경희대학교(서울캠퍼스, 국제캠퍼스) 에서 주관한 캡스톤 디자인 경진대회에서 최우수상을 수상하였습니다.!!

캡스톤디자인 수업은 모든 학생이 3, 4학년때 참여하는 수업으로, 그동안 배운 내용을 토대로 창의-종합적인 프로젝트를 설계 및 수행하여 유의미한 결과를 도출해 발표하는 프로젝트입니다. 이 프로젝트를 더 발전시켜 후에 졸업논문으로 쓰기도 하구요. 

이번 대회는 이번 학기(2021-2)에 캡스톤디자인 수업을 들은 모든 학과, 모든 분야 학생들의 종합설계 프로젝트를 평가 및 시상하는 대회였습니다. 그래서그런지 입법제안, 식품제조와 같은 주제부터 스마트팩토리 기계, 안내형로봇 등의 주제까지 정말 가지각색의 프로젝트가 본선에 올라왔더라구요. 

저는 데이터분석캡스톤디자인 수업을 들었고, 팀 프로젝트로서 뇌파를 이용해 사용자의 감정을 잘 드러내주는 음악 작곡 알고리즘 구현 및 UI개발을 주제로 하였었습니다. (저번 포스팅에도 간략히 언급했었죠.)

심사는 총 예선, 본선으로 이루어졌으며 예선으로는 서류심사, 본선으로는 발표를 통해 평가했고,

본선에 올라온 팀은 저희를 포함해 총 7팀이었습니다.

 

본선에 진출한 수상작은 아래의 링크에서 확인할 수 있습니다.

https://wzine.kr/khu_capstone/

 

경희대학교 링크플러스사업단 캡스톤디자인경진대회 수상작

경희대학교 링크플러스사업단 캡스톤디자인경진대회 수상작

wzine.kr

역대 수상작들을 저렇게 포스터 형태로 전시해두더라구요.

아직은 2021 하반기 수상작이 업로드되지 않았지만, 빠른 시일내로 업로드 될 것으로 보입니다. 

업로드 되면 다른 팀들의 주제도 간략하게 여기에 적어봐야겠어요!

정말 와.. 아이디어 좋다.. 할만한 주제들이 많았거든요.

다른 팀들의 발표를 들으며 저런 주제도 있구나, 이런 아이디어 좋다, 이걸 이렇게 접근할 수 있구나 등 좋은 정보를 많이 얻어서 더 좋았던 경진대회 였던것같습니다.

 

그럼 이만..,, 다음에 또 다른 프로젝트로 좋은 소식을 들고올게요. (희망사항)

2022.02.05. 17:22분 최종 수정됨


오늘 소개할 논문은 Nature의 Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold 입니다.

논문은 아래의 링크에서 확인할 수 있습니다.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03819-2

 

Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold - Nature

AlphaFold predicts protein structures with an accuracy competitive with experimental structures in the majority of cases using a novel deep learning architecture.

www.nature.com

 

AlphaFold2는 단백질 접힘 구조를 예측하는 모델로, CASP14 대회에서 압도적으로 높은 정확도를 보이며 단백질 3차원 접힘 문제 해결의 종지부를 찍었다고도 평가받고 있는, 핫한 모델입니다.

Alphafold2가 실제로 예측한 단백질 구조

 

논문을 읽었지만.. 학부 3학년인 제 수준에서는 이해하기 어려운 내용들이 있어 전반적인 흐름만 살펴보았습니다.

먼저 전반적인 AlphaFold2의 간략한 파이프라인은 다음과 같습니다. 

논문에서는 17만개의 Dataset(즉, 현재 구조가 명확히 밝혀진 단백질의 수만큼이죠)에 대해 훈련 및 예측을 진행하였습니다.

논문에서 정확도를 높이기 위해 사용한 방법은 크게 3가지가 있습니다. (ppt에서 확인)

다시말해 생물정보학에 물리적, 기하학적 접근방식을 기반으로 PDB data에서 학습하는 구성요소를 구축하였으며

다양한 접근을 통해 제한된 데이터에서 더 효율적으로 학습가능하며 데이터의 복잡성과 다양성에 대처할 수 있는 네트워크를 형성했습니다.

 

Framework

.fasta 입력파일이 들어오면, 모델은 각각 두 가지 경로로 나눠 서칭을 진행합니다. 

1-1 경로로는 데이터베이스에서 유사한 '단백질 서열'을 조회하고, 식별합니다. (이 정보를 MSA라고 부르겠습니다.)

1-2 경로로는 데이터베이스에서 유사한 '단백질 구조(템플릿)'을 조회하고 식별합니다.

다음으로, 각 정보에서 MSA와 템플릿을 추출해 변환기를 통해 전달합니다. 이 Transformer를 통해 MSA와 템플릿은 서로 정보를 주고받으며 표현을 계선합니다. 이는 지정된 주기수까지 반복되는 48개의 블록으로 구성되어있습니다.

 

이후 Evoformer를 통해 개선된 정보가 출력되면, Structure module에 넣어 3차원 구조를 예측하고, 모델을 생성합니다.

 

논문에서 중요하게 봐야할 부분중에 하나가 이 Transformer 부분인데요. 연구원이 제안한 Evoformer는 MSA와 템플릿에서 모든 정보를 짜내서, 현재의 구조적 가설을 활용해 다중 서열 정렬의 평가를 개선하고(새로운 인사이트 창출) 이후 새로운 구조적 가설 등으로 이루어지게합니다. 

예를 들어서, 만약 ABCD 라는 서열을 갖고, 일자 구조인 단백질이 있다고 해봅시다. 아미노산은 +, - 성질에 따라 접히기도 하고 펼쳐지기도 하는데요. 예를들어 A가 +, B와 C가 각각 +, -, D가 + 를 갖고있다면 B와 C는 서로 끌어당겨 접히게 됩니다. 이렇게 되면 서열만으로 예상하였을때는 서로 + 라 접힐 일이 없는 A와 D가, 접혀야하는 상황이 오게됩니다. 이렇게되면 둘 중 하나가 -로 바뀌며 돌연변이가 될 수 있습니다. 알파폴드는 이렇게 아미노산의 서열과 구조간의 정보를 서로 교환하며, 매 iteration마다 발전적인 예측을 하게 됩니다. (아미노산은 돌연변이가 종종 발생하며, 이 돌연변이를 예측하는게 단백질 접힘예측의 중요한 부분이라고 볼 수 있습니다. 해당 내용은 원리를 간략하게만 작성한것입니다.)

 

본 글에서 제가 설명한 부분 외에도 정확도를 높이기 위한 다양한 접근이 시도되었고, 이를 간략히 정리하면 위와 같습니다. 

 

알파폴드는 오픈소스로, 누구나 다운로드받아 실행해볼 수 있습니다.

저도 알파폴드를 설치해 실행해보려하는데.. 왜인지 설치 및 실행 과정에 오류를 많이 겪고 있습니다. -_-

도커가 환경 다 구축해주는데 왜 환경때문에 문제가 발생하는건지?! 는 도커파일에 문제가 있었고...

아무튼 정말 다양하게 오류가 발생하고 있습니다. 이거때문에 글 쓸 의욕이안나는듯

계속 수정하는중이라 곧 성공적으로 돌려볼 수 있을것같은데, 그렇게되면 또 간략하게 글 쓰겠습니다.

--> 설치 및 정상 작동 완료!! 아래의 포스팅으로 가주세요!

https://checherry.tistory.com/117

 

알파폴드2 실행하기 : 단백질 접힘 예측모델 / AlphaFold2 run

많은 시행착오, 오류수정 끝에 알파폴드2 실행에 성공했다! https://github.com/deepmind/alphafold 실행하기 위한 코드 및 설명은 여기에서 확인할 수 있다. GitHub - deepmind/alphafold: Open source code for..

checherry.tistory.com

 

 

 

오늘 읽어본 논문은

An Uncertainty-Aware Transfer Learning-Based Framework for COVID-19 Diagnosis 입니다.

