RLVR-World
世界模型 · NeurIPS 2025 · arXiv 2505.13934v2

RLVR-World:用可验证指标直接后训练世界模型

世界模型的目标是预测“动作之后世界会变成什么”,但标准训练用的是 MLE:最大化真实下一个状态的似然。这个目标和真正关心的指标——状态是否完全正确、视频是否清晰——并不对齐。RLVR-World 把解码后的预测指标直接当奖励,用 GRPO 后训练;语言与视频统一成 token 序列。文本游戏(1.5B + task-specific)整体准确率 32.87→63.24,网页 F1 49.94→65.11,视频多步重复率 48.6→9.9。

Jialong Wu、Shaofeng Yin、Ningya Feng、Mingsheng Long · 清华大学 THUML 原文 ↗ 项目页 ↗
TL;DR · 30 秒抓住核心

论文把世界模型统一成自回归序列预测:状态与动作都 token 化,模型输入 q(s, a),输出 o(s′)。后训练时,对同一输入采样一组预测,解码成状态后用一个可验证指标 D 与真实下一个状态比较,奖励是 sign(D)·D;再用 GRPO 更新。MLE 优化的是 token 似然,RLVR 优化的是任务指标。

语言侧,文本游戏用二元准确率或“全属性 + 变化属性 + 完全正确”的任务奖励;网页用预测变化的 F1。视频侧,奖励是逐帧 −[L1 + LPIPS] 的和,指标包括 MSE、PSNR、SSIM、LPIPS 与重复率。

结果:1.5B 文本游戏从 SFT 的 32.87 提到 63.24(任务奖励),7B 二元奖励 65.53,略高于 GPT-4 的 64.76;网页 F1 从 49.94 到 65.11,下游网页 agent 成功率从 12.06 到 14.29;视频多步重复率从 48.6% 降到 9.9%。RLVR 只跑几百步,而 MLE 预训练是数十万步。

63.24%
1.5B 文本游戏整体准确率(任务奖励);SFT 32.87%
65.11%
网页状态预测 F1;SFT 49.94%
9.9%
视频多步预测重复率;Base 48.6%
01

MLE 让模型学会“像数据”,却没学会“预测对”

读完这节应该知道:为什么世界模型的训练目标与使用目标会错位。

世界模型要近似状态转移 p(s′ | s, a):给定当前状态与动作,预测下一个状态。论文把状态空间扩展到语言、图像、视频与低维连续信号,并统一用 decoder-only Transformer 做 next-token prediction(§4.2)。标准做法是 MLE:最大化真实下一个状态序列的似然(Eq. 2)。

问题在于,MLE 奖励的是“每个 token 的概率”,而使用世界模型时关心的是“解码后的状态是否正确”或“画面是否清晰”。两者并不等价。论文举了两个表现:视频多步预测会出现重复帧——因为每帧约 20% 的 token 与上一帧相同,模型可以利用这个捷径;语言侧则可能生成格式正确但事实错误的状态。Abstract / 摘要 把这种错位写成 “standard training objectives such as maximum likelihood estimation (MLE) often misalign with task-specific goals of world models”。

核心判断

奖励必须作用在解码后的状态上

RLVR-World 不把 reward 加在 token 概率上,而是先把模型输出解码成状态 ŝ′,再与真实状态 s′ 用任务指标比较。这样奖励与评测口径一致;代价是解码与指标计算必须可执行、可验证,且通常不可微,只能走 RL。

02

两条已有路线 + 一条本文路线:MLE 预训练、偏好对齐、可验证奖励

页面按训练目标把已有做法归为三类推断;原文 §2 是相关工作总结,没有这张分类表。

MLE 预训练 + SFT 是语言与视频世界模型的主线:先最大化真实序列似然,再用少量示范微调。它的优点是稳定、可扩展;缺点是目标与任务指标错位。论文的 Base 与 SFT 行就是这条路线。偏好对齐(RLHF 一类)用学习出来的人类偏好模型做奖励,但论文选择“可验证奖励”,因为状态是否正确、F1 多少可以直接算,不需要再训练奖励模型。任务专用模拟器(如 SIMPLER)用手工模拟器做策略评估,是本文视频实验的对照,不在这张三段式卡片里;本文的视频世界模型走学习式模拟器路线,并在 Real2Sim 评估中与 SIMPLER 比较(§6.4)。

