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AI의 눈으로 난임 예측부터 멸종위기종 보호까지

호주 태즈메이니아 대학 박미라 교수(Ep.2)

박미라 교수는 컴퓨터 비전 전문가이다. 컴퓨터 비전은 인공지능(AI)의 한 분야로, 딥러닝을 활용해 디지털 이미지, 비디오 등 시각 자료에서 인간의 시각 능력처럼 어떤 객체나 패턴을 높은 정확도로 인식할 수 있게 한다. 이 데이터의 분석과 응용을 통해, 엑스레이 등 의학 이미지에서 질병의 흔적을 찾아내거나 운송수단의 자율주행, 2D 지도를 3D 공간지도로 바꾸는 작업까지, 실로 무궁무진한 응용과 혁신이 일어나고 있다.

인공지능의 핵심 분야, 컴퓨터 비전

컴퓨터가 디지털 이미지의 시각 정보를 인식하고 분석해서 이해하도록 훈련시키는 기술을 이르는 컴퓨터 비전(Computer vision)은 딥러닝과 머신러닝 기술의 발달과 함께 빠른 속도로 성장하고 있는 인공지능 분야의 핵심 기술이다. 인간의 눈처럼 사진 파일이나 동영상을 인식, 분석하고 그 안에서 물체나 동물의 종류는 물론, 움직임과 패턴까지도 정밀하게 파악한다. 최근 스마트폰 카메라로 다양한 언어의 글자를 인식해서 바로 번역 서비스까지 제공하는 것이나, 자율주행 자동차가 도로 위의 보행자나 다른 차를 인식하도록 하는 것이 가까운 예이다.

컴퓨터 비전은 인간의 눈을 닮았지만, 인간의 눈보다 더 정밀하고 세밀하게 특징이나 패턴을 찾아낼 수 있다. 인간의 시력과 집중력을 뛰어넘는 이 기술은 CT, MRI 등 의료 영상에서 이상 세포를 찾아내거나, 공장의 생산 라인에서 미세한 불량을 찾아내는 데에 활용된다. 

최근에는 2차원 이미지나 영상을 해석해서 실제 세계의 3차원 모델을 재구성하는 컴퓨터 비전 기술이 주목받고 있는데, 드론이 찍은 사진들을 합성해서 지형도를 만들거나, 스트리트 뷰를 모아서 해석하여, 3차원 입체 지도를 만들어 내기도 한다.

컴퓨터 비전의 의학적 활용

박미라 교수가 오랫동안 연구해 온 바와 같이 의학 분야에서도 컴퓨터 비전의 활용예는 역시 무궁무진하다. 

엑스레이, CT, MRI, 초음파 영상 등 의료 영상에서 특이 사항이나 이상 징후를 감지하여 병변, 종양, 골절 등을 식별해 내는데 최근 유방암 등 일부 암은 컴퓨터 비전을 통한 탐지가 더 높은 정확성을 보이는 것이 보고되었다. 딥러닝을 기반으로 한 샘플의 조직 분석에서도 암세포 등 이상세포의 패턴의 인식을 지원하여 정확성을 높여준다. 그 외 로봇 수술 시스템 등에 활용, 수술 정확도와 안전성을 강화하고, 나아가 영상의 특징을 추출해 암이나 기타 질병의 예후를 예측하기도 한다. 망막 이미지 분석으로 녹내장이나 황반변성의 조기 진단을 돕고 피부 병변 분석으로 흑색종을 조기 예측하는 등, 의학 전 분야의 진단과 치료, 그리고 예방에서 혁신적인 기술의 발전을 이끌고 있다.

최근 박미라 교수는 난임 치료를 위한 연구에 컴퓨터 비전을 접목시킨 프로젝트를 진행했는데 수정란의 이미지를 딥러닝으로 분석, 트레이닝시키고, 다시 수정란의 분열 프로세스도 역시 딥러닝 훈련을 시키며 수정 성공률을 예측하는 시스템을 세우는 것이다.

“강원대학교의 이상희 교수님을 우리 대학의 외래연구자(Adjunct researcher)로 등록하고 함께 난임의 조기 예측 및 진단을 연구하고 있어요. 이 분야의 전문 지식과 레이블 된 이미지는 이 교수님이 제공하시고 우리는 딥러닝으로 그 이미지들을 분석 분류하는 연구를 하고 있습니다. 난임이 늘어나고 있다고 하는데 이 교수님과 계속 연구해서, 이 부분에 기여하고 싶습니다.”

컴퓨터 비전, 멸종위기 동물을 지키다

(사진 뉴스펭귄)

흔히 컴퓨터 비전을 사람이 보지 못하는 세밀한 것을 보는 것으로 주로 생각하지만, 이 컴퓨터 비전은 때로 자연의 한 가운데서 자연 생물들을 지키는 일도 수행한다.