논문은 아래의 링크에서 읽을 수 있습니다.

https://ieeexplore.ieee.org/document/9353390 

 

An Uncertainty-Aware Transfer Learning-Based Framework for COVID-19 Diagnosis

The early and reliable detection of COVID-19 infected patients is essential to prevent and limit its outbreak. The PCR tests for COVID-19 detection are not available in many countries, and also, there are genuine concerns about their reliability and perfor

ieeexplore.ieee.org

 

이 논문에서는 Covid-19 감염 조기 진단을 위한 의료 이미지의 Transfer learning 프레임워크를 제시합니다. 

 

Transfer learning?

Transfer learning은 자신이 풀고자 하는 task의 데이터가 충분히 많지 않을때 사용할 수 있는 방법으로, 현재의 task와 비슷하면서 다른, 방대한 데이터로 미리 학습되어있는 모델을 이용하는 방법입니다. 간단히 말해 사전 학습 모델의 일부를 이용하면서, 끝부분만 우리가 해결하고자 하는 task의 문제로 바꾸어 원하는 결과를 얻는 방법이라 할 수 있습니다.

사전 학습 모델을 이용함으로써 새로운 모델을 만들때 학습 속도도 더 빨라지게 되고, 가지고있는 데이터 양에 비해 예측의 정확도도 향상될것을 기대할 수 있습니다. 특히 의료 데이터는 다른 도메인의 데이터보다 얻기 힘들기 때문에(비용 등의 문제) 전이학습은 유용하고 중요한 학습 방법이라 할 수 있습니다.

 

논문 요약

X-ray 및 CT 이미지 dataset에 대하여, 사전학습 모델로 널리 사용되는 VGG16, ResNet50, DenseNet121, InceptionResNetV2 및 CNN 을 적용해 이미지에서 feature를 추출하고, 이를 기계 학습 및 통계 모델링 기술을 통해 Classification하여 Covid-19의 음성/양성을 판별하는 연구입니다. 또한 모델을 통한 분류 결과의 불확실성을 함께 계산하여 보고합니다. 결론적으로는 두 데이터셋 모두 linearSVM 모델과 neural network model에서 accuracy, sensitivity, specificity, ROC curve, AUC 값이 높은 성능을 보였다고 하며, X-ray에 비해 CT 이미지의 예측 불확실성 추정치가 높았다고 합니다.

논문에서 사용된 사전학습모델 (VGG16, ResNet50, DenseNet121, InceptionResNetV2) 의 데이터는 1.4 백만개의 이미지, 1000개의 label 로 구성된 방대한 데이터셋인 ImageNet 입니다.

연구진은 ImageNet data를 학습한 모델의 Image detection task와 Covid-19 classification 사이에 Fundamental similarities 가 있다고 생각하여 연구를 진행했습니다.

 

Dataset

연구에서 이용한 데이터셋은 흉부 X-ray 이미지(2D)와, CT 이미지(2D)입니다.

사전 학습 모델이 2D data를 input으로 받는 모델이다보니, 3D 이미지인 여러장의 CT data에서, 한 장의 CTdata만 이용해 2D로 학습시킨것으로 보입니다.

 

Chest X-Ray Data set
코로나 양성 이미지 25장
코로나 음성 이미지 75장
non-Covid : consist of other unhealthy conditions
non-Covid does not necessarily infer a healthy lower respiratory system

CT Data set
코로나 양성 이미지 349장
코로나 음성 이미지 397장
carry more information compared to chest X-rays

 

 

위에도 적어놓았다시피, 흉부 X-ray dataset의 '음성' label 이미지는 단순히 건강한 사람(무질병자)의 이미지가 아니라, Covid가 아닌 다른 질병에 걸린 환자의 dataset도 포함합니다. 즉, 질병자와 무질병자를 나누는 모델이 아니라 코로나 환자와 비코로나 환자를 나누는 모델을 만들고자 하였다는 것입니다. 

 

Framework

연구에서는 CNN을 이용한 사전학습모델로 상기 4가지 모델을 사용했고, Classifier로는 다음의 8가지 모델을 사용했습니다. 최종 모델의 앞부분은 사전학습모델의 Convolution layer를 그대로 가져와서 가중치를 사용하였고, 뒷부분은 Covid classification을 위한 classifier를 사용하였습니다. 

 

Visualization

Performance Metrics (Percentage)

VGGnet 을 이용해 각 data에서 25088개의 feature를 추출하고, 이를 PCA를 통해 2개의 feature로 줄인 그림입니다. (설명력은 논문에 기재되지 않은것으로 보임.) 각 포인트는 환자 한 명의 데이터입니다. 즉, 환자 한 명의 데이터를 2차원 평면에 시각화한 그림입니다. 흉부 X-ray data는 음성과 양성 데이터의 구분이 꽤 뚜렷한 반면에 CT data는 그러한 경계가 없다는 것을 확인할 수 있습니다.

 

Visualize the effectiveness of extracted features

gradient-weighted class activation mapping 그림입니다. Backpropagating 한 결과를 HeatMap 으로 그려 X-ray 사진에 HeatMap을 덧씌운 그림입니다. 모델이 데이터를 분류할때 어느 부분이 중요하게 영향을 끼쳤는지 확인이 가능합니다.

 

 

Evaluation

연구진은 100 회에 걸쳐 Train 및 Evaluation 을 진행하였고, Accuracy, Sensitivity, Specificity, AUC value 값을 평가 지표로서 활용하였습니다. 아래의 표는 모든 예측(100회) 의 평가지표의 평균을 낸 값입니다. 

pre-trained 모델로 ResNet50 + 분류기 모델로 Linear SVM을 사용한 조합이 각 데이터셋에서 높은 성과를 보인것을 확인할 수 있습니다.

ROC-AUC score

각 모델별 ROC curve 입니다. linear SVM 과 neural Net 이 가장 높은 AUC 값을 가지는것을 확인할 수 있습니다. 

또한 classifier의 성능은 pre-trained CNN 모델에 따라 다양하게 나타나고 있습니다.

연구진은 추가적으로, 각 모델별로 추출되는 feature 및 파라미터의 갯수 또한 비교하였는데요. 그래프의 원은 pre-trained CNN 모델이며, 원의 크기는 Accuracy를 의미합니다. VGG16 모델은 적은 파라미터 및 feature 갯수에 비해 높은 정확도, AUC 값을 가지고 있고(Most informative& Discriminative), InceptionResNetV2는 높은 파라미터 및 feature 갯수에 비해 낮은 정확도, AUC 값을 가지고 있습니다. (Least informative & Discriminative features)

이러한 자료를 통해, 큰 네트워크를 가진 모델이더라도 반드시 more informative and discriminative features 를 추출하는것은 아님을 알 수 있습니다.

 

predictive Uncertainty Estimation

Uncertainty 는 2가지가 있습니다.

Aleatoric Uncertainty는, 어쩔 수 없이 발생하는 오류로 학습을 통해 줄일 수 없고,

Epistemic Uncertainty는 모델이 모르기때문에 발생하는 오류로 학습을 통해 줄일 수 있습니다.

연구진은 추가적으로, 모델의 Epistemic Uncertainty를 줄이기 위해 이를 추정해 나타내고자 하였습니다.

그리고 이를 위해 Ensemble model을 만들었습니다.

Ensemble 모델은 1개의 Hidden layer 를 가진 20개의 독립적인 neural network로 구성되어있고, hidden layer의 neuron 는 랜덤하게 50~400 개 중 선택되었습니다.

불확실성은 다음과 같이 계산되었습니다. (p 는 softmax 함수와 비슷해 보이네요..)

 

이를 다시 PCA를 통해 dimension을 줄여 2차원으로 만들었고, 시각화하여 나타내었습니다.

밝은색(녹색)일수록 높은 확실성, 어두운색(남색)일수록 높은 불확실성을 나타내고,

불확실성이 높다는 것은 앙상블 모델 내부의 classifier들의 분류가 서로 완전히 일치하지 않다는 것을 의미합니다.

X-ray의 Epistemic Uncertainty 는 상대적으로 낮고, CT 이미지는 꽤 높은것을 확인할 수 있습니다.

 

앞서 말씀드렸듯 CT 이미지는 원래 흉부를 관통하여 찍는 3D 이미지인데요, 이를 모두 사용하지않고 임의로 한 장을 선택해 분류를 진행하였으니 x-ray에 비해 불확실성이 높게 나타난 것이 아닌가 싶습니다. (가령 Covid를 분류하기 위한 설명력 높은 feature를 추출할 수 있는 위치에서 찍은 이미지가 아니었다던가..) 

