이번 포스팅에서는 합성 데이터가 필요한 이유에 대해서 알아보겠습니다. 머신러닝 모델을 훈련하려면 데이터가 필요합니다.
데이터 과학 작업은 일반적으로 미리 라벨이 붙은 잘 정제된 데이터 세트가 있는 Kaggle 대회가 아닙니다.
때로는 자신의 데이터를 수집하고 정리해야 할 때도 있습니다. 데이터를 수집하고 라벨을 지정하는 이러한 프로세스는 시간이 많이 걸리고, 번거롭고, 비용이 많이 들고, 부정확하며 때로는 위험할 수 있습니다.
게다가 이 과정이 끝나면 질, 다양성(클래스 불균형 등), 양 측면에서 꼭 원하는 데이터가 아닌 데이터가 나올 수도 있습니다. 다음은 실제 데이터로 작업할 때 발생할 수 있는 일반적인 문제입니다.
- 실제 데이터 수집 및 라벨링은 확장 가능하지 않습니다.
- 실제 데이터에 수작업으로 레이블을 지정하는 것이 때로는 불가능할 수 있습니다.
- 실제 데이터에는 개인 정보 보호 및 안전 문제가 있습니다.
- 실제 데이터는 프로그래밍할 수 없습니다.
- 실제 데이터로만 훈련된 모델은 성능이 충분하지 않습니다(예: 느린 개발 속도).
다행히도 이와 같은 문제는 합성 데이터를 통해 해결할 수 있습니다. 합성 데이터는 실제 데이터를 기반으로 생성된 인공 데이터로, AI 및 머신러닝 알고리즘을 훈련시키는 데 사용됩니다.
이러한 합성 데이터는 다양한 상황에서 유용하게 사용될 수 있습니다. 실제 데이터의 한계를 살펴보고 합성 데이터가 이러한 문제를 극복하고 모델 성능을 향상시키는 데 어떻게 도움이 되는지 설명합니다.
확장 가능하지 않은 실제 데이터 수집 및 Label 지정
소규모 데이터 세트의 경우에는 수작업으로 레이블을 지정할 수 있지만, 많은 복잡한 머신 러닝 작업에는 학습을 위해 방대한 데이터 세트가 필요합니다.
예를 들어, 자율 주행차 애플리케이션을 위해 학습된 모델은 자동차나 드론에 부착된 센서에서 수집한 방대한 양의 데이터가 필요합니다. 이 데이터 수집 프로세스는 느리며 몇 달 또는 몇 년이 걸릴 수 있습니다.
Raw Data가 수집되면 사람이 수동으로 주석을 지정해야 하며, 이 역시 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 게다가 라벨이 지정된 데이터가 모델의 현재 지식 격차를 알려주는 예가 포함되지 않을 수 있으므로 학습 데이터로 유용할 것이라는 보장도 없습니다.
실제 데이터에 수동으로 라벨을 지정하는 것은 때때로 불가능할 수 있습니다.
인간이 완전히 해석하고 라벨을 지정할 수 없는 데이터가 있습니다. 합성 데이터가 유일한 옵션인 몇 가지 사용 사례는 다음과 같습니다.
- 단일 이미지에서 깊이와 광학 흐름의 정확한 추정
- 인간의 눈에 보이지 않는 레이더 데이터를 활용하는 자율주행 애플리케이션
- 얼굴 인식 시스템 테스트에 사용할 수 있는 딥페이크 생성
실제 데이터에는 개인정보 보호 및 보안 문제가 있습니다.
합성 데이터는 실제 데이터를 쉽게 얻을 수 없는 도메인의 애플리케이션에 매우 유용합니다.
여기에는 일부 유형의 자동차 사고 데이터와 개인 정보 제한이 있는 대부분의 유형의 건강 데이터(예: 전자 건강 기록)가 포함됩니다.
최근 몇 년 동안 의료 연구자들은 ECG 및 PPG 신호를 사용하여 심방 세동(불규칙한 심장 리듬)을 예측하는 데 관심을 가졌습니다.
부정맥 감지기를 개발하는 것은 이러한 신호에 대한 주석이 지루하고 비용이 많이 들기 때문에 어려울 뿐만 아니라 개인 정보 제한으로 인해 어렵습니다.
이것이 이러한 신호를 시뮬레이션하는 연구가 있는 한 가지 이유입니다.
