自从 OpenAI 发布了 o1 模型后，Scaling Test-Time Compute（扩展推理时计算）就成了 AI 圈子里最火爆的话题之一。简单来说，与其在预训练或后训练阶段疯狂堆算力，不如在推理阶段（也就是大语言模型生成输出的时候）多花点计算资源。
o1 模型将一个大问题拆分为一系列小问题（即思维链，Chain-of-Thought），让模型像人一样一步步思考，评估不同的可能性、做更细致的规划，给出答案前进行自我反思等。通过这种方式，模型无需重新训练，仅通过推理时的额外计算就能提高性能。
与其让模型死记硬背，不如让它多思考—— 这种策略在复杂的推理任务中尤为有效，效果提升显著，阿里巴巴最近发的 QwQ 模型也印证了这一技术趋势：通过拓展推理时计算来提升模型能力。
?? 本文的 Scaling 指的是在推理过程中增加计算资源（例如算力或时间）。它不是指横向扩展（分布式计算）或加速处理（缩短计算时间）。
你要是也用过 o1 模型，肯定会感觉到多步推理更费时，因为模型需要构建思维链来解决问题。
在 Jina AI，相比大型语言模型（LLMs），我们更专注于 Embeddings 和 Rerankers。因此，我们自然就想到了：能不能把“思维链”的概念也应用到 Embedding 模型上？
虽然乍一看可能不太直观，但本文将探讨一种新的视角，并演示如何把扩展推理时计算（Scaling Test-Time Compute）应用到jina-clip，以对 棘手的领域外（Out Of Domain, OOD）图像 进行分类，来解决原本不可能的任务。
我们拿宝可梦的识别来做实验，这对向量模型来说还是挺有挑战性的。CLIP 这种模型虽然在图像-文本匹配上很强，但碰到模型没见过的、领域外（OOD）的数据就容易翻车。
然而，我们发现，通过增加模型推理时间，采用类似于思维链的多目标分类策略，不需要调整模型，也能提高领域外数据的分类准确率。
案例研究：宝可梦图像分类
? Google Colab: https://colab.research.google.com/drive/1zP6FZRm2mN1pf7PsID-EtGDc5gP_hm4Z#scrollTo=CJt5zwA9E2jB
我们使用了 TheFusion21/PokemonCards 数据集，里面有几千张宝可梦卡牌图像。这是一个图像分类任务，输入一张裁剪过的宝可梦卡牌（去掉了文字描述），输出正确的宝可梦名字。但这对 CLIP Embedding 模型来说是个难题，原因有几个：
宝可梦的名字和样子对模型来说都比较陌生，直接分类很容易翻车。
每只宝可梦都有自己的视觉特点，比如形状、颜色、姿势，这些 CLIP 比较好理解。
卡牌的风格虽然统一，但不同的背景、姿势和画风又增加了难度。
这个任务需要同时考虑多个视觉特征，就像 LLM 里的复杂思维链。
我们把卡牌上的文字信息（标题、页脚、描述）都去掉了，免得模型作弊，直接从文字里找到答案，因为这些宝可梦类别的标签就是它们的名字，比如 Absol、Aerodactyl。
基准方法：直接相似度比较
先说说最简单的基准方法 (Baseline)，就是 直接比较宝可梦图片和名字的相似度。
首先，还是把卡牌上所有的文字信息都去掉，免得 CLIP 模型直接通过文本来猜测答案。然后，我们用 jina-clip-v1 和 jina-clip-v2 模型分别对图片和宝可梦名字进行编码，得到它们各自的向量表示。最后，计算图像向量和文本向量之间的余弦相似度，哪个名字的相似度最高，就认为图片是哪个宝可梦。
这种方法相当于在图片和名字之间做了一对一的匹配，没考虑其他的上下文信息或属性。下面这段伪代码简单描述了这个过程。
# 预处理
cropped_images = [crop_artwork(img) for img in pokemon_cards] # 去掉文字，只保留图片
pokemon_names = ["Absol", "Aerodactyl", ...] # 宝可梦名字
# 用 jina-clip-v1 获取 embeddings
image_embeddings = model.encode_image(cropped_images)
text_embeddings = model.encode_text(pokemon_names)
# 计算余弦相似度进行分类
similarities = cosine_similarity(image_embeddings, text_embeddings)
predicted_names = [pokemon_names[argmax(sim)] for sim in similarities] # 哪个名字相似度最高，就选哪个
# 评估准确率
accuracy = mean(predicted_names == ground_truth_names)
进阶：把思维链应用到图像分类
这次，我们不直接匹配图片和名字，而是把宝可梦识别拆成几个部分，就像玩“宝可梦连连看”一样。
我们定义了五组关键属性：主要颜色（比如“白色”、“蓝色”）、主要形态（比如“一只狼”、“一只有翅膀的爬行动物”）、关键特征（比如“一只白色的角”、“大翅膀”）、体型（比如“四脚着地的狼形”、“有翅膀且纤细”）以及背景场景（比如“外太空”、“绿色森林”）。
对于每一组属性，我们都设计了一个专门的提示词，比如“这只宝可梦的身体主要是{}色的”，然后把可能的选项填进去。接着，我们用模型计算图片和每个选项的相似度得分，再用 softmax 函数把得分转换成概率，这样就能更好地衡量模型的置信度。
完整的思维链（CoT）由两部分组成：classification_groups 和 pokemon_rules，前者定义了提问框架：每个属性（例如颜色、形态）对应一个问题模板和一系列可能的答案选项。后者则记录了每只宝可梦应该匹配哪些选项。
例如，Absol 的颜色应该是“白色”，形态应该是“狼形”。我们后面会讲怎么构建完整的 CoT 结构，下面的 pokemon_system（精灵宝可梦系统）是 CoT 的一个具体实例：