 

Further Exploration

마지막으로, 연구진은 이 모델을 개선하기 위해 fine-tuning, hybrid models(feature 간의 통합 등), ensembles, more comprehensive Uncertainty measure 도출 등 다양한 방법을 제시하였습니다.

 

 

끝!

오늘 소개할 논문은 ELSEVIER_Expert Systems with Applications 의 

Classification of Individual’s discrete emotions reflected in facial micro-expressions using electroencephalogram and facial electromyogram 이다. 

 

논문은 아래의 링크에서 확인할 수 있다. 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0957417421014330

 

Classification of Individual’s discrete emotions reflected in facial microexpressions using electroencephalogram and facial el

Facial microexpressions are defined as brief, subtle, and involuntary movements of facial muscles reflecting genuine emotions that a person tries to c…

www.sciencedirect.com

 

논문 요약

이 연구는 뇌전도(EEG)와 안면전자기록(fEMG)을 이용한, 얼굴 미세표현에서의 감정 분류를 목표로 하는 연구이다. 이때, 얼굴 미세표현이란 사람이 자신의 감정을 숨기고 억제하려할때 나타나는 표정이다. 즉, 사람이 감추려하는 감정을 얼굴에 드러나는 미세표현으로부터 알아내고자 하는 연구라고 할 수 있다.

사용한 데이터셋

16명의 피험자에 대해 EEG(10개의 채널)와 fEMG(4개의 전극) dataset을 사용했다. EEG는 뇌의 전기적 활동을 나타내는 신호이고, fEMG는 얼굴 근육 섬유의 수축과 이완을 감지할 수 있는 신호이다. Target값은 피험자의 감정으로, 정답 label은 얼굴의 표정 영상 데이터를 이용한 감정분류값이다. 또한, 정답 label의 보조적 수단으로서 피험자에게 Arousal과 Valence 수치를 설문조사하여, 얼굴 표정영상데이터의 감정분류값과 Arousal/Valence값을 비교해 검증 및 조정하였다. (특정 범위 이하이면 제거하는 방식으로)

연구에서 정답값으로 사용된 '얼굴 표정영상데이터의 감정분류값'은 다음과 같이 결정된다. (기존에 있던 프로그램 이용)

먼저 사용자의 얼굴에 랜드마크를 찍으면, 랜드마크 사이의 거리, 모양 등에 따라 사용자의 감정이 다각도로 분류된다. 

랜드마크
다각도로 분석된 피험자의 감정

한 예로 분석된 피험자의 감정상태를 보면, 피험자 1은 Happy한 감정임을 알 수 있다. 

 

Framework

연구는 16명의 피험자에 대해 진행되었고, 특정 감정을 느끼게 하는 영상을 보여주며 EEG 및 fEMG signal 을 수집하였다. 최종적으로는 피험자의 감정을 Sad, Happy, Anger, Disgust, Surprise, Fear 총 6가지로 분류한다.

그림과 같이 EEG 및 fEMG signal 에서 Filtering -> Segmentation -> Feature extraction 의 순서로 전처리 및 feature를 추출한다.

Band stop 필터는 신호의 주파수를 통과시키지만, 특정 범위의 주파수를 매우 낮은 수준으로 낮추는 필터이고,

Band pass 필터는 특정 주파수만을 통과시키는 필터이다.

연구에선 58-62 Hz의 주파수를 낮추고, EEG에서 1-50Hz만 통과, fEMG에서 20-450 Hz만 통과 시켰다. 이는 감정분석에 주로 많이 사용되는 주파수 대역대이다.

이후 window마다 높은 비율로 overlap하여 signal을 segmentation한다. (중복되게 자르는 비율이 높다)

마지막으로 EEG에서 Average spectral power, fEMG에서 Root mean square을 추출한다. 이 두 개의 feature를 통해 감정 분류를 하는 것이다.

결국  feature EEG에서 10 x EEGfeature 개 (10 채널xEEG의ASP), fEMG에서 4xfEMGfeature(4 채널xfEMG )개가 된다.

이 과정을 더 자세히 나타내면 다음과 같다.

연구에서는 전체 signal을 이용해 감정분석을 하지 않고,

Frame별로 얼굴 표정(정답값)을 분류해, 감정이 감지되는 Frame의 signal만을 이용해 해당 프레임의 감정을 분류한다. 

모델은 SVM 을 사용했다.

 

연구 결과

결과는 F1 score를 통해 검증하였다. 

* F1 score는 다음과 같이 Precision 과 recall의 조화평균으로 계산된다. 

 

 

적은 수의 feature를 사용하였음에도 average f1 score = 0.928 로 성능이 매우 좋은것을 확인할 수 있다. 

 

개인적인 의견

전체 signal을 이용해 감정을 분류하지않고, 특정 감정이 드러나는 Frame 에 대한 signal 만 이용해 분석한것이 정확도를 높인 설계라고 생각한다.

개인적으로는 프로그램이 분류한 감정 상태를 정답값으로 두어도 괜찮은가? 하는 의문이 들었다. 이것은 사실 온전한 정답이라기 보다 예측값에 가깝기 때문이다. 연구진도 이 부분을 우려하여, 이를 보완하기 위한 방법으로 설문조사를 통해 수집한 Arousal 과 Valence 수치를 이용한것으로 생각된다. 

오늘 읽어본 논문은 Computer science, Human-computer interaction 의

Investigating EEG-Based Functional Connectivity Patterns  for Multimodal Emotion Recognition 이다.

논문은 아래의 링크에서 확인할 수 있다. 

 

[2004.01973] Investigating EEG-Based Functional Connectivity Patterns for Multimodal Emotion Recognition (arxiv.org)

 

Investigating EEG-Based Functional Connectivity Patterns for Multimodal Emotion Recognition

Compared with the rich studies on the motor brain-computer interface (BCI), the recently emerging affective BCI presents distinct challenges since the brain functional connectivity networks involving emotion are not well investigated. Previous studies on e

arxiv.org

 

논문의 특징 요소

 Affective Brain-Computer Interface
 EEG
 Eye movement
 Brain Functional Connectivity Network
 Multimodal Emotion Recognition

 

Connectivity?

말그대로 각 요소간의 연관성/연결성을 나타내는 지표이다.

논문에서는 functional connectivity 가 사용되었으나, functional connectivity 뿐 아니라 관련한 다양한 Connectivity 기법이 있다. 

 Structural Connectivity
 Biophysical connections between neurons or neural elements
 Functional Connectivity <- 논문에서 사용한 것
 Statistical relations between anatomically unconnected cerebral regions
 Effective Connectivity
 Directional causal effects from one neural element to another

 

논문 요약

EEG의 각 채널간의 Functional connectivity metrics를 계산하여 feature를 도출하고, 

Eyetracking data에 대한 feature를 도출해 두 feature를 fusion 하여,

이에 대해 SVM 모델을 통해 다중 분류(5가지)하여 감정을 분석하고자 하는 연구이다.

 

사용한 데이터셋

피험자에게 특정 감정을 느끼게 하는 동영상을 보여주면서,

64개 채널에서 EEG 신호를 수집하고, 동시에 Eyetracking data를 수집한 것이다. (SEED, DEAP 등)

 

Framework

 

1. 먼저 EEG signal data를 주파수 대역대(알파, 델타, 베타, 세타, 감마)로 나누어 4초 간격으로 잘라서, 64x64 의 Dynamic Brain connectivity Metrics 를 형성한다. (connectivity Metrics 란 네트워크 Metrics로, 각 채널을 vertex로 두고 신호와 신호의 상관(연결)관계를 나타내는 Metrics이다.) 이렇게 하면 결과적으로 5 종류의 64x64 Metrics 여러 장을 얻게 된다.

아래의 그림을 참고하자.

2. 1번에서 구한 Metrics 에 대해 Critical subnetwork selection 의 과정을 거친다. 이 과정은 총 3가지를 거치게 되는데, Averaging, Thresholding, Merging 이다.