路线 A

MLE / SFT

优化 token 似然;稳定,但与准确率、感知质量不对齐。视频里会放大重复帧捷径。

路线 B

偏好对齐

用人类偏好或学习奖励模型;适合主观目标,但需要额外奖励模型,且可能被 reward hacking。

本文路线

可验证奖励

直接用任务指标当奖励;客观、可复算,但要求指标可程序化计算,且覆盖的任务范围有限。

03

把“预测下一个状态”当成一道可判分的题

读完这节应知道:输入输出怎么构造、奖励怎么算、GRPO 在哪里介入。

序列化。对每个转移 (s, a, s′),用模板把 (s, a) 拼成问题 q(s, a),把 s′ 拼成回答 o(s′)。文本游戏状态是 JSON 文本;视频帧经视觉 tokenizer 编码;连续动作按取值范围离散成 256 个均匀 bin(§4.2、§6.1)。这样语言与视频共享同一个 next-token prediction 接口。

奖励。给定 q,旧策略采样一组输出 {o_i},解码成 {ŝ′_i},与真实 s′ 比较:

Ri = sign(D) · D(ŝ′i, s′)

Eq. 3。D 是任务指标;若 D 越小越好(MSE、LPIPS),sign(D) = −1,否则为 +1。

优化。用 GRPO(Eq. 1):组内归一化优势 Â,加上 PPO 式 clip 与 KL 惩罚;不需要 value function。论文说框架兼容其他 RL 算法,但实验都用 GRPO(§4.3;GRPO 见 §3)。

三种任务的 D。文本游戏有两种奖励:二元奖励只在三元组 (状态, 奖励, 完成标志) 完全正确时给 1;任务奖励是 α₁·acc_all + α₂·acc_changed + α₃·I(correct),权重 0.1 / 1 / 0.2(Appendix A.1)。网页用预测变化集合与真实变化集合的 F1(§5.2)。视频用逐帧 −[L1 + LPIPS] 的和(Appendix A.4,Eq. 9–10)——注意不只是 LPIPS。

口径

论文里的 “+34.7%” 是百分点

§5.1 写 RLVR 在 1.5B 上带来 “+34.7% accuracy for unchanged and +8.9% for changed”。按 Table 1 的显示值,73.57−38.88=34.69、33.14−24.21=8.93,都是百分点。页面在引用时写“34.7 个百分点”,不把它当成相对提升。

04

怎么算:LoRA + GRPO,语言与视频两套超参

读完这节应知道:模型、数据、超参与 GPU 小时;这也是“几百步 vs 几十万步”说法的来源。

语言世界模型用 DeepSeek-R1-Distill-Qwen-1.5B 与 7B 作基座;文本游戏先用 DeepSeek-R1 生成的 4,237 条 SFT 数据微调(约 $40),再跑 RLVR。LoRA rank 32、α 16;文本游戏 SFT 10 epoch、网页 4 epoch;RLVR 学习率 1e−6、KL 系数 1e−3、group size 5、文本游戏 batch 128、网页 batch 64(Table 5、Appendix A.1–A.2)。

表 1 · 语言世界模型的训练配置(原文 Table 5 与 Appendix A.1–A.2;页面整理)
项目文本游戏网页
基座R1-Distill-Qwen-1.5B / 7BR1-Distill-Qwen-1.5B
SFT 数据4,237 条 R1 生成轨迹WMA 提供的 CoT 数据
SFT batch / epoch / LoRA16 / 10 / rank 32, α 168 / 4 / rank 32, α 16
RLVR batch / mini batch128 / 6464 / 16
学习率 / KL / group size1e−6 / 1e−3 / 51e−6 / 1e−3 / 5
最大回答长度4,0967,288
算力SFT 4×80G A100 6.5h;RLVR 8×80G A100 22.5hSFT 8×40G A100 17h;RLVR 8×80G H100 25h

视频世界模型是自己预训练的 iVideoGPT 变体:视觉 tokenizer + LLaMA 架构的 138M Transformer(12 层、hidden 768、12 头)。单步与多步分别预训练;RLVR 用 GRPO,group size 16、学习率 5e−5、KL 1e−3、batch 128,只跑 200 步(Appendix B)。单步 200 步用 4×40G A100 约 3.5 小时,多步约 10 小时;tokenizer 预训练 360/480 GPU 小时,Transformer 预训练 530/500 GPU 小时(Appendix B)。

“几百步 vs 几十万步”不是修辞:视频 Transformer 单步预训练 9.9×105 步、多步 4.5×105 步,而 RLVR 只跑 200 步(Appendix B)。论文还做了延长预训练对照:多步再预训练 150k 步;原文 §6.2 写 nearly 1000×,按 Appendix B 的 200 步折算为 750×,两处口径不同,并列呈现。延长后 LPIPS 仍是 14.5,仍高于 RLVR 的 13.4(LPIPS 越低越好,即仍差于 RLVR;§6.2)。推断(依据:Appendix B 的 200 步与 §6.2 的 150k 步)这个对照说明收益不只来自“多训练”。

