一、拍照识题与解题（以国际大数据竞赛为例）

2025IKCEST第七届“一带一路”国际大数据竞赛暨 第十一届百度&西安交大大数据竞赛-torch

• 项目背景：当前，大模型技术快速发展，人工智能文图识别技术已经深入到生活与工作场景的方方面面。除了文本写作、阅读场景，数理题目识别与解题也是文图识别领域的重要研究方向。今年赛题首次鼓励选手使用开源大模型加入算法设计，关注模型推理能力的提升；大模型的加入将为识题、解题提供更大的创新空间。
• 比赛要求：通过手机拍摄的题目照片，对小学至大学阶段的数学题目进行解题，题目类型包括常见的选择题、填空题、计算应用题等。
• 解决方案：选手可通过传统视觉算法或大模型（文本或多模态均可，模型参数量<4B），对题目照片进行图像预处理-文本与图形检测-OCR 识别-解题推理等，最终输出题目答案。

1、模型选择

赛题选型建议
若数据集 >80% 为纯文字数学题：推荐OCR+LLM，推理速度快、易于微调和调试。
若数据集含较多几何/图形类题目：推荐多模态模型，图像理解优势明显。

2、数据说明

维度	详细描述	影响与挑战
样本规模	极度稀缺，仅12张题目图片	训练和微调样本不足，难以覆盖题型与布局多样性，模型泛化受限。
题型多样性	涉及选择题、填空题、计算应用题，难度跨度从小学到大学。	不同题型逻辑结构差异大，需灵活适配解题策略，推理流程复杂。
语言混合	中英文及数学符号混排，包含上下标、希腊字母、数字等多字符类型。	跨语种、符号识别难度高，对OCR和多模态视觉语言理解能力提出挑战。
图文融合	题目中含文本、复杂公式及图形，版面无固定排布。	模型需理解多模态信息间语义及空间关系，数据稀缺限制联合学习效果。
图像质量	手机拍摄，光照不均、旋转模糊、阴影遮挡、变形等多种干扰。	降低视觉编码和OCR识别精度，增加鲁棒性设计难度。
标注质量	存在脏标注，答案错误或格式不统一，缺乏规范标准。	训练信号噪声大，模型易误学习错误信息，评估结果不稳定。
布局复杂	题干、选项、图形分布无固定模式，空间结构多变。	版面解析难度大，影响文本与图形的准确定位及语义关联。
隐含知识	数学定理、单位换算等隐含信息未显式标注。	依赖模型外部知识或推理机制，难以单靠数据本身学习。
多模态训练限制	资源有限，模型参数<4B，且样本不足。	多模态端到端训练难以收敛，推理稳定性和准确性受限。

3、解决方案：多模态（Qwen2.5-VL-3B-Instruct）

针对倾向多模态方案（Qwen2.5-VL-3B-Instruct），结合前述数据集分析，以下表格给出具体的解题策略与数据集完善措施，以克服数据局限，提升模型性能和稳定性：

挑战点	多模态解题策略	数据集完善措施
极端小样本规模	- 利用预训练大模型做少样本推理 - 采用零/少样本学习和提示工程	- 生成合成数据（题目图片+答案） - 数据增强（旋转、光照、模糊） - 跨域迁移学习辅助训练
题型多样性和多语言	- 设计多任务提示词，分类型调用对应子模型或子模块 - 集成语言识别模块实现中英切换	- 标注各题型与语言标签，构建多语种多题型数据集 - 对复杂符号和公式专门标注结构化表达
图文融合复杂度	- 设计联合视觉-语言融合模块 - 结合结构化图形解析器辅助理解 - 设计图文对齐训练任务	- 收集并标注图形区域及对应语义信息 - 标注图形与文本的对应关系，辅助多模态对齐训练
图像质量问题	- 训练视觉编码器具备鲁棒特征抽取 - 多尺度、多视角输入增强模型鲁棒性	- 采集多样化拍摄条件数据 - 标注图像质量信息，供模型自适应调整推理策略
脏标注及格式多样性	- 设计模型自检与纠错机制（交叉验证、多路输出一致性检查） - 训练对噪声标签具备鲁棒性	- 多人复核标注，提升标签准确率 - 制定统一标注规范及格式标准
复杂布局结构	- 引入视觉注意力机制，强化空间关系学习 - 使用版面结构分析模块分割并编码布局	- 细化版面元素标注（题干、选项、图形等分层标注） - 采集多种布局样本，支持模型泛化
隐含数学知识	- 结合符号计算引擎（如SymPy）实现推理辅助 - 增加知识提示模块，辅助模型调用外部知识	- 构建数学知识库及对应推理步骤样本 - 标注单位、公式推导等隐含信息
多模态模型资源限制	- 采用轻量化多模态模型或知识蒸馏技术 - 模型推理时分阶段处理，先视觉编码再语言推理	- 精简标注内容，聚焦核心多模态交互信息 - 优化样本结构以适配轻量模型