pokemon_system = {
"classification_cot": {
"dominant_color": {
"prompt": "This Pokémon's body is mainly {} in color.",
"options": [
"white", # Absol, Absol G
"gray", # Aggron
"brown", # Aerodactyl, Weedle, Beedrill δ
"blue", # Azumarill
"green", # Bulbasaur, Venusaur, Celebi&Venu, Caterpie
"yellow", # Alakazam, Ampharos
"red", # Blaine's Moltres
"orange", # Arcanine
"light blue"# Dratini
]
},
"primary_form": {
"prompt": "It looks like {}.",
"options": [
"a wolf", # Absol, Absol G
"an armored dinosaur", # Aggron
"a winged reptile", # Aerodactyl
"a rabbit-like creature", # Azumarill
"a toad-like creature", # Bulbasaur, Venusaur, Celebi&Venu
"a caterpillar larva", # Weedle, Caterpie
"a wasp-like insect", # Beedrill δ
"a fox-like humanoid", # Alakazam
"a sheep-like biped", # Ampharos
"a dog-like beast", # Arcanine
"a flaming bird", # Blaine's Moltres
"a serpentine dragon" # Dratini
]
},
"key_trait": {
"prompt": "Its most notable feature is {}.",
"options": [
"a single white horn", # Absol, Absol G
"metal armor plates", # Aggron
"large wings", # Aerodactyl, Beedrill δ
"rabbit ears", # Azumarill
"a green plant bulb", # Bulbasaur, Venusaur, Celebi&Venu
"a small red spike", # Weedle
"big green eyes", # Caterpie
"a mustache and spoons", # Alakazam
"a glowing tail orb", # Ampharos
"a fiery mane", # Arcanine
"flaming wings", # Blaine's Moltres
"a tiny white horn on head" # Dratini
]
},
"body_shape": {
"prompt": "The body shape can be described as {}.",
"options": [
"wolf-like on four legs", # Absol, Absol G
"bulky and armored", # Aggron
"winged and slender", # Aerodactyl, Beedrill δ
"round and plump", # Azumarill
"sturdy and four-legged", # Bulbasaur, Venusaur, Celebi&Venu
"long and worm-like", # Weedle, Caterpie
"upright and humanoid", # Alakazam, Ampharos
"furry and canine", # Arcanine
"bird-like with flames", # Blaine's Moltres
"serpentine" # Dratini
]
},
"background_scene": {
"prompt": "The background looks like {}.",
"options": [
"outer space", # Absol G, Beedrill δ
"green forest", # Azumarill, Bulbasaur, Venusaur, Weedle, Caterpie, Celebi&Venu
"a rocky battlefield", # Absol, Aggron, Aerodactyl
"a purple psychic room", # Alakazam
"a sunny field", # Ampharos
"volcanic ground", # Arcanine
"a red sky with embers", # Blaine's Moltres
"a calm blue lake" # Dratini
]
}
},
"pokemon_rules": {
"Absol": {
"dominant_color": 0,
"primary_form": 0,
"key_trait": 0,
"body_shape": 0,
"background_scene": 2
},
"Absol G": {
"dominant_color": 0,
"primary_form": 0,
"key_trait": 0,
"body_shape": 0,
"background_scene": 0
},
// ...
