近年来，强化学习 (RL) 在提升大型语言模型 (LLM) 的链式思考 (CoT) 推理能力方面展现出巨大潜力，其中直接偏好优化 (DPO) 和组相对策略优化 (GRPO) 是两大主流算法。
如今，这股 RL 的浪潮也涌向了图像生成领域。当我们将自回归图像生成也视为一种序列化的 CoT 推理过程时，一个核心问题浮出水面：DPO 和 GRPO 在这个新战场上表现如何？它们各自的优势、挑战以及最佳实践又是什么？
近日，一篇来自香港中文大学、北京大学及上海人工智能实验室的最新研究给出了答案。该研究首次对 GRPO 和 DPO 算法在自回归图像生成中的应用进行了全面深入的比较，不仅评估了它们在域内（in-domain）和域外（out-of-domain）的性能，还细致探究了不同奖励模型及扩展策略对其能力的影响。
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论文标题：Delving into RL for Image Generation with CoT: A Study on DPO vs. GRPO
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论文链接：https://arxiv.org/abs/2505.17017
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代码链接：https://github.com/ZiyuGuo99/Image-Generation-CoT
与 LLM 的 CoT 推理不同，图像生成的 CoT 面临着独特的挑战，例如确保文本 – 图像一致性、提升图像美学质量以及设计复杂的奖励模型（而非简单的基于规则的奖励）。现有工作虽然已将 RL 引入该领域，但往往缺乏对这些领域特定挑战以及不同 RL 策略特性的深入分析。
该团队的这项新研究填补了这一空白，为我们揭示了 DPO 和 GRPO 在图像生成领域的「相爱相杀」和「各自为王」。
图 1: GRPO 与 DPO 在自回归图像生成中的研究总览，涵盖了域内域外性能对比、不同奖励模型的影响以及扩展策略的效果。
研究核心发现概览
研究团队以最新的自回归图像生成模型 Janus-Pro 为基线，在 T2I-CompBench (域内、长文本复杂场景) 和 GenEval (域外、短文本模板化) 数据集上进行了细致评估。核心发现可归纳为三大方面：
1. 域内性能 vs. 域外泛化：DPO 与 GRPO 各擅胜场
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DPO 称雄域内： 实验结果显示，离策略 (off-policy) 的 DPO 方法在域内任务上表现优于 GRPO。在 T2I-CompBench 数据集上，DPO 的平均性能比 GRPO 高出约 11.53%；在使用官方评估工具作为奖励信号时，DPO 甚至能达到 7.8% 的峰值提升。这突显了 DPO 在域内任务上的有效性和鲁棒性。
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GRPO 泛化更强： 与之相反，在策略 (on-policy) 的 GRPO 在域外泛化能力上表现更出色。在 GenEval 数据集上，GRPO 始终展现出比 DPO 更好的泛化性能；在使用 HPS 奖励模型时，GRPO 的峰值提升甚至比 DPO 高出 2.42%。
2. 奖励模型的影响：DPO 更敏感，优质奖励模型提升 RL 泛化
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DPO 对奖励模型选择更敏感： 研究发现，DPO 的泛化性能对奖励模型的选择比 GRPO 更为敏感，表现为更大的域外性能波动。GRPO 在 GenEval 上的性能方差为 0.5486，显著低于 DPO 的 0.9547。
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奖励模型的内在泛化能力至关重要： 一个具有更强内在泛化能力的奖励模型，能够潜在地提升 RL 算法的整体泛化性能。研究中，不同奖励模型（如 HPS、ImageReward、Unified Reward 等）在 GenEval 上的表现排序，与它们通过 GRPO 或 DPO 优化后的 RL 模型表现排序高度一致。
3. 有效扩展策略的探索：因材施教，DPO 与 GRPO 策略迥异
研究团队系统探索了三种主流扩展策略：扩展每个提示生成的样本图像数量、扩展域内训练数据的多样性和体量，以及采用迭代训练方法。
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对于 GRPO：
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扩展采样图像数量能带来更高效的域内性能提升。
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适度扩展采样规模和域内数据有助于改善泛化能力，但过度扩展可能导致过拟合。
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对于 DPO：
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迭代训练倾向于最大化域内性能，但在多轮迭代后可能损害泛化能力。
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适度采样能锐化偏好对比，优化域内和域外性能；但过度采样会引入偏差。
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扩展域内数据通过缓解小数据集带来的偏好范围局限，能同时提升域内和域外性能。
研究细节与洞察
研究团队首先明确了任务设定：自回归图像生成模型（如 LlamaGen、Show-o、Janus-Pro）通过将图像转换为离散 token 序列进行预测，其过程与 LLM 的文本生成类似，因此可以无缝集成 DPO 和 GRPO 的损失机制。
在 DPO 与 GRPO 的对比中，研究者确保了两者在计算成本上的可比性。例如，DPO 中每个 prompt 生成的图像数量与 GRPO 中的组大小对齐，并使用相同的奖励模型。
结果清晰地显示，DPO 凭借其对预收集静态数据的有效利用，在域内场景（如 T2I-CompBench 的复杂长描述）中表现更佳。而 GRPO 通过迭代优化策略和在线采样，更能适应复杂任务分布，从而在域外场景（如 GenEval 的模板化短描述）中展现出更强的泛化性。
图 2: 域内与域外性能对比的可视化结果。
在奖励模型影响的分析中，研究团队考察了三类奖励模型：基于人类偏好的模型 (HPS, ImageReward)、视觉问答模型 (UnifiedReward, Ft. ORM) 和基于度量的奖励模型。
一个有趣的发现是，奖励模型自身的泛化能力（通过 best-of-N 策略在 GenEval 上评估得到）与通过 RL 算法（DPO 或 GRPO）训练后模型的泛化能力排序高度吻合（Unified Reward > Image Reward > HPS Reward）。这表明，提升奖励模型本身的泛化性是提升 RL 泛化性的一个关键途径。
图 3: 不同奖励模型影响的可视化结果。
在扩展策略的探索上，研究团队针对 GRPO 和 DPO 的特性提出了不同的优化路径。例如，对于 GRPO，增加每轮采样的图像数量（group size）比增加训练数据量或迭代次数，能更经济地提升域内性能。
而对于 DPO，迭代训练（如 DPO-Iter）虽然能显著提升域内分数，但过早地在泛化能力上达到瓶颈甚至衰退，这可能源于对训练偏好数据的过拟合。另一方面，扩展域内训练数据的多样性和数量，则能帮助 DPO 克服小规模偏好数据集带来的局限性，从而同时提升域内和域外表现。
图 4: 扩展策略影响的可视化结果。
总结与展望
这项研究为我们提供了一幅关于 DPO 和 GRPO 在自回归图像生成领域应用的清晰图景。它不仅揭示了 DPO 在域内任务上的优势和 GRPO 在域外泛化上的长处，还强调了高质量、高泛化性奖励模型的重要性，并为两种 RL 范式提供了针对性的扩展策略建议。
这些发现为未来开发更高效的 RL 算法，以在自回归图像生成领域实现更鲁棒的 CoT 推理，铺平了新的道路。研究者希望这项工作能启发更多后续研究，共同推动 AI 在视觉创造力上的边界。
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（文：机器之心）