+ 2017]
10. 大規模言語モデルの流れ - - 10 https://arxiv.org/pdf/2303.18223.pdf
11. 大規模言語モデル（Large language models; LLMs） のスキル - - 11 ▪ GPT-4 [OpenAI, 2023/3/14] ▪ 米国統一司法試験において、 上位10%と同等のスコアを獲 得 ▪ OpenAI CodeX https://www.youtube.com/watch?v=Zm9B-DvwOgw % Among Test takers 90%
12. 言語スコアと動作スコアの後期統合の例： PaLM SayCan [Ahn(Google)+ 2022] - - 12 ▪ 言語スコア（Say）：LLMで生成した動詞＋目的語の生成確率 ▪ 動作スコア（Can）：その状況での動作成功確率
13. ロボット向けのコードを大規模言語モデル（LLM）で生成 - - 13 手法 概要 Code as Policies [Liang+ 22] LLMを用いてatomic actions（認識・動作）を繋げたコードを生成 ChatGPT for Robotics [Vemprala+ 23] LLMの出力を一方的に使うのではなく対話的にコード生成 TidyBot [Wu+ AR-IROS23] CLIPで目標物体をカテゴリ認識し運び先とコードをLLMで生成 多くの手法では状況を 人手で与える必要がある ▪ 例：objects = ["yellow shirt", "black shirt”, ..]
14. マルチモーダル学習 - - 14
15. マルチモーダル学習（multimodal learning）の歴史 - - 15 ▪ 複数のモダリティ（modality）を扱 う ▪ 例：画像、音声、テキスト、センサ ▪ 古典的機械学習手法では小規模問題し か扱えなかった⇔2015年以降近年成長 が著しい ▪ マルチモーダル言語処理 ▪ 実世界と言語の関係を扱う ▪ 多層的な関係を持つ挑戦的な課題 （省略、意図等） SHRDLU [Winograd 1970s] Microsoft Seeing AI (2017)
16. マルチモーダル言語処理のサブ分野： 理解と生成 - - 16 マルチモーダル言語理解タスク ▪ Visual Question Answering (VQA) ▪ 参照表現理解 ▪ Image-text matching [Wang+ 2017] マルチモーダル言語生成タスク ▪ 画像キャプショニング [Vinyals 2015]、video captioning ▪ Text-to-image ▪ Visual dialog [Das+ 2016][Alayrac+, 2022]
17. CLIP [Radford+ 2021] - - 17 ▪ 学習： 画像とテキストの組（４億組）の特徴量同士を近付ける ▪ 画像エンコーダ： ViT-B/32, ResNet等 ▪ テキストエンコーダ： トランスフォーマー等 ▪ 推論： 新規の画像（or テキスト）を入力して特徴量に変換 ▪ 多数の応用（DALL·E 2 [Aditya (OpenAI) + 2022/4]等） a photo of a beer bottle satellite imagery of roundabout a photo of a marimba a meme テキスト エンコーダ 画像 エンコーダ
18. CLIPを物体操作・探索に利用 - - 18 物体操作 CLIPort [Shridhar+ CoRL21], PerAct [Shridhar+ CoRL22] • Transporter Networks[Zeng+ CoRL20] を拡張してCLIP の言語/画像特徴量を導入 • 「どの位置にグリッパを移動させるか」を予測 KITE [Sundaresan+ CoRL23] 「物体のどの部分を掴むか（キーポイント）」を予測 物体検索 CLIP-Fields [Shafiullah+ RSS23] Detic, BERT, CLIPの組み合わせで物体の探索を行う OpenScene [Peng+ CVPR23] Open-vocabularyの3D Scene understanding