실제 데이터를 수집하는 데 시간과 에너지가 많이 들 뿐만 아니라 실제로 위험할 수 있다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.
자율 주행 자동차와 같은 로봇 응용 프로그램의 핵심 문제 중 하나는 기계 학습의 물리적 응용 프로그램이라는 것입니다.
실제 세계에 안전하지 않은 모델을 배포하고 관련 데이터가 부족하여 충돌이 발생할 수는 없습니다.
합성 데이터로 데이터 세트를 증강하면 모델이 이러한 문제를 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.
실제 데이터는 프로그래밍할 수 없습니다.
자율 주행차 애플리케이션은 종종 야간 보행자나 도로 중앙을 달리는 자전거 타는 사람과 같이 비교적 “흔하지 않은”(일반적인 주행 조건에 비해) 사건을 처리합니다.
모델은 종종 시나리오를 학습하기 위해 수십만 개 또는 수백만 개의 예가 필요합니다.
한 가지 주요 문제는 수집된 실제 데이터가 품질, 다양성(예: 계층 불균형, 기상 조건, 위치) 및 양 측면에서 원하는 데이터가 아닐 수 있다는 것입니다.
또 다른 문제는 자율 주행 자동차와 로봇의 경우 고정된 데이터 세트와 고정된 벤치마크를 사용하는 기존 머신 러닝 작업과 달리 필요한 데이터를 항상 알 수 없다는 것입니다.
이미지를 체계적으로 또는 무작위로 변경하는 일부 데이터 증강 기술이 도움이 되지만 이러한 기술은 고유한 문제를 일으킬 수 있습니다.
여기서 합성 데이터가 등장합니다. 합성 데이터 생성 API를 사용하면 데이터 세트를 엔지니어링할 수 있습니다.
이러한 API는 로봇을 만들고 현실 세계에서 데이터를 수집하는 데 매우 비용이 많이 들기 때문에 많은 비용을 절약할 수 있습니다.
합성 데이터 세트 생성을 사용하여 데이터를 생성하고 엔지니어링 원리를 파악하는 것이 훨씬 더 좋고 빠릅니다.
실제 데이터로만 학습된 모델은 성능이 충분하지 않습니다(예: 개발 속도가 느림).
산업계에서는 개발과 프로덕션 모두에서 머신 러닝 프로젝트의 실행 가능성 및 성과에 영향을 미치는 요소가 많습니다(예: 데이터 수집, 주석, 모델 학습, 확장, 배포, 모니터링, 모델 재학습 및 개발 속도).
최근 18명의 머신 러닝 엔지니어가 조직과 애플리케이션(예: 자율 주행차, 컴퓨터 하드웨어, 소매, 광고, 추천 시스템 등)에서 일반적인 MLOps 관행과 과제를 이해하는 것을 목표로 하는 인터뷰 연구에 참여했습니다.
연구의 결론 중 하나는 개발 속도의 중요성이었는데, 이는 대략 아이디어를 빠르게 프로토타입화하고 반복하는 능력으로 정의할 수 있습니다.
개발 속도에 영향을 미치는 한 가지 요인은 초기 모델 학습 및 평가를 위한 데이터가 필요하고, 데이터 드리프트, 개념 드리프트 또는 심지어 학습-제공 불균형으로 인해 시간이 지남에 따라 모델 성능이 저하되기 때문에 모델을 자주 재학습해야 한다는 것입니다.
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이 연구는 또한 이러한 필요성으로 인해 일부 조직이 라이브 데이터에 자주 라벨을 지정하는 팀을 구성하게 되었다고 보고했습니다. 이는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 조직이 모델을 자주 재교육하는 능력을 제한합니다.
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합성 데이터는 기계 학습 수명 주기(위 그림)에서 실제 데이터와 함께 사용되어 조직이 모델의 성능을 더 오래 유지하는 데 도움이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
결론
합성 데이터 생성은 머신 러닝 워크플로에서 점점 더 일반화되고 있습니다.
사실, Gartner는 2030년까지 합성 데이터가 머신 러닝 모델을 훈련하는 데 실제 데이터보다 훨씬 더 많이 사용될 것이라고 예측합니다.
이에 대한 자세한 내용은 해당 링크를 참고하시기 바랍니다.
감사합니다.