LLaVA-Prumerge: Adaptive Token Reduction for Efficient Large Multimodal Models

Yuzhang Shang, Mu Cai, Bingxin Xu, Yong Jae Lee, Yan Yan

arXiv:2403.15388 · 2026-07-27 공개 · arXiv · PDF

multimodal-models transformer-architecture visual-question-answering llava token-reduction visual-encoding attention-scores prumerge

Abstract

Large Multimodal Models (LMMs) have shown significant visual reasoning capabilities by connecting a visual encoder and a large language model. LMMs typically take in a fixed and large amount of visual tokens, such as the penultimate layer features in the CLIP visual encoder, as the prefix content. Recent LMMs incorporate more complex visual inputs, such as high-resolution images and videos, which further increases the number of visual tokens significantly. However, due to the inherent design of the Transformer architecture, the computational costs of these models tend to increase quadratically with the number of input tokens. To tackle this problem, we explore a token reduction mechanism that identifies significant spatial redundancy among visual tokens. In response, we propose PruMerge, a novel adaptive visual token reduction strategy that significantly reduces the number of visual tokens without compromising the performance of LMMs. Specifically, to metric the importance of each token, we exploit the sparsity observed in the visual encoder, characterized by the sparse distribution of attention scores between the class token and visual tokens. This sparsity enables us to dynamically select the most crucial visual tokens to retain. Subsequently, we cluster the selected (unpruned) tokens based on their key similarity and merge them with the unpruned tokens, effectively supplementing and enhancing their informational content. Empirically, when applied to LLaVA-1.5 [28] and VideoLLaVA [26], our approach can reduce the number of visual tokens by 4 times, and achieve comparable or better performance across diverse visual question-answering and reasoning tasks.

한국어 요약

한 줄 요약

LLaVA-Prumerge는 시각 토큰 수를 4~14배 줄이며 성능 유지하는 적응형 토큰 축소 전략을 제안한다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

기존 LMMs는 고해상도 이미지나 영상 입력으로 인해 시각 토큰 수가 급증하며, Transformer의 제곱 복잡도로 계산 비용이 급격히 증가한다. 이를 해결하기 위해 PruMerge는 시각 인코더 내의 주의 점수 분포를 기반으로 토큰 중요도를 평가한다. 특히, 클래스 토큰과 시각 토큰 간의 주의 점수는 희소하게 분포되어 있어, 이 점수를 활용해 핵심 토큰을 동적으로 선택할 수 있다. 선택된 토큰은 k-NN 기반 클러스터링과 가중 평균을 통해 정보를 보완하고, IQR 기반 이상치 탐지 기법을 사용해 불필요한 토큰을 제거한다. 이는 토큰 수를 줄이면서도 정보 손실을 최소화하는 핵심 아이디어이다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

PruMerge는 LMMs의 계산 비용을 줄이면서도 시각 정보의 핵심 내용을 유지하는 새로운 접근법을 제시한다. 특히, 기존 토큰 축소 방법과 달리 LLM의 입력 토큰 수를 직접 줄이는 것이므로, 전체 모델 효율성 향상에 기여한다. 또한, 토큰 병합 과정에서 정보 보완을 통해 성능 저하를 최소화한 점이 학술적 의의이다. 그러나 토큰 수가 극단적으로 줄어들 경우 일부 복잡한 시각 추론 작업에서 성능 저하가 발생할 수 있으며, 다양한 시각 인코더와 LLM 조합에서의 일반화 가능성도 추가 연구가 필요하다.

실용적 활용

LLaVA-Prumerge는 고해상도 이미지나 영상 처리가 필요한 의료 영상 분석, 자율 주행, 실시간 영상 인식 등에서 실용적 활용이 가능하다. 특히, 서버 리소스가 제한된 모바일 및 에지 기기에서 LMMs의 효율적 실행을 가능하게 하며, 대규모 시각 데이터를 처리하는 클라우드 기반 AI 서비스에도 적용 가능하다.