Averaging 에서는 각 emotion state 별, 그리고 주파수 별로 connectivity metrics의 평균을 낸다. 이렇게 하면 5가지 emotion 에 대해, 그리고 한 emotion당 5가지 주파수에 대해 Metrics 가 할당되게 된다.

이후 Thresholding 을 통해 신호 중에서도 강력하게 나타나는 신호만을 selection 하게되고, 

Merging 과정을 통해 주파수대역대로 나눠진 분류를 기준으로, merging 하게 된다. 

최종적으로는 각 주파수 대역대로 나뉘어진 64x64의 Metrics 총 5개가 추출되게 된다.

 

3. 이렇게 추출된 metrics를 Critical connectivity matrices 라고 부른다.

논문에서는 해당 matrics에서 feature를 추출한다. 아래의 그림과 같이 EEG(matrics)에서 3종류, Eyetracking data에서 5종류를 추출한다. 연구진은 이렇게 추출한 EEG, Eyetracking feature를 fusion 하여 최종 feature를 재구성하는데, 이 과정에서 사용한 model을 DCCA라고 부른다.

EEG (64x64 – 주파수별로 5) feature FROM metrics

 Strength
 Clustering coefficient
 Eigenvector centrality

Eyetracking feature
 Pupil diameter
 Fixation duration
 Blink duration
 Saccade
 Event Statistics

DCCA model(fusion 하는 과정)을 상세하게 나타내면 다음과 같다.

모든 EEG feature와, 모든 Eyetracking feature를 fully-connected 모델에 input으로 넣고, non-linear 형태로 각각 연산한다. (relu 같은 non-linear activation function 을 썼다는 의미라고 생각된다.) 최종적으로 나온 output에 대해, EEG와 Eyetracking data간의 피어슨 상관관계를 계산하고, CCA 를 통해 둘의 상관관계를 최대한 높일 수 있는 방향으로 파라미터를 업데이트 한다. 그리고 최종 결과를 Classifier(SVM)에 넣어 Emotion을 5가지로 classification 한다. 

이때 여러가지 feature, 여러 데이터의 상관관계를 한꺼번에 어떻게 구하는것인지 의문이 들 수 있는데 

 multi-배리얼-statistic- ?? 이라고 하는 기법이 있다고 한다. CCA 뿐 아니라 PLA 등의 기법 또한 있다고 한다.

또, 상관관계를 최대화 하는 방향으로의 파라미터 업데이트를 위한 cost function은 correlation 의 negative 값을 이용해 SVD 계산을 하여 구했다고 한다.

 

최종 분류 결과

연구진은 다양한 접근으로 정확도를 비교하였다.

EEG 만 이용해 감정분석, Eyetracking data만 이용해 감정분석, 둘 모두를 합쳐 감정분석(DCCA 모델 제외), 연구에서 제안한 DCCA 모델을 이용해 감정 분석.

이 네 가지의 정확도를 비교한 결과는 다음과 같다.

64채널을 모두 이용하고, 연구진인 제안한 DCCA 모델을 이용한 결과가 가장 높은 정확도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 

 

 

Transformer  Attention all you is need 논문에서 제안된 모델 구조로, RNN  long-term-dependency 의 한계점을 극복하기위해 제안된 아키텍처입니다. (은닉 상태를 통해 과거 정보를 저장할때, 문장 길이ㅏ 길어지면 과거 정보가 마지막시점까지 전달되지 못하는 현상)트랜스포머가 출현함으로써 자연어 처리 분야는 획기적으로 발전되었으며, BERT, GPT3, T5등과 같은 혁명적인 아키텍처가 발전하는 기반이 되었습니다.

트랜스포머는 RNN에서 사용한 순환 방식을 사용하지 않고, 순수하게 어텐션만 사용한 모델이며,셀프 어텐션이라는 특수한 형태의 어텐션을 사용합니다.

트랜스포머는 다음과 같이 인코더와 디코더가 결합된 형태를 가진 모델입니다. 먼저 인코더에 입력 문장(원문)을 입력하면 인코더는 입력문장의 표현을 학습시키고, 그 결과를 디코더로 보냅니다. 디코더는 인코더에서 학습한 표현결과를 입력받아 사용자가 원하는 문장을 생성합니다.

가령 영어를 프랑스어로 번역하는 과제가 있다고 하면, 다음의 그림은 영어 문장을 입력받은 인코더를 나타낸 것입니다. 인코더는 영어 문장을 표현하는 방법을 학습한 다음, 그 결과를 디코더에 보냅니다. 인코더에서 학습한 표현을 입력받은 디코더는, 최종적으로 프렁스러오 번역한 문장을 생성합니다.

트랜스포머는 N개의 인코더가 쌓인 형태입니다. 인코더에 결괏값은 그 다음 인코더의 입력값으로 들어갑니다. 가장 마지막에 있는 인코더의 결괏값이, 입력값의 최종 표현 결과가 됩니다. 입력값으로 입력 문장을 넣게되고, 최종 인코더의 결과값으로 입력 문장에 따른 표현 결과를 얻게됩니다. N=6 이라는 말은 인코더 6개를 누적해 쌓아올린 형태를 표현한 것입니다.

인코더의 세부 구성요소를 표현하면 다음과 같습니다. 모든 인코더 블록은 형태가 동일하며, 그림에 나와있는 두 가지 요소로 구성됩니다. 멀티헤드 어텐션 이해하기 전에, 셀프 어텐션의 작동원래를 살펴보면,

이 문장에서 it  dog  food 를 의미할 수 있습니다. 그러나 문장을 자세히 살펴보면 it dog 를 의미한다는걸 알 수 있죠. 위의 문장이 주어질 때, 모델은 it dog 인것을 어떻게 알 수 있을까요? 이때 셀프어텐션이 필요합니다.

이 문장이 입력되었을 때, 모델은 가장 먼저 단어 ‘A’의 표현을, 그다음으로 단어 ‘dog’의 표현을 계산한다음, ‘ate’라는 단어의 표현을 계산합니다. 각 단어를 계산하는 동안, 각 단어의 표현들은 문장안에 있는 다른모든단어의 표현과 연결해 단어가문장내에서 갖는 의미를 이해하게 되는 것입니다. 어텐션을 사용할 때 헤드 한 개만 사용한 형태가 아닌, 헤드 여러 개를 사용한 어텐션 구조를 멀티헤드어텐션이라 부릅니다.

트랜스포머는 RNN과 같이 순환 구조를 따르지않고, 단어 단위로 문장을 입력하는 대신에 문장 안에 있는 모든 단어를 병렬 형태로 입력하게 됩니다. 그러나 병렬로 연결하기 때문에 한가지 문제가 발생하는데, 단어의 순서 정보가 유지되지 않은 상태에서 문장의 의미를 어떻게 이해할 수 있냐는 점입니다. 문장의 의미를 이해하기 위해서는 단어의 순서가 중요하기 때문에, 트랜스포머에 단어의 순서 정보또한 제공하게 됩니다.

 

다음으로 디코더에 대해서는 간략히 설명하도록 하겠습니다.

디코더는 인코더의 결과값을 입력값으로 사용하게 되는데요.

디코더역시 인코더처럼 N개를 누적해 쌓을 수 있습니다. 디코더 출력값은 그 위에 있는 디코더의 입력값으로 전송되며, 인코더의 출력값은 모든 디코더에 전송이 되게 됩니다. , 디코더는 이전 디코더의 입력값과 인코더의 출력값(표현) 이렇게 2가지를 입력데이터로 받습니다.

원하는 문장을 생성하는 과정을 들여다보면, 시간 스텝 1에 시작을 알리는 <sos>가 입력되며 첫번째 단어인 je을 생성합니다. 이후 je 와 표현 정보 넣고 다음 문장을 생성합니다. 이 과정을 반복합니다.

이후 인코더와 마찬가지로 디코더 입력값에 위치 인코딩값을 더해 디코더의 입력값으로 사용합니다.

하나의 디코더 블록은 다음과 같은 요소들로 구성됩니다. 디코더 블록은 인코더 블록과 유사하게 서브레이어에 멀티헤드~와 피트포워드 네트워크를 포함합니다. 그러나 인코더와 다르게 두가지 형태의 멀티헤드어텐션을 사용합니다. 그 중 하나는 어텐션 부분이 마스크된 형태입니다.