05

一条流水线,两种模态:token 化 → 采样 → 解码 → 判分 → GRPO

下图按 Figure 2 与 §4 重绘。语言与视频只在 tokenizer/decoder 与奖励指标上分叉,RL 循环相同。

状态 + 动作 (s, a) 模板拼成问题 q 世界模型 采样 G 个输出 old policy 解码 文本 / 视觉 tokenizer 得到 ŝ′ 可验证奖励 sign(D)·D(ŝ′, s′) 准确率 / F1 / L1+LPIPS GRPO · Eq. 1:组内归一化优势 + clip + KL;不需要 value function 语言分支 文本游戏 · 网页 奖励:二元 / 任务式 / F1 视频分支 iVideoGPT + 视觉 tokenizer 奖励:−Σ[L1 + LPIPS] 下游使用 网页 MPC · 视频 Real2Sim 策略评估 / 动作选择 同一套 RL 循环;模态差异只在 tokenizer、decoder 与奖励 D 论文 Figure 2 画出语言/视频两条并行分支;RLVR 只更新 Transformer,不更新 tokenizer 依据:§4.2–§4.3、Figure 2、Eq. 1/3/9/10
图 1 · RLVR-World 训练流水线(按 Figure 2 与 §4 重绘)。语言与视频只在 tokenizer/decoder 与奖励指标上分叉,RL 循环相同。依据:§4.2–§4.3、Figure 2、Eq. 1/3/9/10。

图里没有画“多步预测”的上下文窗口与 7 帧预测长度。§6.1 定义单步 p(s_{t+1} | s_{t−T+1:t}, a_{t−T+1:t}) 与多步 p(s_{t+1:t+T} | s_t, a_{t:t+T−1});多步用压缩 tokenizer 控制序列长度(Appendix A.4)。

06

语言涨点、网页下游涨点、视频重复率大跌

读完这节应知道:三个模态各提升了多少,以及哪些提升是相对的、哪些是绝对的。

文本游戏(Table 1)。1.5B 的 SFT 整体 32.87%,二元奖励 RLVR 57.01%,任务奖励 63.24%;相对 SFT 高 30.37 个百分点。7B 二元奖励 65.53%,比 GPT-4 的 64.76 高 0.77 个百分点。论文同时指出,changed 子集上 7B RLVR 仍低于 GPT-4(40.33 对 51.60),差距来自基座容量。

表 2 · 文本游戏状态预测(原文 Table 1;数据集 ByteSized32-State-Prediction;Acc. 为准确率)
模型UnchangedChangedOverall
Base (R1-Distill-Qwen-1.5B)11.98%0.08%7.11%
SFT38.88%24.21%32.87%
RLVR-World (binary)73.57%33.14%57.01%
RLVR-World (task-specific)83.66%33.80%63.24%
Base (R1-Distill-Qwen-7B)46.90%5.53%29.92%
SFT65.94%31.32%51.76%
RLVR-World (binary, 7B)83.08%40.33%65.53%
GPT-473.90%51.60%64.76%
当前读数
正在初始化…
手算:Table 1 的 63.24 − 32.87 与交互读数同源

文本游戏、1.5B + task-specific:Overall Acc. 63.24 − SFT 32.87 = 30.37 个百分点。页面把它写成绝对点差,不写成相对提升。

0.77 也是绝对点差:7B 二元奖励 65.53 − GPT-4 64.76 = 0.77 个百分点;changed 子集上 7B 是 40.33,GPT-4 是 51.60,RLVR 仍落后。

网页状态预测与网页 agent(Table 2)。1.5B 的 F1 从 SFT 的 49.94 到 65.11,绝对高 15.17 个百分点;原文写相对 +30.3%,按表值复算为 30.4%(原文按未舍入值)。把世界模型接进 MPC 后,网页 agent 成功率从 12.06 到 14.29,绝对高 2.23 个百分点;原文写相对 +18.4%,按表值复算为 18.5%。注意 Table 2 只与自己的 Base/SFT 比:§5.2 脚注说,因为预测的是精确 item change 而不是自然语言描述,无法与 WMA 直接比较。

表 3 · 网页状态预测与网页 agent(原文 Table 2;Δ 为原文相对提升,页面保留原文写法)
模型PrecisionRecallF1Agent SR
Base (R1-Distill-Qwen-1.5B)15.59%15.70%11.83%n/a
SFT48.99%56.05%49.94%12.06%
RLVR-World72.77%64.55%65.11%14.29%
Δ(原文)+48.5%+15.1%+30.3%+18.4%

视频(Table 3)。多步预测的重复率从 48.6% 降到 9.9%,绝对降 38.7 个百分点,原文写相对降低 79.6%(按表值复算 79.6%)。LPIPS(×100 口径)从 14.8 降到 13.4,绝对降 1.4;SSIM(×100 口径)从 80.9 升到 82.4,绝对升 1.5。再加 repetition penalty 奖励可以把重复率压到 0.0%,但 MSE 从 0.486 升到 0.506(差 0.020),是质量与重复之间的交换。