19. 「CLIPで画像を特徴抽出したい」場合の頻出パターン - - 19 ①１次元の特徴量を利用 ▪ コード１行で書ける ▪ 画像/テキスト特徴量が同型 （512 x 1） ▪ 位置の情報が失われるので、 「Aの上にBがある」のような情 報表現に不向き Text Text feat. Image feat. Image 新規 画像
20. 「CLIPで画像を特徴抽出したい」場合の頻出パターン - - 20 ①１次元の特徴量を利用 ▪ コード１行で書ける ▪ 画像/テキスト特徴量が同型 （512 x 1） ▪ 位置の情報が失われるので、 「Aの上にBがある」のような情 報表現に不向き ②２次元の特徴マップを利用 ▪ CLIPに含まれるResNet/ViTか ら中間層の出力（28 x 28 x 512等）を用いる ▪ 代表的な利用例 ▪ CLIPort [Shridhar+ CoRL21], CRIS [Wang+ CVPR22], SAN [Mengde+ CVPR23] Text Text feat. Image feat. Image 新規 画像 Text Text feat. Image feat. Image 新規 画像
21. 我々の取り組み例：実世界検索エンジン [Kaneda+ IEEE RAL24] 21 背景 ▪ 生活環境・病院・ショッピングモール・屋外を 言語を通じて利活用できれば便利 ▪ 例：「シンクにあるタオルを取ってきて」 「消火器はどこ？」「座れる場所」 技術ポイント ▪ LLMと基盤モデルにより、文と画像を複数粒度 で分解・統合するトランスフォーマー ▪ 複数CA/ユーザ/モビリティ ▪ クローリングと検索を同時実行可能
22. 未知環境における機能実証 （2023/12/15@東京国際フォーラム） 22 消火器はどこ？
23. 未知環境における機能実証 （2023/12/15@東京国際フォーラム） 23 座る場所を探してるんだけど
24. マルチモーダルLLMの ロボティクス応用 24
25. 2022年以降、マルチモーダルLLMの開発が活発化 25 https://github.com/BradyFU/Awesome-Multimodal-Large-Language-Models
26. マルチモーダルLLM（MLLM）の代表的構成 26 ▪ BLIP-2 [Li+ 2023], LLaVA[Liu+ NeurIPS23]等 ▪ Modality Encoder： 画像・音声・ビデオ等から特徴抽出 ▪ Connector： MLPやQ-Former等でテキスト側の表現と整合 https://arxiv.org/abs/2306.13549
27. マルチモーダルLLMによる行動系列生成 27 PaLM-E [Driess (Google)+ 2023] ▪ 画像と言語を入力とするMLLM を用いたタスク分解と実行 Figure01 ▪ MLLMによる行動系列・状態推定 ▪ 6億7500万ドルのシリーズB資金を 調達（2024/2） https://www.youtube.com/watch?v=Sq1QZB5baNw https://palm-e.github.io/
28. ロボット用基盤モデル構築の試み - - 28 Gato [Reed+ JMLR22] ▪ ゲーム、画像キャプション生成、物体操作 等を１つのトランスフォーマーで学習 RT-1/2/X ▪ RT-1： ロボット13台ｘ17ヶ月の膨大な 学習データ。アーム/台車動作を3Hzで推論 ▪ RT-2[Brohan+ 23]： LLMを複数利用し て「位置と角度の差分」を予測 ▪ RT-X： ICRA24 Best Paper
29. MLLMによるキャプションを「画像特徴」として扱う 29 ▪ Cap4Video [Wu+ CVPR23 highlight] ▪ 視覚特徴とテキストクエリに加え、 Auxiliary Captionとのマッチングも考慮 ▪ λ-representation [齋藤+ JSAI24] ▪ 色や形状などの視覚的な特徴（ViT等） ▪ 自然言語とアラインした特徴（CLIP等） ▪ 自然言語を媒介として構造化された特徴 （マルチモーダルLLM等）
30. マルチモーダルLLMの評価 30
