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2017년 데미스 하사비스가 알파고를 업그레이드한 버전인 알파고 제로를 소개하며 선행 학습한 사실에서 인지적인 세부사항을 추상화하고 여기에서 개념적인 지식을 획득하는 것이 전이학습을 할 수 있는 핵심[1]이라고 말하였다. 알파고 제로는 수많은 강화학습[2]을 통해 바둑을 스스로 터득했다고 널리 알려져 있다. 하지만 모든 분야에서 강화학습 모델을 적용하는 것은 인공신경망이 모든 문제에 대해 인간의 인지능력까지 모방할 수 없기 때문에 그 한계점이 존재한다. 많은 데이터를 확보한 분야에서 머신러닝 모델을 잘 학습시키는 것은 용이하나 데이터가 부족한 분야에서는 그렇지 않다. 특히 인간과 기계의 인지 차이로 인해 강화 학습마저 적용하기 어려운 분야라면 더욱더 그렇다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주목받는 방법이 바로 전이학습을 통한 지식 증류(Knowledge Distillation)[3]이다.

지식 증류는 앙상블(Ensemble) 기법을 통해 학습된 다량의 큰 네트워크로부터 작은 하나의 네트워크에 지식을 전달할 수 있는 방법론을 의미한다. VGGNet[4], ResNet[5] 등 다수의 큰 모델에서 출력값은 일반적으로 특정 레이블에 대한 하나의 확률값만을 나타내지만, 지식 증류에서는 이를 확률값들의 분포 형태로 변형함으로써, 목표 모델 학습 시 Loss와 기 학습 된 모델의 Loss를 동시에 반영하는 형태를 통해 학습에 소요되는 시간과 수렴 정확도를 최적화한다.

본 논문에서는 제한된 학습데이터만을 보유한 상황에서 딥러닝 모델의 정확도를 개선할 수 있는 DA-FSL(Data Augmentation based Few-Shot Learning)[6] 모델에 지식 증류 기법을 적용하여 정확도뿐만 아니라 전반적인 데이터 증강에 소요되는 시간 또한 개선하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법을 통해 많은 양의 학습 데이터의 성인 남성의 얼굴 이미지와 소량의 데이터의 성인 여성의 얼굴 이미지로 구성된 학습 데이터 상황에서 일반적인 DA-FSL 모델과 제안하는 방법을 통해 목표 학습 정확도 수렴 곡선과 학습에 걸리는 시간을 비교하는 실험을 수행하여 개선 사항을 평가한다.

목표 모델에 지식 증류를 적용하기 위해 퓨샷 학습(Few-Shot Learning)[7] 모델과 전이 학습에 대한 연구가 필요하다.

2.1 퓨샷 학습

일반적인 딥러닝 모델은 데이터양과 네트워크의 깊이에 비례하여 그 성능이 향상된다. 현재 딥러닝 모델의 데이터 분류 문제 해결 능력은 사람의 인지능력 수준에 이르렀다. 하지만 모델을 학습할 데이터가 제한되는 경우 특정 클래스에 대한 학습 데이터 불균형 현상이 발생하고 이는 모델 정확도를 저하시키는 큰 요인이다. 퓨샷 학습은 기계가 인간처럼 소량의 데이터만으로 놀라운 학습 능력을 갖출 수 없을까 하는 의문에서 시작된 연구이다. 이러한 적은 양의 학습 데이터만으로도 새로운 데이터까지 잘 분류할 수 있도록 모델을 일반화시키는 방법은 크게 3가지 정도로 압축이 가능하다.

2.1.1 거리 기반 학습

범주별 훈련 데이터의 수가 적은 퓨샷 학습 태스크에서는 일반적인 딥러닝 모델처럼 분류기의 가중치를 훈련하는 방식은 적합하지 않다. 그림 1에서 보듯이 퓨샷 학습 태스크를 구성하는 N x K개의 데이터에만 지나치게 적응하는 과적합(Over-fitting)[8] 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

Fig. 1. 
Over-fitting graph due to lack of learning data

이러한 문제를 해결하기 위해 그림 2처럼 서포트 데이터와 쿼리 데이터 사이의 유사도 거리를 측정하는 방식을 활용한다. 모델은 주어진 서포트 데이터를 특징 공간(Feature Space)에 나타내고, 특징 공간에서 쿼리 데이터의 범주는 유클리드 거리(Euclidean distance)가 가장 가까운 서포트 데이터로 예측한다. 모델은 두 데이터의 범주가 같으면 거리를 더 가깝게 두고, 다르면 거리를 더 멀게 만드는 방법으로 학습한다.