앞서 언급했던 셀프 어텐션은 각 단어의 의미를 이해하기 위해 각 단어와 문장 내 전체 단어를 연결했었던것과 다르게, 디코더에서는 문장을 생성할 때 이전 단계에서 생성한 단어만을 입력문장으로 넣는다는 점이 중요합니다. , 이런 데이터의 특성을 살려 모델학습을 진행해야하는 것입니다. 모델이 아직 예측하지않은 오른쪽의 모든 단어를 마스킹하고, 학습을 진행하게 됩니다.  

이러한 마스킹 작업은 셀프 어텐션에서 입력되는 단어에만 집중해, 단어를 정확하게 생성하는 긍정적인 효과를 가져옵니다. 디코더는 vocab 에 대한 확률 분포를 예측하고, 확률이 가장 큰 단어를 선택하는 방식입니다.

최종적으로 인코더와 디코더를 결합한 형태는 다음과 같습니다.

다시 정리하면, 입력 문장을 입력하면 인코더에서는 해당 문장에 대한표현을 학습하고, 그 결과값을 디코더에 보내면 디코더에서 타깃 문장을 생성합니다. 또한 우리는 손실 함수를 최소화하는 방향으로 트랜스포머 네트워크를 학습시킬 수 있겠습니다.

 

지금까지 Transformer 모델이 무엇인지에 대해 간략히 살펴보았습니다.

Encoder 만을 사용한 모델은 AutoEncoding Model, decoder 만을 사용한 모델을 Auto regessive Model, Encoder  Decoder 를 모두 사용한 모델은 Sequence to Seqence model 이라고 부릅니다. 그 외에도 Multimodal Model, Retrieval-base model 등 다양한 종류가 존재합니다.

Decoder 에 기반한 모델,  Auto regressive 모델에는 GPT, GPT2, Transformer-XL, CTRL, XLNet 등이 있고, Encoding 에 기반한 모델에는 BERT, ALBERT, RoBERTa, XLM, EBECTRA 등이 있습니다.

이 중에서 저희가 오늘 집중해 살펴볼 모델은 transformer-Encoding based 모델인 BERT  XLM 입니다.

BERT 는 가장 널리 사용되는 고성능 텍스트 임베딩 모델로, Bidirectional Encoder Representations from Transformers 의 약자입니다. 다양한 자연어 처리 태스크 분야에서 가장 성능이 뛰어나며, 자연어 처리가 전반적으로 한걸음 나아가는데 이바지 한 모델입니다.  BERT 18년에 논문이 공개된 구글의 최신 Language Representation Model 이며, 말씀드렸듯이 인코더 구조만을 활용한 언어 모델입니다.

BERT가 성공한 주된 이유는 문맥을 고려한 임베딩 모델이기 때문입니다. 그렇다면 문맥을 고려했다는 의미가 무엇일까요? 다음 두 문장을 통해 문맥 기반 임베딩 모델과문맥 독립 임베딩 모델의 차이를 이해해보도록 하겠습니다.

A 문장과 B 문장을 보면, 두 문장에서 파이썬 단어의 의미가 서로 다르다는 것을 알 수 있습니다. A 문장에서 파이썬이라는 단어는 뱀의 한 종류를의미하고, B 문장에서 파이썬이라는 단어는 프로그래밍 언어를 의미합니다. 워드투벡터와 같은 임베딩모델을 사용해 두 문장에서 파이썬이라는단어에 대한 임베딩을 얻는경우, 두 문장에서 동일한 단어가 쓰였으므로 동일표현. 반면 BERT는 문맥기반. 문맥이해후 다음문맥에따라 임베딩생성. 따라서 서로다른임베딩 제공.

그렇다면 BERT는 어떻게 작동하는것일까요?

먼저 A 문장 살펴봅시다.

 BERT는 모든 단어의 문맥상 의미를 파악하기 위해 문장의 각 단어를 문장의 다른 모든 단어와 연결시켜 이해합니다.파이썬 문맥상 의미를, BERT는 파이썬이라는 단어를 가져와서 문장의 다른 모든 언어와의 관계 기반 이해를 시도합니다. 따라서 BERT는 파이썬이라는 단어와물었다라는 단어의 강한 연결관계 파악후 뱀의 한 종류 의미 파악이 가능하게 되는 것입니다.

B 문장또한 마찬가지로 모든 단어를 연결합니다. 이를 통해 B 문장의 파이썬이, 프로그래밍이라는 단어와 관련있음을 인지.

BERT L, H, A 파라미터에 따라 성능 및 버전이 달라지게 되는데, 여기서 Layer  Transformer 블록의 숫자이고, H hidden size, A Transformer Attention block 숫자입니다. , L, H, A 가 크다는 것은 블록을 많이 쌓았고, 표현하는 은닉층이 크며, Attention 개수를 많이 사용하였다는 뜻입니다. 블록을 n번 쌓았다는 의미는 즉 입력 시퀀스 전체의 의미를 n번만큼 반복적으로 구축하는 것을 의미합니다.

, 앞서 잠시 언급드렸듯 생성된 Token Emdedding 과 함께, 각 토큰의 위치정보를 임베딩하는 Positional Embedding , 문장을 구분하는 segment embedding 까지 총 3개의 임베딩을 결합하여 임베딩을 표현합니다. 

BERT를 각 Task에 쓰기위한 예시는 다음의 그림과 같습니다.
(a)
는 문장 쌍 분류 문제로 두 문장을 하나의 입력으로 넣고 두 문장간 관계를 구한다.
(b)
는 한 문장을 입력으로 넣고 문장의 종류를 분류하는 문제이다.
(c)
는 문장이나 문단 내에서 원하는 정답 위치의 시작과 끝을 구한다.
(d)
는 입력 문장 Token들의 개체명(Named entity recognigion)을 구하거나 품사(Part-of-speech tagging) 를 구하는 문제이다. 다른 Task들과 다르게 입력의 모든 Token들에 대해 결과를 구한다.

다음으로 BERT의 사전학습에 대해 설명드리겠습니다. 사전학습이란 무엇일까요.

모델을 하나 학습시켜야한다고 가정해봅시다. 일단 특정 태스크에 대한 방대한 데이터셋으로 모델을 학습시키고 학습된 모델을 저장합니다. 그 다음, 새 태스크가 주어지면 임의 가중치로 모델을 초기화하는대신, 이미 학습된 모델의 가중치로 모델을 초기화합니다. , 모델이 이미 대규모 데이터셋에서 학습되었으므로 새 태스크를 위해 새로운 모델로 처음부터 학습시키는 대신 사전학습된 모델을 사용하고, 새로운 태스크에 따라 파인튜닝하는 것입니다.

BERT 에서는 MLM NSP 라는 두 가지 태스크를 이용해 거대한 말뭉치를 기반으로 사전학습, 자가 지도 학습이 이루어집니다. MLM Masked Language Model, NSP Next-sentence Prediction , 의 약자입니다.

간략히 설명하면, MLM 이란, 문장을 고의로 훼손시킨 후 이를 소스 문장으로 복원하는 방법론으로, 해당 과정에서는 입력문장의 15%에 해당하는 토큰을 임의로 선택하여, 선택한 토큰 중 80%  MASK 토큰으로, 10%는 임의의 다른 토큰으로, 그리고 10%는 기존 토큰 그대로 두는 방식으로 훼손시킵니다. 즉 레이블이 없는 단일 언어 말뭉치에서, 기존 문장을 고의로 훼손시키고, 소스 문장으로 복원함으로써, 언어에 대한 양방향적 문맥을 파악할 수 있게됩니다.

NSP란 입력문장을 구성할 때, 50%는 기존의 순서대로 ㅇㄴ속된 문장을, 50%는 임의로 선택된문장을 연결함으로써 두 문장간의 문맥적 의미를 파악하는 작업을 의미합니다. 두 문장이 연속된문장일때는 1, 연속되지않은 문장일때는 0을 도출하게함으로써 문장간 연관성이 타당한지를 판별하는 작업을 학습합니다.