“저는 요즘 매우 재미있는 프로젝트를 하고 있습니다. 제가 있는 곳은 호주 남쪽에 있는 태즈메이니아라고 하는 섬이에요. 한국의 제주도와 같은 곳이지요. 천혜의 자연환경 가운데 특이한 동물들이 많이 있었는데 이 이 동물들이 사라졌거나 사라질 위험에 처해있습니다. 그중에서도 ‘태즈메이니안 데빌’이라고 부르는 태즈메이니아 주머니너구리가 있는데 이 동물들도 멸종위기에 있어서, 이를 보전하기 위한 작업을 연방 정부의 “Department of Natural Resources and Environment Tasmania” 기관과 함께 진행중입니다.”

멸종위기 동물보호에 컴퓨터 비전은 어떻게 쓰이는 것일까? 우선 태즈메이니안 데빌이 서식하는 산속 깊은 곳에 장치를 설치하고 이 동물들의 등에 칩을 심는다. 이 칩은 장치와 교신하며 동물들의 서식과 행동에 대한 자세한 내용을 기록하고 동영상을 촬영하여 송신한다. 

“특히 현재 지금 태즈메이니안 데빌을 위협하는 큰 문제는 안면부 암인 ‘Devil facial tumour disease (DFTD)’입니다. 우리는 이 동물의 안면부를 자동으로 인식하고, 암 여부를 판단할 수 있는 시스템을 개발하고 있습니다. 컴퓨터 비전을 통해 자연에서 서식하는 무리 중에서 안면부 암에 걸린 개체들을 확인할 수 있지요. 딥러닝만으론 그 정확도가 높지 않아서 전통적인 컴퓨터 비젼 기술과 딥러닝을 융합하여 알고리즘을 개발하고 있습니다. 컴퓨터 비전을 태즈메이니안 데빌 보존에 활용하는 작업이에요.”

딥러닝과 컴퓨터비전에 관심있는 학생들에게

박미라 교수는 컴퓨터 비전에 관심이 있는 학생들에게 트렌드를 살피고, AI도 넓은 분야를 두루 공부하라는 조언을 한다.

“딥러닝을 뒷받침하는 기본적인 아이디어, 예를 들어 인공 신경망 같은 개념은 1940년대와 1950년대로 거슬러 올라갈 만큼 오랜 역사를 가지고 있습니다. 컴퓨터 성능의 한계와 신경망이 해결할 수 있는 문제의 제약 때문에 연구가 크게 위축 된적도 있지만 2000년대에 들어서야 대규모 데이터, GPU 성능의 향상, 그리고 새로운 알고리즘 개발 덕분에 딥러닝이 다시금 주목받게 된 것입니다. 이 분야를 잘 이해하려면 트렌드에 민감해야 하고, AI 분야를 폭넓게 공부하며 관심 분야를 좁혀 나가는 것을 추천합니다. AI 기술은 매우 빠르게 발전하고 있기 때문에, 최신 연구 동향과 기술 변화에 민감하게 반응하는 것이 중요합니다. 또한, AI는 컴퓨터 비전, 자연어 처리, 음성 인식 등 다양한 하위 분야를 포함하고 있어, 처음에는 넓은 시야로 여러 분야를 이해한 다음 자신의 흥미와 적성에 맞는 전문 분야를 찾아 심도 있게 공부하는 것이 효과적인 학습 방법입니다. 저처럼 이미지(컴퓨터 비전)에 관심이 있을 수도 있고, 자연어 처리나 다른 분야가 더 좋을 수도 있거든요. (예를 들어 한 연구자는 대화의 패턴을 분석해서 치매의 징후를 찾아내는 연구를 했지요.) 딥러닝이란 언어, 이미지 처리뿐 아니라, 기후변화, 혹은 주식거래 등 정말 다양한 분야에 걸쳐 있습니다. 요즘은 대학교에서 대부분 AI에 대한 개론을 잘 가르쳐주는 것으로 알아요. AI를 하다 보면 어느 시점에서 딥러닝이 나올 수밖에 없고, 미래를 예측하려면 딥러닝을 피할 수 없지요. 최근 기술들은 무엇도 딥러닝을 피해갈 수 없어요. 여러 기술을 살피며 자신의 관심사에 맞는 것들을 찾아서 연구하시라고 말씀드리고 싶어요.” 

딥러닝의 혁신과 함께 획기적으로 발전한 컴퓨터 비전, 이 기술은 보안, 휴머노이드 로봇, 바이오 메디컬, 그리고 지구를 지키는 그린테크까지 실로 다양한 산업에서 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 박미라 교수는 난임을 비롯한 의학 발전, 그리고 해양과 멸종위기 동물 보호 등 자연을 지키는 일에도 이 기술을 사용하고 있다. 그가 연구하는 컴퓨터 비전 기술을 통해 우리의 내일이 더욱 밝아지리라 기대하며 그의 연구를 응원한다.