31. マルチモーダルLLMの代表的ベンチマーク Massive Multi-discipline Multimodal Understanding (MMMU) [Yue+ CVPR24] 31 ▪ 専門知識の理解と推論のベンチマーク ▪ 一言でいうと「学部生の小テストに 近い」 ▪ 教科書や試験等から収集 ▪ 30科目（工学・音楽・政治等） 11500問 ▪ 人間のスコアは76.2から88.6 ▪ https://mmmu-benchmark.github.io/ 2024/05/22時点
32. 例題１： フィードバック制御系の定常偏差 32
33. 例題１に対するGPT-4Vによる予測 33
34. 例題２： バイオリンのチューニングで使用するコード 34
35. 上位の結果 35
36. MMMUのまとめ ※本日時点の状況であり、今後変わる可能性が大きい 36 ▪ 上位はプロプライエタリなモデルが占めるが、 オープンソースモデルとの性能差は大きくない ▪ 同種モデル間でのパラメータサイズによる影響 のほうが大きい ▪ 例：Gemini UltraとProの差より、Gemini UltraとVILA1.5 (NVIDIA&MIT)の差のほう が小さい ▪ 人文・社会分野の問題では既にsuperhuman ▪ Human expert (worst) : 74.2 vs Gemini Ultra : 78.3 ▪ 主要な誤り： 誤認識、知識不足、推論の誤り
37. 画像キャプショニングの自動評価 - - 37 ▪ 説明生成モデルの開発には自動評価尺度が必須 ▪ cf. 機械翻訳 ▪ 日々のモデル改良サイクルを被験者評価で行うことは非現実的 ▪ 標準的な評価尺度は人間の評価との相関が低い（0.3-0.55程度）
38. 画像キャプション生成における教師あり自動評価尺度 [Wada+ CVPR24 (highlight)] 38 ▪ 画像キャプション生成における教師あり自動評価尺度 Polos を提案 ▪ 約13万サンプルの人間による評価 (世界最大の10倍) で構成された Polarisを構築 ▪ ベクトル間の複雑な関係を学習する教師あり自動評価尺度 ▪ ソフトウェア・データセット公開済み→ https://yuiga.dev/polos ６つのベンチマークにおいて世界最高性能 • Flickr8K-Expert • Flickr8K-CF • Composite • PASCAL50S • FOIL • Polaris Apple社との共同研究成果
39. マルチモーダルLLMの評価を見据えた取り組み 39 Deneb [松田+ JSAI24] ▪ 耐ハルシネーション性能で世界最高性能 ▪ 全指標でPolosを上回る ▪ 類似度を扱うSim-Vec Transformer JaSPICE [Wada+ CoNLL23] ▪ 背景：日本語の自動評価尺度は良いもの がほぼ無い ▪ 述語項構造に基づくシーングラフを用い たグラフマッチング 人通りの少なくなった道路で，青いズボンを着た男の子が オレンジ色のヘルメットを被りスケートボードに乗っている
40. 深層学習時代の ロボティクスの評価 40
41. Superhuman： 人間を凌駕するAI チャンピオンを超えた例 チェス（1997）、Jeopardy!（クイズ, 2011）、囲 碁（2017）、グランツーリスモ（ゲーム, 2022） 平均的な人と同等以上の例 機械翻訳、音声合成、ImageNet（1000カテゴリの物 体認識） その先を目指すグランドチャレンジ 「ノーベルチューリングチャレンジ（北野、2016）」 2050年までに、ノーベル賞級かそれ以上の科学的発見 を行う人工知能を開発する [Park+ 2017] https://www.itmedia.co.jp/news/articles/1705/25/news103.html [Park+ 2017]
42. 何をどこまで達成すればよいのか？ ▪ 「Superhuman」が１つのマイルストーン ▪ 人（平均的な人 or 専門家 or チャンピオン）が同じタスクを解いたと きの性能を機械が超える ▪ 達成するとどうなる？ ▪ （私の経験）機械知能の利用に批判的な人が劇的に減る
43. 専門家のスキル向上にAIが利用された例： 囲碁 - - 43 ▪ 2017年、AlphaGoが人間のチャンピオンを破る ▪ 2017年以降、「人間を凌駕するAI」を棋士が練習に使用開始 棋士のスコアが急激に向上 [Shin+ PNAS2023] https://deepmind.com/alphago-china