이렇게 사전학습을 마친 단어 임베딩은 말뭉치의 의미적, 문법적 정보를 충분히 담고있어, 훈련되지 않은 언어에 대해서도 우수한 수행능력을 보이며, 다운 스트림 테스크를 수행하기위한 파인튜닝 추가학습을 통해 임베팅을 다운스트림 태스크에 맞게 업데이트 하는 방식으로 이루어집니다. BERT가 등장한 이후로는 특정 자연어 처리 관련 문제를 풀기 위한 연구의 방향성이 사전 학습된 모델을 어떻게 활용할 것인가로 바뀌고 있다고 합니다.

XLM 또한 transformer-인코더 베이스의 모델입니다. 이때 BERT에서 활용된 MLM 뿐 아니라, CLM, TLM 을 추가적으로 활용하여 단일 언어 표현을 완화하고 다양한 언어, 즉 다국어에 대해 모든 문장을 공유 임베딩 공간으로 인코딩 할 수 있는 범용 교차언어 모델을 구축할 수 있게되었습니다. XLM 은 다양한 언어에 대해 공일한 공유 어휘를 사용합니다. 이는 모든 언어의 토큰에 대한 공통된 임베딩 공간을 설정하는데 도움을 줍니다.

CLM이란 이전 토큰들을 기반으로 다음 토큰을 예측하는 작업을 의미하며, 모델은 훈련과정에서 확률 p를 모델링 합니다. , XLM 모델은CLM 을 학습하는 과정에서, 이전토큰을 통해 다음 토큰을 예측함으로써 문장 구조에 대한 이해를 얻게됩니다.  

TLM이란 병렬 말뭉치에 존재하는 소스 문장과 타겟문장을 하나의 입력으로 연결한 후, LML과 같이 문장 일부를 MASK로 치환하고 이를 소스문장으로 복원하는 작업을 의미합니다. 이를 통해 모델은 서로 다른 언어간의 연관성을 더 잘 파악하게 됩니다.

, XLM은 여러 언어데이터를 활용한 MLM CLM, TLM 학습을 통해 여러 언어에 대한 교차언어 정보를 학습하게 됩니다.

이러한 XLM 을 이용한 다국어 언어 모델은 일반적인 다운스트림 작업에서 더 나은 결과를 얻는데 도움이 되고, 유사한 높은 리소스에 대한 학습을 통해, 낮은 리소스 언어에 대한 모델의 품질을 개선할 수 있습니다.

 

 

감사합니다.

 


이 모델링을 활용한 연구를 확인하고 싶다면 아래 링크로 가주세요. 

https://checherry.tistory.com/109

 

[NAACL] Transformer model을 이용한 자연어처리 최신 논문 / Multilingual Language Models Predict Human Reading Behavi

2021년도 동계 저널클럽 활동을 하며, 발표한 자료입니다. 제가 오늘 함께 공유하고자 하는 논문은 NAACL 저널에 기고된 Multilingual Language Models Predict Human Reading Behavior 입니다. https://aclantho..

checherry.tistory.com

 

사실 제가 자연어 분야를 제 주요 연구주제로 하고싶은것은 아닌데... 자연어 분야를 계속 찾아보게 되네요.

다양한 분야를 알게되는것이니, 좋죠 뭐!!

다음에는 뇌종양 segmentation 과 관련한 논문을 리뷰해볼 예정입니다!!

(저는 뇌종양에 관한 연구를 하고싶습니다. )

이번에 읽은 논문은 ELSEVIER _ Medical Image Analysis 에 기고된

Accurate brain age prediction with lightweight deep neural networks 논문입니다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361841520302358

 

Accurate brain age prediction with lightweight deep neural networks

Deep learning has huge potential for accurate disease prediction with neuroimaging data, but the prediction performance is often limited by training-d…

www.sciencedirect.com

 연구의 목표는 크게 2가지 입니다. 

1. T1-weighted-MRI 3D 이미지를 이용한 뇌연령 예측

2. Brain-age delta 의 확인

Brrain-age delta는 예측된 뇌의 나이와 실제 나이의 차이를 의미하는데요,

Brain-age delta 는 알츠하이머 등의 병의 진단에 있어 효과적인 바이오마커입니다.

 

연구에서 사용한 데이터셋은 UK-Biobank, PAC2019 의 2가지 이며,

두 데이터셋 모두 T1-weighted-structural MRI 3D brain image 를 제공합니다.

 

아래의 이미지 T1-weighted MRI 의 예시입니다.

MRI는 수집 및 처리하는 방식에 따라 다양한 종류로 나뉘는데, 그중에서도 T1-weighted MRI image는, T1 강조기법을 사용한 MRI 종류힙니다.

T1 강조영상은 짧은 TR과 짧은 TE를 이용한 스핀에코 기법으로, 조직의 T1 이완시간의 차이를 신호차이로 반영하는 기법입니다. 짧은 TR 을 사용함으로써 조직 간 종축 자기화의 회복정도가 크게 차이나게 되는데, 이를 신호 차이로 반영하는 기법입니다.

 

모델로는 Simple Fully Convolutional Network, SFCN 을 사용합니다. 

즉, VGGnet을 base로 하여 3D CNN 을 이용해 모델링을 합니다. (기존의 2D VGGnet을 3D VGGnet 으로 변경함)

논문에서는 항상 3x3 필터를 이용해 convolution 을 하여, 보다 파라미터를 적게생성하고 층을 늘리는 lightweight 전략을 세웠습니다. 

또한, 뇌연령 예측임에도 회귀 분석을 한 것이 아니라, 각 데이터셋별 1년, 2년 단위로 target값을 끊어서 총 40개의 구간(Class)으로 연령대를 만들어서, 다중분류를 하였습니다. (softmax 이용)

 

연구진은 단일 모델뿐 아니라, 다양한 접근 방식을 비교해가며 다양한 모델을 만들었는데요.

한가지 예로, 3D image 인 MRI를 여러 기법으로 전처리하여, 한 MRI 이미지에서 a linear image, non linear image, GM image, WM image 의 네가지 타입의 이미지를 추출하고, 각 이미지들을 복합적으로 이용해 뇌연령을 예측합니다.

아래의 매트랩에서 각 4가지 타입의 이미지데이터에 대해, 모델을 5개씩 만들어 예측값과 실젯값의 correlation 결과를 분석하였음을 확인할 수 있습니다. 

이때 5개의 모델은 모두 같은 아키텍처를 이용해 하이퍼파라미터만 다르게하여 학습한 모델로, (파라미터만 다르게)

각각의 모델에서 예측한 결과값의 mean으로 앙상블 모델을 만든것을 확인할 수 있습니다.

맨 아래 ensb 이라고 표시된 그림이 앙상블 했을때의 correlation 결과값인데요. 모든 데이터셋에서 0.9 이상의 결과를 얻은 것을 확인할 수 있었습니다.

이 결과값은 모델의 예측값과 실제값의 Stability 가 보장이 된다는 것을 확인할 수 있는 결과이며,

동시에 다양한 데이터를 이용해 정확도를 높이기 위함으로, 논문에서는 이 모델을 Semi-multimodal model 이라고 부릅니다.

뇌연령 예측 연구에서, 대개 나이가 상대적으로 어린 피험자는 나이가 더 높게 나오고, 나이가 상대적으로 많은 피험자는 나이가 더 낮게 예측되는 경향이 있는데,

연구진들은 이러한 Bias를 Correction 해주었습니다. 그림1 -> 그림2 -> 그림3 으로 갈수록 correction이 된 것을 확인할 수 있습니다.

 

결과적으로 선행 모델보다 높은 성능을 보이며, 적은 데이터셋을 학습시킬때도 성능이 좋게 나올 수 있도록 모델을 비교하며 시도하였습니다. 또한, 최종 모델은 뇌연령뿐아니라 성별예측에서도 높은 정확도를 보였습니다.

 

이상!! 

2021년도 동계 저널클럽 활동을 하며, 발표한 자료입니다.

 

제가 오늘 함께 공유하고자 하는 논문은 NAACL 저널에 기고된

Multilingual Language Models Predict Human Reading Behavior 입니다.

https://aclanthology.org/2021.naacl-main.10/

 

Multilingual Language Models Predict Human Reading Behavior

Nora Hollenstein, Federico Pirovano, Ce Zhang, Lena Jäger, Lisa Beinborn. Proceedings of the 2021 Conference of the North American Chapter of the Association for Computational Linguistics: Human Language Technologies. 2021.

aclanthology.org

 

, 인간의 읽기 행동을 예측하는 다국어 언어 모델의 개발이 논문의 주제인 것인데요.