}
}
总之，现在我们不是简单地比较一次相似度，而是进行多次比较，把各个属性的概率综合起来，这样就能做出更合理的判断。
# 分类流程
def classify_pokemon(image):
# 生成所有提示
all_prompts = []
for group in classification_cot:
for option in group["options"]:
prompt = group["prompt"].format(option)
all_prompts.append(prompt)
# 获取向量及其相似度
image_embedding = model.encode_image(image)
text_embeddings = model.encode_text(all_prompts)
similarities = cosine_similarity(image_embedding, text_embeddings)
# 将相似度转换为每个属性组的概率
probabilities = {}
for group_name, group_sims in group_similarities:
probabilities[group_name] = softmax(group_sims)
# 根据匹配的属性计算每个宝可梦的得分
scores = {}
for pokemon, rules in pokemon_rules.items():
score = 0
for group, target_idx in rules.items():
score += probabilities[group][target_idx]
scores[pokemon] = score
return max(scores, key=scores.get) # 返回得分最高的宝可梦
两种方法的复杂度分析
现在我们来分析一下复杂度，假设我们要在 N 个宝可梦名字中找到与给定图片最匹配的名字：
基准方法需要计算 N 个文本向量（每个名字对应一个）以及 1 个图片向量，然后进行 N 次相似度计算（图片向量与每个文本向量比较）。因此，基准方法的复杂度主要取决于文本向量的计算次数 N。
而我们的 CoT 方法需要计算 Q 个文本向量，其中 Q 是所有问题和选项的组合总数，以及 1 个图片向量。之后，需要进行 Q 次相似度计算（图片向量与每个问题-选项组合的文本向量比较）。因此，该方法的复杂度主要取决于 Q。
在这个例子中，N = 13，Q = 52（5 组属性，平均每组约 10 个选项）。两种方法都需要计算图像向量并执行分类步骤，在比较中我们就舍去了这些共同操作。
极端情况下，如果 Q = N，那我们的方法实际上就退化成基准方法了。所以，想要有效地拓展推理时计算，关键在于：
设计好问题，增加 Q 的值。 确保每个问题都能提供有用的线索，帮我们缩小范围。 问题之间最好不要有重复信息，这样才能最大化信息增益。
实验结果
我们在 117 张测试图片上进行了评估，包含 13 种不同的宝可梦。准确率结果如下：
这也说明，一旦pokemon_system构建好了，同一个 CoT，可以不改代码直接用在不同的模型上，而且不需要微调或额外的训练。
有意思的是，jina-clip-v1模型在宝可梦分类上的基础准确率就比较高（31.36%），因为它是在包含宝可梦数据的 LAION-400M 数据集上训练的。而 jina-clip-v2模型是在 DFN-2B 上训练的，这个数据集质量更高，但也过滤掉了更多数据，可能把宝可梦相关的内容也去掉了，所以它的基础准确率比较低（16.10%）。
等下，这个方法是怎么 work 的？
?? 让我们回顾一下我们做了什么
因此，这种外部知识或思维过程才是关键 - 就像我们的例子中，关键在于精灵宝可梦系统是如何构建的。这种专业知识可以来自人类，也可以来自大语言模型。
高效构建思维链系统
推理时计算的效果好坏，很大程度上取决于pokemon_system的质量。构建这个 CoT 系统的方法有很多，从手动到全自动，各有优劣。
这是最直接的办法，手动分析宝可梦数据集，创建属性组、提示和规则。
领域专家需要找出关键的视觉属性，比如颜色、形态、特征等等。然后，为每个属性写一个自然语言提示词，列出所有可能的选项，再把每个宝可梦和对应的属性选项关联起来。
这种方法的规则质量高，精准贴合数据集特点；但是太费时费力，而且数据量一大就不好弄了。
2. LLM 辅助构建也可以用 LLM 来生成分类系统，我们需要给 LLM 一个清晰的提示词，需要包含以下信息：基于视觉特征的属性组、提示词模板、全面且互斥的所有可能的选项，以及每个宝可梦对应的规则。
我需要一个宝可梦分类系统。对于以下宝可梦：[Absol, Aerodactyl, Weedle, Caterpie, Azumarill, ...]，创建一个包含以下内容的分类系统：
1. 基于以下视觉属性的分类组：
- 宝可梦的主要颜色
- 宝可梦的形态
- 宝可梦最显著的特征
- 宝可梦的整体体型
- 宝可梦通常出现的背景环境
2. 对于每个分类组：
- 创建一个自然语言提示模板，用 "{}" 表示选项
- 列出所有可能的选项
- 确保选项互斥且全面
3. 创建规则，将每个宝可梦映射到每个属性组中的一个选项，使用索引引用选项
请以 Python 字典格式输出，包含两个主要部分：
- "classification_groups": 包含每个属性的提示和选项
- "pokemon_rules": 将每个宝可梦映射到其对应的属性索引
示例格式：
{
"classification_groups": {
"dominant_color": {
"prompt": "This Pokemon's body is mainly {} in color.",
"options": ["white", "gray", ...]