44. 移動指示・物体探索指示に関するベンチマーク： シミュレーションと実世界 実世界 ▪ Room2Room [Anderson+ CVPR18], REVERIE[Qi+ CVPR20] ▪ Honorable Mention Award@REVERIE Challenge 2022 シミュレーション ▪ ALFRED [Shridhar+ CVPR20], HomeRobot, VLMbench [Zheng+ NeurIPS22] ▪ CVPR 2023 DialFRED Challenge優勝[Kaneda+ 23] VLN-BERT 「壁に縞模様がある寝室の横の蛇口 から水が出ていないか確認して」 Matterport3D （90種類の家屋）
45. 実機を含むベンチマークテスト - - 45 RoboCup@Home（2006-） ▪ 世界最大の生活支援ロボットのベ ンチマークテスト ▪ GPSR: RT-2/PaLM SayCanで扱 われているレベルの難易度 ▪ 無理(2010)→ほぼ解決(2023) ▪ 優勝・準優勝(2008-2010,2012) HomeRobot [Yenamandra+ CoRL23] ▪ Open-vocabulary mobile manipulation ▪ NeurIPS23でコンペ
46. 我々の取り組み事例①： マルチモーダル言語理解 - - 46
47. 最新のマルチモーダルLLMでも困難な例 参照表現理解 47 The pillow on the couch closest to the plant in the living room. Wall picture closest to the front door in the entryway. 誤ったマスク 対象物体 以外もマスク
48. Motivation： 介助犬レベルの支援を行うロボットを構築したい https://www.toyota.com/usa/toyota-effect/romy-robot.html 音声（言語）を使った 場合は どんな課題があるの？ 候補が少ないならいいけど、 多いならタッチパネルは不便。 音声のほうが便利では？ 社会課題 • 要支援者を物理的・経済的に支える 生産年齢人口の減少 • ポテンシャルユーザのなかで介助犬 （育成に2年300万円）の利用者≒0.5% 家族の世話で仕事 辞めないと… 介助犬を世話 できない
49. 何をどこまでやるのか ▪ 介助犬のタスクは明確 に規定されている ▪ HSRが可能なタスク を人手で分析 ▪ タスクの80%以上をカ バーし、成功率80%以 上とすれば良い IAADPが定義した介助犬タスクのうちHSRが可能なタスク
50. Open-vocabulary物体操作の統合デモ [Kaneda+ IEEE RAL24] [Korekata+ IROS23] [Otsuki+ IROS2023] [Iioka+ IROS2023] 50 ドライバーの隣にあるサインペン を持ってきて タオルの横にあるリモコンを 持ってきて
51. 補足：Segment Anything Model (SAM) [Kirillov+(Meta) 2023/4/5] - - 51 Demo ▪ https://segment-anything.com/ Video ▪ https://www.youtube.com/shorts/oYUcl_cqKcs
52. MultiRankIt：物体をマルチモーダル検索して人間に呈示 背景 ▪ 全自動の設定での成功率低 ▪ Closed-vocabulary 設定では 実用性に欠ける 技術ポイント ▪ 自動化とオペレータによる介入を 組み合わせたhuman-in-the-loop設 定 ▪ 文と画像を複数粒度で分解・統合す るMulti-level/modal Transformer CLIP [OpenAI 2021]  成功率 約 30%
53. 複雑な参照表現に対して適切に検索できた Instruction: “Go to the bathroom with a picture of a wagon and bring me the towel directly across from the sink” Rank: 1 Rank: 2 Rank: 3 Rank: 4 Rank: 5 Rank: 6 … Rank: 1 Rank: 2 Rank: 3 Rank: 4 Rank: 5 Rank: 6 … Instruction: “Go to the hallway on level 1 that is lined with wine bottles and pull out the high chair closest to the wine bottles at the second table from the door”