4、解题思路：识别题目 - 解答题目 - 提取答案

核心原则：看得清→想得对→答得准，并且 " 任何一步失败，都能被上游/下游发现并纠正 " 。

二、经验分享

1、大模型性能分析：OCR+LLM 和 VLM

对比维度	OCR+LLM 模型（识题 + 解题分离）	多模态大模型（端到端视觉-语言）
架构特点	独立的 OCR 模块（文字识别）+ LLM 模块（文本推理）；可单独升级和调试； 过程白盒，可精确定位并优化识题或解题弱项	图像直接输入，统一编码图像与文本特征进行推理； 过程黑盒，内部细节难以针对性调整
优势	① 模型组合灵活，可在 4B 限制下自由分配 OCR 与 LLM 参数 ② 相同参数规模下，数学推理能力通常优于 VLM ③ 可单独微调 OCR 或 LLM，降低训练成本 ④ 提供中间文本结果，便于校验和规则增强 ⑤ 对算力要求相对低，推理速度快	① 可直接处理几何题、图表等视觉任务 ② 无需复杂预处理，识题漏检率极低，抗干扰能力强 ③ 支持多模态输入（图文/视频），场景覆盖广 ④ 图像理解能力强，可直接利用布局、图形等特征
劣势	① 无法直接解析图形（几何题表现差） ② OCR 可能漏掉关键信息或识别错误 ③ 数据处理链路长，整体延迟易受多环节影响	① 数学推理能力偏弱，需要额外大规模微调 ② 无法仅针对推理或识题单独增强 ③ 参数规模大，对显存与算力要求高，推理速度慢
改进思路	① 微调 OCR 提升文本识别精准度 ② 增加 OCR 输出文本清洗与错误纠正 ③ 集成多个 LLM 提高鲁棒性 ④ 在总参数充裕时加入图像编码器处理几何题	① 冻结视觉编码器，SFT 训练多模态数学题+单文本题（比例 3:7） ② 用 DPO/GRPO 等方法减少生成冗余 ③ 尝试全量微调以提升推理一致性
适用场景	数据集中文本类题占多数（>80%），适合高效批量推理；表格、票据、OCR任务	含大量几何题、图表题或跨模态推理任务
推荐指数（赛题）	★★★★（文本类题型占多数时优势明显）	★★★★☆（图形类题型占多数时优势明显）
推理速度优化备注	① 硬件升级（更高算力 GPU） ② 模型轻量化（减少参数量） ③ 软件层批处理、流水线调度对 VLLM 效果有限，且可能降低精度 ④ 首次推理会有明显时延（加载模型、编译计算图、缓存初始化），后续调用速度显著提升	① 同左，但多模态模型首次加载耗时更高 ② 参数压缩与量化可提升速度，但可能影响图像理解精度

2、大模型性能影响因素

1、参数量

• 参数量与模型能力正相关：参数越大，模型的视觉理解、语言生成及多模态融合能力越强，表现越稳定。
• 小参数模型不稳定：轻量化模型对提示词极其敏感，稍作修改就会导致输出大幅变化，影响可靠性。
• 权衡性能与资源：实际应用中需在硬件资源、实时性和效果稳定间做权衡，避免因资源限制过度压缩模型，导致效果明显下滑。

2、提示词设计（Prompt Engineering）

• 提示词对模型表现影响巨大，但通常是针对单一样本的定制化设计。
• 通用prompt难以实现，需结合任务特征动态生成或自动优化提示。
• 多轮交互优化提示可显著提升模型准确率，但需付出更多推理时间。
• 提示词设计辅助工具（如自动prompt调优、提示词池）可提升效率。

3、微调（Fine-tuning）

• 微调对特定任务提升巨大，尤其针对领域风格、题型结构等适配性显著增强。
• 小样本微调需结合数据增强、迁移学习、参数高效调整（如LoRA）等技术。
• 频繁微调结合持续学习可进一步提升模型对新题型和格式的适应力。