여기서 예측하고자하는 인간의 읽기 행동이란, 자연 상태에서 피험자가 문장을 읽을 때, 문장의 어떤 단어, 어느 위치에 피험자의 시선이 오래 머무는지를 의미합니다.

정리하면, 이 연구는 문장 data, 해당 문장을 읽을때의 Eyetracking data를 이용하여 문장이 주어졌을 때 피험자의 시선이 어느곳에 주요하게 머물지를 연구하는 것이라고 볼 수 있겠습니다.

제가 이 논문을 선정한 이유는, “자연 읽기 상태 뇌파의 자연어로의 해독이라는 지금의 제 연구 주제에 접목시킨다면 더 좋은 성과를 얻을 수 있을 것이라 판단하였기 때문이고, 동시에 여러분께 이 논문에서 사용된 들어는 봤으나 다소 생소한 Transformer-based 모델에 대해 소개해드릴 수 있기 때문입니다.

오늘의 발표는 다음과 같은 순으로 진행되겠습니다.

 

언어를 처리할 때 인간은 선택적으로 문장의 가장 관련성이 높은 요소에 더 오래 주의를 기울이게 되죠. 이렇듯 문장에서 단어의 상대적 중요성을 평가하는 능력은, 인간 언어 이해에 있어 핵심적인 요소라고 할 수 있습니다. 그러나 여태껏 인공지능 모델에서 이러한 상대적 중요성이 어떤 방식으로 인코딩-디코딩 되는지는 알려진 바가 없습니다. 그래서 연구진은, 인공지능 모델에서 어떻게 인간 언어의 상대적 중요성을 파악하는가를 알고자 하였고,

그 방법으로, 피험자가 글을 읽을 당시의 시선의 움직임을 추적하고, 해당 위치에 고정되어있는 기간과 같은 Feature를 측정 및 예측함으로써 파악할 수 있다고 생각했습니다.

다음의 그림은 해당 문장이 주어졌을 때, 피험자의 시선 추적 데이터를 시각화하여 나타낸 것입니다.

원은 눈이 고정되어 있던 위치, 그리고 원 아래 숫자는 시선이 고정되어 있던 시간을 의미합니다.

이 문장은 Laurance를 소개하는 글에서 가져온 문장인데요. 이전에 나왔던 이름인 Laurance 보다, 새롭게 등장한 단어인 Mary가 피험자에게 상대적으로 더 중요했기 때문에, 두 번, 그리고 더 오래 고정된 것을 확인할 수 있습니다.

연구진은 이러한 시선 추적 데이터를 통해 우리는 눈의 움직임 패턴을 예측할 수 있게되고, 이것은 동시에 모델의 인지적 타당성을 이해하는데 한걸음 더 다가갈 수 있게 해준다고 주장합니다.

본 연구에서는 다양한 종류의 데이터세트를 사용합니다.

영어 (Zuco), 독일어, 네덜란드어, 러시아어 등 다양한 언어로 작성된 문장과 시선처리 데이터에 대하여, 인간의 행동 패턴을 예측하는 큰 모델과 작은 모델이 있습니다.

작은 모델은 단일 언어를 학습하고 표현하는 모델이며, 큰 모델은 다국어 transformer 모델로, 모든 언어를 학습하고 표현하여, 작은 모델 보다 보편적인 언어 이해를 목표로 하는 모델입니다.

연구진들은 사람이 문장을 읽을 때, 특정 현상에 대한 시선 추적 패턴은 언어에 상관없이 일관되기 때문에, 단일 모델보다도 다국어 모델이 피험자의 행동 패턴을 예측하는데 있어 더 좋은 성능을 보일 것이라 가정하였습니다. 그리고 연구진은, 이 가설을 영어, 독일어, 네덜란드어, 러시아어 의 총 4가지 언어의 6개 데이터세트에 대해 테스트 하였습니다

1은 모델 훈련시 사용된 각 데이터셋에 대한 기술통계 입니다. 던디, 지코, 주고, 지코, 포텍, RSC 의 총 6가지 데이터가 사용되었고, 각 데이터셋의 평균 문장 길이, 평균 단어 길이, 총 토큰 개수 등을 확인할 수 있습니다. 플래쉬 점수는 각 언어가 얼마나 읽기 쉬운가를 나타낸 지표인데요, 0 에서 100사이의 점수로 나타내어지며 점수가 높을수록 읽기가 쉬움을 나타냅니다.

데이터셋 각각에 대해 간략히 설명하자면,

1)    던디 데이터셋은 20개의 신문기사가 포함된 데이터셋으로, 한 번에 다섯 줄의 화면이 영어 원어민 독자에게 제시되었습니다.

2)    지코 데이터셋은 영어 소설이 포함된 데이터셋으로, 단락 별로 화면에 표시되었습니다.

3)    주코 데이터셋은 영화리뷰 및 위키피디아 기사의 전체 문장에 대한 시선 추적 데이터가 포함됩니다.

4)    지코 데이터셋에는 네덜란드 독자의 시선추적데이터가 포함되어있고

5)    포텍 데이터셋에는 대학 수준의 생물학 및 물리학 교과서의 짧은 구절이 포함되어 있습니다. 전체 구절이 여러줄로 표시되었고, 독일어 원어민이 읽습니다.

6)    RSC 데이터셋은 러시아어로, 국립 코퍼스에서 추출한 문장이 포함되어 있습니다. 성인에게 한번에 하나씩 전체 문장이 화면에 표시되었습니다.

시선 고정이란 피험자의 시선이 한 위치에 유지되는 시간입니다. 고정은 각 단어에 속하는 화면의 영역 주변 경계를 구분하여 단어에 맵핑됩니다. 단어는 한번이상 고정될 수 있으며, 각 토큰(문장)에 대해 초기 구문부터 후속되는 구분까지의 전체 읽기 프로세스를 인코딩하는 다음 8가지 시선추적기능을 예측합니다. (다음의 각 단어별 특성 추출)

(1)   고정 수해당 단어에 고정된 횟수, (모든 피험자에 대한 평균값)

(2)   평균 고정 지속시간 모든 고정의 평균 고정 지속시간

(3)   고정 비율 해당 단어에 고정된 피험자의 수/전체 피험자 수

(4)   첫번째 고정 기간 해당 단어에 첫번째로 고정된 기간 . 모든 피험자에 대한 평균

(5)   첫번째 통과 기간 주제가 고정될때부터 통과 이후 모든 고정의 합. (????)

(6)   총 읽기 시간 모든 고정기간의 합, ?(?)

(7)   재고정 횟수 첫번째 고정 후에 고정 된 횟수

(8)   다시 읽은 비울 – 1회이상 고정된 피험자 수 / 전체 피험자 수

 

이렇게 추출된 데이터는 각각 값의 범위가 다르므로, 0에서 100 사이로 균일하게 맞추어 손실을 계산합니다.

BERT, XLM의 두 모델에서 시선 추적을 예측하는 기능을 비교합니다.

왼쪽 그림은 ZUCO 영어 데이터셋에 대해 추출한 단어수준 feature , (3) 고정 비율 에 대해 예측한 값입니다. (이후 0~100 으로 scaling) , He is of three quarters Irish andone quarterFrenchdescent. 문장에서, 각 단어에 고정된 피험자수/ 전체 피험자수를 나타낸 값인것이죠.

분홍색 선이 정답값이고, 주황색선은 XLM을 이용한 예측값, 파란색선은 BERT-모델을 이용한 예측값입니다.

오른쪽 그림은 RSC 러시아어 데이터셋에 대한 고정 수, 즉 해당 단어에 고정된 횟수에 대해 나타낸 값입니다. 마찬가지로 붉은 선이 실제값, 주황선이 XLM 모델을 이용한 예측값, 푸른색이 BERT 문장의 예측값입니다.

두 모델 모두 상당히 높은 정확도를 보이는 것을 확인할 수 있습니다.