},
...
},
"pokemon_rules": {
"Absol": {
"dominant_color": 0, # "white" 的索引
...
},
...
}
}
LLM 很快能生成一个初稿，但也需要人工检查和修正。
更靠谱的办法是 结合 LLM 生成和人工验证。先让 LLM 生成一个初始版本，然后人工检查和修改属性分组、选项和规则，再把修改意见反馈给 LLM，让它继续完善，直到满意为止。这种方法兼顾了效率和准确性。
3. 用 DSPy 自动化构建对于全自动构建 pokemon_system，可以用 DSPy 迭代优化。
先从一个简单的 pokemon_system 开始，可以是手动创建的，也可以是 LLM 生成的。然后用留出集的数据评估它的效果，把准确率作为反馈信号给 DSPy。DSPy 会根据这个反馈生成新的 pokemon_system，不断重复这个循环，直到性能收敛，不再有明显提升为止。
整个过程中，向量模型都是固定不变的。通过 DSPy 就能自动找到最佳的 pokemon_system（CoT）设计，且每个任务只需要调优一次。
为什么要在向量模型上 Scaling Test-Time Compute？
因为一直加大预训练模型的规模，成本太高，扛不住啊。
Jina Embeddings 系列，从jina-embeddings-v1、v2、v3 到 jina-clip-v1、v2，还有 jina-ColBERT-v1、v2，每次升级都是靠更大的模型、更多的预训练数据，成本也越来越高。
就拿jina-embeddings-v1来说，2023 年 6 月发布的时候，1.1 亿参数，训练成本就要 5000 到 10000 美元。到了 jina-embeddings-v3，性能提升了不少，但主要还是靠砸钱堆资源。现在，顶级模型的训练成本已经从几千美元涨到了几万美元，大公司甚至要花几亿美元。虽然预训练投入越多，模型效果越好，但成本太高，性价比越来越低，发展终究需要考虑可持续性。
这张图就展示了向量模型的 Scaling Law。横轴是模型参数量，纵轴是 MTEB 的平均性能。每个点代表一个向量模型。趋势线代表所有模型的平均水平，蓝色的点是多语言模型。
这些数据选自 MTEB 排行榜排名前 100 的向量模型。为了保证数据质量，我们过滤掉了未公开模型大小信息的模型以及一些无效的提交。
另一方面，现在的向量模型已经很强大了：多语言、多任务、多模态，零样本学习和指令跟随能力都很出色。这种多功能性为算法改进和扩展推理时计算带来了巨大的想象空间。
关键问题是：对于一个用户真正关心的查询，他们愿意付出多少代价？如果仅仅是让固定的预训练模型的推理时间稍长一些，就能大幅提升结果质量，相信很多人都会觉得物超所值。
在我们看来，扩展推理时计算在向量模型领域蕴藏着巨大的有待挖掘的潜力，这或许将是未来研究的一个重要突破口。与其一味追求更大的模型，不如在推理阶段多下功夫，探索更巧妙的计算方法来提升性能 —— 这可能是一条更经济、也更有效的路径。
结论
在 jina-clip-v1/v2 的实验表现里，我们观察到以下几个关键现象：
我们 在模型没见过的、领域外（OOD）的数据上，取得了更好的识别准确率，并且完全没有对模型进行任何微调或额外的训练。
该系统通过 迭代地细化相似性搜索和分类标准，实现了更精细的区分能力。
通过引入 动态提示调整和迭代推理（类似于“思维链”），我们将向量模型的推理流程从单一查询转变为更复杂的思维链。
这仅仅是开始！Scaling Test-Time Compute 的潜力远不止于此，还有广阔空间值得我们去探索。比如，我们可以开发出更高效的算法，通过迭代选择最有效的策略，来缩小答案空间，类似于‘二十个问题’游戏中最优解法的策略。通过拓展推理时计算，我们可以推动向量模型突破现有瓶颈，解锁曾经看似遥不可及的复杂精细的任务，将这些模型推向更广阔的应用前景。
