Spatial relations are fundamental to human cognition and are the most basic knowledge for us to understand and communicate about our physical surroundings. In this paper, we ask the critical question: Are current vision-and-language models (VLMs) able to correctly understand spatial relations? To answer this question, we propose Visual Spatial Reasoning (VSR), a novel benchmark task with human labelled dataset for investigating VLMs' capabilities in recognising 65 types of spatial relationships (e.g., under, in front of, facing etc.) in natural text-image pairs. Specifically, given a caption and an image, the model needs to perform binary classification and decide if the caption accurately describes the spatial relationships of two objects presented in the image. While being seemingly simple and straightforward, the task shows a large gap between human and model performance (human ceiling on the VSR task is above 95% and models only achieve around 70%). With fine-grained categorisation and control on both concepts and relations, our VSR benchmark enables us to perform interesting probing analysis to pinpoint VLMs' failure cases and the reasons behind. We observe that VLMs' by-relation performances have little correlation with the number of training examples and the tested models are in general incapable of recognising relations that concern orientations of objects. Also, VLMs have poor zero-shot generalisation toward unseen concepts. The dataset and code are released at github.com/cambridgeltl/visual-spatial-reasoning.


翻译:空间关系是人类认知的基础,也是我们了解和交流我们物理环境的最基本知识。 在本文中,我们提出一个至关重要的问题:目前的视觉和语言模型(VLMs)能否正确理解空间关系?为了回答这个问题,我们提议视觉空间理性(VSR),这是人类标签数据集的新基准任务,用于调查VLMs在自然文本图像组合中识别65种空间关系的能力(例如,在概念和关系上,面对、面对等),我们的VSR基准使我们得以进行有趣的勘测分析,以确定VLMs失败案例和图像,模型需要进行二进制分类,并决定是否准确描述图像中两个对象的空间关系。任务虽然看起来简单明了,但显示了人类和模型性能之间的巨大差距(VLMs任务上的人称上限超过95%,模型只达到70%左右)。由于概念和关系上精细的分类和控制,我们的VSR基准使我们能够进行有趣的勘测分析,以确定VLMs失败案例和后面的原因。我们观察VLMs与一般数据模型的不透明性关系是如何测试的。

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