Fig. 2. 
Prediction of query data classes based on distance similarity

2.1.2 그래프 기반 신경망

소량의 데이터만으로 분류 성능을 극대화하고자 데이터 사이의 복잡한 관계 정보를 학습에 활용하는 추세이다. 일반적인 인공 신경망은 입력값을 벡터나 행렬 형태로 활용하는 반면 그래프 기반 신경망[9]은 밀집 그래프(Dense graph) 구조를 활용한다. 그래프에서 노드는 데이터를 노드와 노드를 잇는 Edge는 데이터 사이의 관계 정보를 나타내며 밀집 그래프는 모든 노드가 서로 완전히 연결된 것을 가리킨다. 그래프 기반 신경망은 이러한 그래프 구조와 각 노드에 해당하는 데이터의 특징 벡터를 입력으로 한다. 각 노드는 해당하는 데이터의 특징 벡터로 초기화되며, 특정 노드 V의 인접 노드에 각 노드의 유사 거리를 곱하여 모든 값을 합이 가중 평균이다. 이 가중 평균과 V를 합쳐 새로운 벡터 V를 얻을 수 있다. 이를 차례대로 반복하고 가장 마지막에 쿼리 노드 벡터의 업데이트를 완료하면 N개의 범주와 완전히 연결된 Fully Connected Layer를 통해 쿼리 데이터의 범주를 예측할 수 있다. 그림 3은 그래프 기반 신경망의 구조를 나타낸 것이다.

Fig. 3. 
Architecture of graph based neural network

2.1.3 데이터 증강 기반

딥러닝 모델을 학습시키는 데 필요한 데이터를 확보하는 기법 중 하나인 데이터 증강 기법은 소량의 학습 데이터에 인위적인 변화를 가해 새로운 학습 데이터를 대량 확보하는 방법론을 의미한다. 현재에는 이미지 데이터를 상하좌우로 뒤집거나 자르는 방식으로 새로운 이미지 데이터를 확보하는 데이터 리샘플링 방법이 주를 이루고 있다. 데이터 증강이 실제로 모델 학습에 효과적이라는 사실은 널리 알려져 있다. 소량 학습데이터에 데이터 리샘플링 혹은 적대적 생성 신경망[10]과 같은 딥러닝 모델을 이용해서 유사 학습 데이터를 늘려 부족한 학습데이터 상황을 해소하는 방식이다. 이 데이터 증강 기반 방법은 그래프 기반 신경망 방법과 결합하여 좋은 성과를 보여주고 있다.

2.3 전이학습

전이학습[11]은 학습 데이터가 부족한 분야의 모델 구축을 위해 데이터가 풍부한 분야에서 훈련된 모델을 재사용하는 학습 기법이다. 이미 학습된 모델을 사용해서 목표로 하는 모델의 문제를 해결하는 방법을 전이 학습을 통한 지식 증류라고 한다. 복잡한 모델일수록 학습에 소요되는 시간과 자원의 양은 방대하다. 이는 전이학습을 통해 일부분 해결 가능하다. 즉, 이미 잘 학습된 모델이 존재한다면 해당 모델과 유사한 문제를 해결할 때 잘 학습된 모델의 정보를 일부 가져와서 학습 시간과 정확도를 높일 수 있는 방법이다. 그림 4는 전이학습을 이용할 때의 생략 가능한 층을 나타냈다.

Fig. 4. 
Examples of omittable layers in transfer learning

본 항목에서 제안하는 바는 그림 5의 DA-FSL 모델에 지식 증류 기법을 적용하여 모델 학습 수렴 속도와 학습에 소요되는 시간을 개선하는 방법이다.

Fig. 5. 
Application schematic diagram of the proposed method

목표 모델에 지식 증류를 적용하기 위해서 세 가지의 방법을 통해 지식 증류를 수행한다.

첫 번째 방법은 합성곱 계층에서 특징 추출기를 고정하여 모델을 전이한다. 미리 구성된 합성곱 신경망을 사용하여 심층 신경망의 마지막 Fully Connected Layer를 제거한 다음에 나머지 부분을 새로운 데이터셋의 고정 특징 추출기로 사용한다.

두 번째 방법은 새로운 데이터셋의 합성곱 계층 상단에서 분류기를 교체하고 재학습하는 것뿐만 아니라 역전파(Back propagation)[12]를 계속함으로써 Pre-defined network의 가중치를 미세 조정(Fine-tune)하는 것이다. 여기에서 합성곱 계층의 모든 계층을 미세 조정하거나 이전 계층 중 일부 가중치만을 고정하고 네트워크의 일부 상위 계층만 미세 조정할 수 있다. 이때 과적합 문제가 발생할 수 있기 때문에 전체 계층에 대해서는 미세 조정을 하지 않는다.

마지막은 사전 학습된 모델을 사용하는 방법이다. 심층 신경망 모델을 학습하기 위해서는 다중 GPU를 이용해도 최소 2~3주의 학습 시간이 필요하므로 깊은 네트워크의 체크포인트를 이용하는 방법이 가장 일반적인 지식 증류라 할 수 있다.

새로운 데이터셋에서 수행해야 하는 지식 증류에서 고려해야 하는 방법은 새로운 데이터셋과 원본 데이터셋과의 유사도이다.

식 (1)은 데이터 벡터를 n차원의 벡터 좌표 (x,y)로 표기할 때 데이터 벡터 사이의 유사도를 측정하는 방법이다.