4、大模型性能优化策略

（1）结合程序化推理与python代码执行

• 让多模态模型生成Python代码，执行代码得到答案，能显著提升数学题计算准确率。
• 外部执行环境（Python解释器、沙箱）避免了大模型对数值计算的弱点和不确定性。
• 错误反馈机制：将代码执行报错返回给模型，促使其修正生成结果，提高整体鲁棒性。
• 该方式实现了“语义理解→逻辑推理→精确计算”的流程闭环。

（2）多模型融合与结果选择

• 同时调用多个多模态模型（不同架构、不同训练集或不同参数量）对同一输入进行推理。
• 利用投票机制、置信度评估、结果融合策略，提高最终结果的准确率和鲁棒性。
• 该策略尤其适合不确定性较高或多样化任务场景。

6、模型速度优化

优化方向	具体措施	预期效果	适用场景及备注
硬件升级	- 增加显卡数量 - 更换高性能显卡 - 利用GPU加速库与加速器	显著提升算力和显存，减少推理延迟	适合所有推理场景，特别是实时与大模型任务
模型结构优化	- 模型剪枝、蒸馏、量化 - 轻量化架构设计 - 硬件友好算子优化	降低计算复杂度，提升推理速度和资源利用效率	适合对模型大小和速度有严格限制的嵌入式或云端部署
架构与流程优化	- 分层/多阶段推理 - 动态计算资源分配	减少冗余计算，提升推理效率和灵活性	适合复杂推理任务或多步骤处理流程
软件调度技术	- 多进程并行 - 批量处理(batch_size) - accelerate框架	理论上提升批量吞吐量	适合大批量推理任务；对单样本或低延迟场景可能导致延时增加和结果不稳定，需谨慎使用

• 初次调用模型具有一定时延：初次加载模型通常涉及从磁盘读取权重到内存/GPU，完成模型初始化、计算图编译、缓存加载等过程，因而产生明显的启动延迟。此外，运行时的JIT（即时编译）和内存分配优化也会在首次推理时执行，导致首次推理耗时较长。
• 后续调用模型提速：模型加载完成后，后续推理可复用已加载的参数、缓存计算图和内存资源，显著减少初始化开销，通常表现为明显的推理速度提升。此现象在主流深度学习推理框架（如PyTorch、TensorRT、ONNX Runtime）中均普遍存在。
• 影响因素：提速幅度受模型大小、硬件环境、框架实现及运行策略影响。对于较小模型或极短推理任务，提速效果可能不明显。

• 7. 数据质量与多模态训练
  • 多模态模型对训练数据的质量与多样性高度敏感。
  • 数据中存在噪声、错误标签会显著影响模型收敛与推理稳定性。
  • 需构建多模态标注规范，配合数据清洗、增强和合成，提升训练样本的代表性和覆盖面。
• 8. 多模态语义理解深度
  • 视觉细节理解（尤其文本细节、数学符号）仍是多模态模型的弱点。
  • 结合视觉注意力机制、多尺度特征提取和图形结构化表示，强化细粒度信息捕获。
  • 语义推理能力需要结合知识图谱、符号计算引擎、外部工具链等辅助。

• 模型参数量决定了模型效果。通常来说，参数越小效果越差。但计算资源和推理延迟显著增加；需权衡。
• 参数小模型不稳定，稍微改改prompt就会产生不同的结果，参数上去了稳定性就好点
• 提示词超级重要，但prompt只对当前图片有效，不可能设计出一个通用的prompt。
• 通过优化提示词最多可以得到45%左右解题正确率
• 多模态直接理解数据的能力很差，可以让多模态理解图片和数学题。先让他写python代码，然后执行python代码给出答案，准确率会很高。—— 执行python要自己执行，别让多模态执行（做一个agent，集成一个python编译器的工具呢[捂脸]）
  • 用代码的话，相当于把解题思路转换成了python代码，然后用编译器运行的话，能避免大模型对数字计算不敏感的缺点。
  • 若题目信息解读不完整，导致生成的python代码执行报错，就把错误信息返回给多模态，让他重新生成。
• 一定要微调模型（训练）

其他优化模型效果的思路：

• 同一张图，同时调用多个（2个级以上）多模态模型计算结果，然后根据选其一。
• 要提升推理速度，要么就是增加显卡、或者换好的显卡，要么减少模型参数。VLLM已经集成了多进程，batch_size、accelerate等方法。