表 4 · RT-1 视频世界模型(原文 Table 3;MSE/LPIPS/SSIM 已乘 100;Δ 为原文相对提升,↓ 越小越好)
设置模型Repetition↓MSE↓PSNR↑SSIM↑LPIPS↓
单步Basen/a0.33625.381.713.0
RLVR-Worldn/a0.28725.983.112.2
Δn/a+14.3%+2.6%+1.6%+6.0%
多步Base48.6%0.65923.180.914.8
Base (w/ repetition rejection)0.0%0.59323.381.014.4
RLVR-World9.9%0.48624.182.413.4
RLVR-World (w/ rep. penalty)0.0%0.50624.082.213.7
Δ(原文)相对提升+79.6%+26.1%+4.5%+1.9%+9.2%
当前读数
正在初始化…
手算:Table 3 的 48.6 − 9.9 与交互读数同源

视频多步重复率:48.6 − 9.9 = 38.7 个百分点(下降)。原文 Table 3 的 Δ 行写 +79.6%,是相对口径;页面并列绝对 38.7 与相对 79.6%。

网页 F1:65.11 − 49.94 = 15.17 个百分点;相对口径按表值复算 (65.11−49.94)/49.94 = 30.4%,原文写 +30.3%(按未舍入值)。

SSIM/LPIPS 是 ×100 口径:SSIM 82.4 − 80.9 = 1.5,LPIPS 14.8 − 13.4 = 1.4,都是绝对点差。

与 SOTA 比(Table 4)。在 PushT/Rope/Granular 的单步预测上,RLVR-World 的 LPIPS/SSIM 是 0.70/98.46、2.08/98.14、2.42/95.42;DINO-WM(报告值)是 0.7/98.5、0.9/98.5、3.5/94.0。论文说整体与最强基线 DINO-WM 相当,在 Granular 上明显更好;但在 Rope 上 LPIPS 2.08 高于 DINO-WM 的 0.9。推断(依据:Table 4 三列)这不是“全面超过”,而是“部分指标相当、Granular 更好、Rope 更差”。

07

它解决的是“指标对齐”,不是“世界模型的一切”

§7 讨论五类挑战(算法 2 + 基础模型 3);与本页边界最相关的三类,加两条页面补充。

§7 讨论五类挑战:算法侧 2 项——(1) 性能屏障:RLVR 通常几百步就收敛,如何继续提升需要分析模型、数据与算法瓶颈;(2) OOD 泛化:RLVR 在语言模型上能泛化到训练域外,但世界模型在反事实动作上的表现还没验证。基础模型侧 3 项——(1) 通用世界模型后训练:当前视频模型是“每个数据集单独预训练”的 138M 模型,不是通用视频世界模型;论文说等社区有了通用视频世界模型,才能走“多样域预训练 → SFT → RLVR”的完整范式;(2) 跨模型类别应用:RLVR-World 的核心洞察与模型类别无关,但扩散模型的 GRPO 工作超出本文范围;(3) 任务对齐奖励:MSE/LPIPS 这类指标比 MLE 更贴近任务,但仍不能完全刻画用户想要的质量,物理规则与时间一致性需要更复杂的奖励。与本页边界最相关的三类是性能屏障、OOD 泛化与任务对齐奖励。

页面补两点。第一,网页与文本游戏的比较对象主要是自己的 Base/SFT;网页侧因评测口径不同,没有与 WMA 直接比(§5.2 脚注)。第二,RLVR 不是万能的测试时放大器:Figure 4 显示,采样数增加到 100 时,Base 模型会追上并反超 RLVR 模型;论文把这列为当前 RLVR 方法的局限。

别用 1

想要通用视频模拟器

当前视频模型按数据集单独预训练(RT-1 / PushT / Rope / Granular),没有跨域通用性。

别用 2

奖励无法程序化

RLVR 要求 D 可计算、可验证;主观质量、物理规则、长期一致性目前没有可靠指标。

别用 3

靠大量采样取胜

测试时采样到 100 个,Base 会追上;RLVR 的优势主要在单次/少样本与训练效率。

读表注意。第一,Table 3 的 Δ 表注已定义 relative performance gains from RLVR;Repetition、MSE、LPIPS 越低越好,Δ 的“+”表示改善,读者仍要按箭头方向读。第二,Table 4 里 DINO-WM 的 Rope LPIPS 是 0.9,而 RLVR-World 是 2.08;论文说“整体相当、Granular 更好”,Appendix A.4.2 也明确 “Our model underperforms DINO-WM on the Rope dataset”,不是每个数据集都更好。