식 (1)을 통해 구한 데이터 유사도를 비교하여 새로운 데이터셋과 기존 데이터셋과의 유사도가 낮다면 합성곱 신경망을 과도하게 미세조정하는 것은 좋지 않다. 이 경우에는 모델의 은닉층에 존재하는 합성곱 신경망에는 지식 증류를 수행하지 않고 Fully Connected Layer의 Softmax나 Sigmoid와 같은 선형 분류기만 학습하는 것이 좋다. 새로운 데이터셋과 기존 데이터셋의 유사도가 높은 경우에만 전체 네트워크에 대해서 지식 증류를 수행하는 것이 좋다.

이와는 별개로 지식 증류를 수행할 때 유의해야 할 사항은 사전 학습 네트워크를 사용하는 경우 새로운 데이터셋에서 사용할 수 있는 구조 측면에서 제한이 존재할 수 있다. 즉 계층의 뉴론 크기 등이 일치해야 지식 증류가 가능하며, 사전 학습된 네트워크의 가중치가 상대적으로 좋다고 가정하고 학습을 수행하기 때문에 학습 곡선이 너무 많이 왜곡되지 않도록 학습률(Learning Rate)을 조절하는 것에 유의해야 한다. 표 1은 본 논문에서 사용된 DA-FSL의 BDRP와 데이터 증강 모델에 지식 증류를 적용하기 위해서 사용된 사전 학습된 모델을 표시하였다.

실험에서는 성인 남성과 여성의 얼굴 데이터가 제한된 상황에서 정확도를 개선하는 모델의 학습 수렴 곡선 및 소요 시간을 개선하는 방법을 검증하기 위해 DA-FSL 모델의 일부를 이용한다. 지식 증류를 위해 BDRP 모듈과 데이터 증강에 사용된 데이터셋을 그대로 사용한다. BDRP 모듈과 데이터 증강 모델 학습에 이용한 데이터셋은 Flickr-Face-HQ[13]이다. 이 중 남성 10,000장, 여성 10장의 얼굴 이미지를 임의로 추출하여 이용하였다. 모델의 검증을 위한 테스트 데이터셋은 UMDFaces Dataset[14] 1,000장을 이용했다. 모델의 학습 수렴 커브 정확도 평가를 위해서는 식 (2)의 mAP 로 평가한다.

지식 증류를 통해 BDRP 모듈을 100회 학습한 결과 Object Location 결과는 그림 6에 나타내었다.

Fig. 6. 
Results of BDRP object location according to applying knowledge distillation

표 2는 지식 증류를 적용하기 전과 후의 Object Location 정확도를 나타낸 결과이다. 그림 7은 지식 증류의 적용 전과 후의 BDRP 모듈에서 mAP 0.5 IoU에 수렴하기까지의 학습 곡선을 나타내었다.

Fig. 7. 
Learning Convergence curve at IoU 0.5

적대적 생성 신경망을 이용하는 데이터 증강 모델에서는 학습의 수렴은 Generator와 Discriminator Loss의 변화로 평가 할 수 있다. 표 3은 1,000회 Epoch에서 지식 증류를 적용하였을 때와 하지 않았을 때의 Generator와 Discriminator의 Cross Entropy Loss를 나타내었다.

그림 8은 데이터 증강 모델의 지식 증류를 적용하기 전 후의 Cross Entropy Loss 학습 곡선을 나타내었다.

Fig. 8. 
Cross entropy learning curve of data augmentation model applying before and after knowledge distillation

두 결과에서 볼 수 있듯이 지식 증류를 통해서 DA-FSL 세부 모듈의 목표 정확도에 수렴하기 위한 학습 곡선이 앞당겨지는 것을 알 수 있다. 표 4는 지식 증류를 적용하였을 때와 적용하지 않았을 때 학습에 소요되는 시간을 나타내었다.

본 논문에서는 지식 증류를 이용하여 모델의 학습 수렴 곡선과 학습 시간을 개선하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 DA-FSL 모델에 적용하여 실험하였고, 적은 양의 수행 횟수를 가지고도 모델의 학습에 소요되는 시간을 최소 3%에서 최대 35%까지 개선할 수 있었다. 제안한 지식 증류 방법은 실험에서처럼 DA-FSL 모델에만 적용 가능한 것뿐만이 아니라 목표 모델에 어떠한 적용 방법을 제시하는가에 따라 지식 증류가 가능하므로 다양한 분야의 모델에 적용이 가능할 것으로 판단한다. 다만 이를 위해서 목표와 원 데이터셋에 대한 분석이 필수적이고 모델의 구조 측면에서도 많은 수정이 필요하다[15].

본 논문에서는 국한된 모델에 대해 지식 증류를 적용하는 연구를 진행하였으나 추후 지식 증류를 범용적인 모델에 적용하기 위해 목표 모델의 계층이나 구조를 자동 분석해서 지식 증류를 적용할 수 있는 것으로 확장하는 것이 앞으로의 연구 목표이다.