54. モビリティ向け移動指示理解 [Hosomi+ IEEE RAL24] 【タスク】 「バイクが止まっている所の横に 停めて」等の移動指示言語理解 【技術ポイント】 ▪ 夜間画像のセグメンテーション マスク信頼度を推定 ▪ [Rufus+ IROS21]を超える性 能 Mean IoU [Rufus+, IROS2021] 32.71±4.59 TNRSM (提案手法) 37.61±2.73 - 54 -
55. 取り組み事例② 説明生成 - - 55
56. PonNet：衝突危険性の予測および視覚的説明生成 [Magassouba+ Advanced Robotics 2021] 背景： 動作実行前に帰結を予測し(physical reasoning)、ユーザ に説明できれば便利 技術ポイント： Attention Branch Network (ABN) [Fukui+ CVPR19]を２系統に拡張し、自己注意で統合 平面検出 だと精度 が低い
57. 将来のリスクに対する言語的説明生成：Future captioning [Kambara+ ICIP22][平野+ 23] - - 57 【タスク】 行動前にユーザに実行可否を判断 を仰ぐための説明生成 【技術ポイント】 ▪ Relational Self-Attention [Kim+ NeurIPS21]を用いたイ ベント間の関係性抽出 ▪ LLMによるあり得る帰結の生成 ▪ Nearest Neighbor Language Model (NNLM)をキャプション 生成に初めて導入 例：「砂時計が落下するリスクがあ ります。動作を実行しますか？」
58. あり得る未来の説明をLLMで生成し、NNLMを用いて生 成確率をリスコア ▪ LLMによるデータ拡張 ▪ 学習集合における各サンプルをLLMに入力 ▪ 新たなサンプルを含めた学習集合を得る ▪ 説明文の後件部を変更するプロンプトを使用 ペットボトルを置こうとして、砂糖の 容器に衝突して倒れる ペットボトルを置こうとして、砂糖の 容器に衝突して弾き飛ばされる LLM 入力例 LLM 出力例 58
59. ロボットタスクおよび料理動画に対するfuture captioning 59 アームがつかんでいたルービックキューブをテーブルの上 に置き、ルービックキューブとマヨネーズが衝突する アームがルービックキューブを机の上に置こうとしたが、 おこうとした場所にペットボトルと接触してしまい、ルー ビックキューブが棚の上で倒れる アームがルービックキューブを机の上に置こうとしたが、 マヨネーズの容器に衝突し、マヨネーズの容器が少し動く
60. まとめ - - 60
61. 今後の展望： マルチモーダルLLMとロボティクス 61 ▪ 「スマホに載る」軽量LLMのリリースが活発化 →マルチモーダルLLMにおいて同様の流れが進むと、ロボットを含む エッジデバイス向けの応用が進むと考えられる ▪ cf. Phi-3 (Microsoft), OpenELM (Apple)（2024/4）, Phi-3- vision 4.15B（2024/05/22） ▪ プロプライエタリなモデル vs オープンソースモデル →性能差が縮むとオープンソースのローカルMLLMが勢いづくはず タスクA の性能 年 プロプライエタリ オープン ソース
62. まとめ - - 62 1. ロボティクスとLLM 2. マルチモーダル学習 3. ロボティクスとマルチモーダルLLMの評価 4. 取り組み事例 ※JSPS・JST CREST・JSTムーンショット・NEDO・SCOPE・Apple・トヨタ 自動車・NICT・本田技研・大阪大学・中部大学・本学共同研究者・研究室 の学生・スタッフに感謝申し上げます。
63. マルチモーダル言語処理の発表資料を公開しています - - 63 公開スライド https://speakerdeck.com/keio_smilab ウェブサイト https://smilab.org Twitter (X) @keio_smilab