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CVPR 2026 | 从视觉Token内在变化量出发,实现VLM无损加速1.87倍

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作者介绍:第一作者陈骏杰(四川大学硕士二年级)与共同一作刘旭洋(四川大学硕士三年级)深耕高效视觉语言模型。



  • 论文题目:Variation-aware Vision Token Dropping for Faster Large Vision-Language Models
  • 论文链接:https://arxiv.org/abs/2509.01552
  • 代码链接:https://github.com/xuyang-liu16/V2Drop

背景与动机

随着高分辨率图像理解与长视频处理需求的爆发式增长,大型视觉语言模型(LVLMs)所需处理的视觉 Token 数量急剧膨胀,推理效率成为落地部署的核心瓶颈。Token 压缩是缩短序列、提升吞吐的直接手段,但现有方法普遍依赖注意力权重来判断 Token 重要性,这一路线暗藏两个致命缺陷:

一是位置偏差问题(如图 1 所示),该方法倾向于机械地保留序列末尾的 Token,无论图像内容如何,注意力得分普遍在序列末尾(对应图像底部区域)形成峰值(红色箭头),导致关键的前期 Token 被丢弃,进而加剧多模态幻觉。

二是与高效算子存在根本性的不兼容,计算注意力权重与 FlashAttention 等高效机制之间存在本质冲突。相比之下,右侧三列(绿色边框)展示了基于 L2 Norm 变化量评估方法的显著优势 —— 其得分分布均匀、能够精准聚焦于含有关键信息的图像区域(如绿色框标注的球衣号码区域),且无需显式注意力计算,与高效算子天然兼容。



图 1:注意力引导 vs. 变化量感知的 Token 评估对比

核心发现


发现 1:注意力方法存在系统性末端偏置

研究团队在 LLaVA-1.5-7B 和 Qwen2-VL-7B 上,对比了 SparseVLM、FastV 与 L2 Norm 变化量评估在相同输入下的 Token 保留行为。注意力方法的保留概率曲线均呈单调递增阶梯形状 —— 末端 Token 保留率高达 80%~100%,前端仅 10%~30%,与内容重要性毫无关联。L2 Norm 则呈近似均匀分布,天然规避位置偏差。



图 2:两大模型上视觉 Token 保留位置分布分析 ——L2 Norm 呈现均匀分布,注意力方法呈严重末端偏置

发现 2:变化量高的 Token 天然对应语义关键区域

针对两个典型样本(百事可乐瓶识别、球衣号码识别),L1 Norm、L2 Norm 和余弦相似度三种指标均在答案相关区域出现显著峰值,且无论关键区域位于序列中段还是后段均能精准捕捉,表明变化量是衡量视觉 Token 重要性的鲁棒内在属性,L2 Norm 综合性能最优,被 V²Drop 选为默认度量。



图 3:三种变化量度量指标均精准定位答案相关区域(红框),验证变化量与语义重要性的强相关性

解决方案:V²Drop

V²Drop 在 LLM 推理阶段采用多阶段渐进式剪枝策略,三步实现高效无偏 Token 压缩:

① 变化量计算(Variation Computation)

在每个预定义剪枝层,计算每个视觉 Token 与上一层表示的 L2 距离作为重要性得分。额外开销仅为单层注意力计算量的 0.022%,可忽略不计。

② Token 排序与选择(Token Ranking & Selection)

按变化量得分从高到低排序,保留 Top-K 个 Token,自然过滤惰性 Token,无需引入任何位置偏置。

③ 渐进式压缩(Progressive Dropping)

在浅层、中层、深层三阶段依次执行剪枝,形成 M → Ka → Kb → Kc 渐进压缩路径。消融实验证明,渐进式剪枝比一次性剪枝在 POPE 上高 9.3%、MME 上高 5.9%。



图 4:V²Drop 整体框架

理论保证

通过一阶 Taylor 展开证明,Token 的变化量幅度与其对模型输出的影响正相关,从理论上验证了丢弃低变化量 Token 能最小化输出扰动的核心假设。架构的三大属性(残差连接、Layer Norm、平滑激活函数)共同保证了理论假设的合理性。

实验结果


1、图像理解(LLaVA-1.5-7B & Qwen2-VL-7B)

在图像场景的核心表现上,本方法在 LLaVA-1.5-7B 上:压缩 66.7% Token(保留 192 个)时,综合性能达 97.6%,超越次优方法 PDrop(96.0%。此外,在 Qwen2-VL-7B 高分辨率场景中,66.7% 和 77.8% 两档压缩率下均全面超越 FastV 和 DART,尤其在 POPE 幻觉抑制指标上表现突出,充分验证了本方法对原生可变分辨率输入的强泛化能力。



表 1:基于 LLaVA-1.5-7B 的多图像理解基准测试对比



表 2:基于 Qwen2-VL-7B 的多图像理解基准测试对比

2、视频理解(LLaVA-OV-7B & Qwen2-VL-7B)

在视频场景中,本方法同样表现卓越:仅保留 25% 的 Token 时,综合性能即达 98.6%,超越保留 30% Token 的 DyCoke(97.7%),以更少 Token 实现更优性能;在长视频任务(VideoMME-Long)上持续领跑,有效缓解了 VideoLLM 普遍存在的末帧偏置问题;在 Qwen2-VL-7B 场景下,仅保留 20% Token 时综合性能达 93.3%,其中 MVBench 以 62.1 分大幅领先 DART(58.9)和 FastV(50.9),优势尤为突出。



表 3:基于 Qwen2-VL-7B 的多视频理解基准测试性能对比



表 4:基于 LLaVA-OV-7B 的多视频理解基准测试性能对比

3、效率分析(与高效算子完全兼容)

在效率层面,本方法同样带来显著收益:图文理解任务(LLaVA-1.5-7B)中,LLM 生成延迟降低 31.5%,吞吐量提升至 9.01 items/s(↑1.26×),峰值显存同步下降 3.3%;视频理解任务(LLaVA-OV-7B)中,LLM 生成延迟大幅削减 74.2%,吞吐量提升 1.38×,峰值显存降低 7.8%。与之形成鲜明对比的是,SparseVLM、FastV、PDrop 在视频场景下峰值显存分别暴增 54.8%、39.2% 和 37.8%,而本方法无需计算注意力矩阵,真正实现了加速与节存的双重收益。



表 5:图像 / 视频理解任务的效率对比

结论


V²Drop 为视觉语言模型的推理加速开辟了一条全新路径。研究发现,视觉 Token 在 LLM 各层间的变化量与其任务相关性高度吻合,且这一规律与具体任务无关(task-agnostic)。基于这一洞察,V²Drop 以变化量为核心评估信号,构建了一套轻量、渐进、与高效算子完全兼容的 Token 压缩框架 —— 无需修改模型权重,无需访问注意力矩阵,即插即用。在图像与视频理解两条赛道上均实现当前最优性能 - 效率权衡。

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