각 언어 및 모델별 정확도를 비교한 최종 결과는 다음과 같습니다. 괄호 안에있는 것은 표준편차입니다.

pre-trained transformer 모델이 4가지 언어의 읽기 행동 패턴을 예측하는데 전반적으로 90% 이상의 높은 정확도를 보이는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한 XLM 모델의 결과는 평균적으로 약간 더 낮지만, 훨씬 더 높은 표준편차를 나타냅니다

상대적으로 작은 데이터세트인 RSC 같은경우, 다국어 XLM 모델이 단일언어 모델보다 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있습니다.

또한 XLM 모델의 성능은 아주 작은 비율의 시선추적데이터로도 안정적으로 유지되지만, BERT 모델의 성능은 데이터의 20% 미만을 미세 조정할 때 급격히 떨어지는 한계가 있었습니다. 음영 처리된 영역은 표준편차를 나타내며, 점선은 파인튜닝없이 사전훈련된 BERT-MULTI 모델의 결과입니다.

지금까지 다국어 모델보다 특정 언어에만 훈련된 단일 언어 모델이 더 성능이 좋은 경우가 많지만, 다국어 모델은 적은 양의 데이터로 미세 조정될 때 언어별 모델보다 이점을 보여주었으며, 사용된 transformer 모델이 인간의 처리 메커니즘과 유사한 방식으로 언어의 상대적 중요성을 인코딩 한다는 것을 확인할 수 있었습니다.


저는 이번 저널리뷰를 통해 연구원이 연구를 어떻게 진행하는지, 최근에는 어떠한 연구주제가 있는지 등을 아는 것도 중요하지만, 사용된 모델이 무엇이고 어떻게 동작하는 것인지 간략하게나마 이해하는 것도 매우 중요한 요소라고 생각합니다. 그래서 따로 여기서 사용된 Transformer 모델이 대체 무엇인지, BERT XLM 이 무엇인지, 살펴보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

관련 내용은 다음의 문서로 가주세요!

https://checherry.tistory.com/111

 

자연어 처리 분야 최신기술! Transformer model, BERT, XLM 모델이란?

Transformer 는 Attention all you is need 논문에서 제안된 모델 구조로, RNN 의 long-term-dependency 의 한계점을 극복하기위해 제안된 아키텍처입니다. (은닉 상태를 통해 과거 정보를 저장할때, 문장..

checherry.tistory.com

 

잠시 아침 수업시작전 짬나서 써보는 '이번 겨울방학에는 무엇을할까?'
일전에 어느정도 계획해둔것은 있지만 뭐 바꿀수도 있는거니까..
일단 지금생각하기로는 계절학기는 안들을것같고, 2개월간...


- 개인연구 진행 (겨울방학~2학기전까지종료)
- 토익or토플 등 영어자격증 !!!
- 데이터분석전문가 필기, sqld OR 정보처리기사 준비
- 랩실 저널클럽 준비
- 밀린 github, tistory 업로드 및 정리 (공부내용도 슬슬..)
- 데이콘/캐글 문제풀기 -> 3등안에들어보기!? (하고싶어서 카테고리까지 만들어뒀는데 시간이...)
- 운동&다이어트
- 다음 논문주제 관련 찾아보기 (4학년때 해야하는 창종설, 소캡디) -> 주제 정하고, 간단 제안서 작성
// 창종설은 팀을 짜야하는데..
- 뇌파작곡 논문작성 / 교내공모전 ? (할건지???)
- 공부하고 글업로드
- 포트폴리오 1차 작성


이정도 할 것 같다.
계절 안듣는 선택이 좋았네.. 뭔가 할게 많다. @_@_@ (12.29 살짝후회중)
요즘 추워져서그런가... 과제들이 하나씩 사라져가서 그런가...
아직 기말고사도 안쳤는데 벌써 겨울방학인 느낌이다..... 이러면 안되는데..
얼른 기말고사 끝나고 내가 하고싶은것들 위주로 할 수 있는 방학이 왔으면좋겠다!
(...2학기에도 사실 학교공부보다 하고싶은거 위주로 하긴 했다..... ㅎ...ㅎㅎ....내학점...)

// 아래는 더 세부적인 계획 // 12.29 추가

연구실/ 예약입학 고민 (장학금액은 학점에 따라 차등지급)
0순위 : 공부
More More 공부.. 공부해서 githun/tistory에 올리자.
자격증같은게 중요한게아니라 실제로 공부하고, 뭔갈 해보는게 중요하다.
1순위 : 연구
개인연구 진행 (~1.7)
저널클럽 준비 (~1.5)
2순위 : 영어자격증
토플 / 토스 or 오픽  영어자격증 준비하고 얼른 따자 (토플100점이상, 토스level7이상, 오픽 IH 이상 목표)
(독일어??)
3순위 : 데이터자격증
sqld + 데분전문가(필기,실기?) 준비해서 따고.., 
- SQLD (44회)
  접수기간 : 2.14(월)~
  시험일: 3.12(토)
- 데이터분석전문가 필기 (24회) / 실기 언제 ???
  접수기간 : 1.24(월)~
  시험일 : 2.26 (토)
 
/ 4학년여름방학에, 정처기 따기 /
4순위 : 1학기 대비
도서관 등..창종설/소캡디 주제정하기
교재 구입, 미리 공부
주의할점​
/학점포기1개, 재수강1개 신경쓰기.. /



안녕하세요! 지난번 A.I.D.D 데이터톤 최우수상 수상 소식에 이어, 또 다시 기쁜 소식을 들고오게 되었습니다!

바로바로~~ 경희대학교 SW중심대학사업단 에서 진행한 Software Festival 에서 대상우수상을 수상하게 되었다는 소식이에요 ㅎㅎ와아~~🥁🎉

(= 데이터분석부분 1등, 2등 모두 수상! + 데이터부문에서 1등한 작품이 모든 부문에서 1등!!)

소프트웨어 페스티벌은 지난 2021년(1년) 동안 경희대학교 학생들이 개인적으로/팀프로젝트로/내-외부공모전으로/수업중에 등등 상관없이, 완성된 모든 SoftWare를 모아서, 오프라인 혹은 온라인으로 전시 및 시상하는 경희대학교의 큰 행사입니다!

다양한 분야의 SW를 모두 받으니, 해당 분야에 관심이 있거나, 진로로 희망하는 학생이라면 주목할 행사라고 할 수 있죠.

 

경희대학교 국제캠퍼스의 모든 학과 학우분들, 서울캠퍼스의 컴공/소융 복전하시는 학우분들 모두가 참여 가능합니다

위의 포스터에서도 볼 수 있듯이, 총 4가지 분야로 SW를 나누어 전시 및 시상을 하였습니다.

- 피지컬컴퓨팅

- 게임 및 AR/VR

- 데이터 분석

- 기타 소프트웨어

 

전시작을 간단히 보여드리면,

1) 데이터 분석 부문

 

2) 피지컬 컴퓨팅 부문

 

3) 게임 및 AR/VR 부문

4) 기타SW 부문

 

굉장히 다양한 분야, 다양한 주제의 프로젝트가 출품된것을 볼 수 있네요

저도 다른분들의 SW를 구경해봤는데, '와 신기하다, 아이디어 좋다' 라는 생각이 들더라구요.

 

시상은 모든 출품작 중 대상 1개, 그리고 각 부문에서 최우수상, 우수상, 주니어상을 시상합니다. +인기상

(대상이 있는 부문에서는 최우수상이 없어요! 최우수상이 업그레이드되어 대상이 되는 느낌)

'주니어상'은 미수상작 중 1, 2학년이 진행한 프로젝트를 선정하고,

'인기상'은 학생들이 클릭한 좋아요 갯수가 많은 작품 2개를 선정하는 방식입니다.

 

저는 이번에 2021년동안 진행한 팀프로젝트 1개, 개인프로젝트 1개의 총 2개를 데이터분석부문에 출품했고,

팀프로젝트로 제출한게 대상(+500만원), 개인프로젝트로 제출한게 우수상(+50만원)을 수상했습니다.!!

데이터분석부문에서는 나란히 1등, 2등 한 것인데 상금의 차이가....!!! 

 

아무튼!!

2021년 마무리를 뿌듯하게 할 수 있게되어 기쁘네요

내년에는 드디어 4학년이 되는데, 2022년에도 열심히! 할 수 있도록 하겠습니다 :>

감사합니다

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