강화학습은 사람이 경험을 통해 계속 배우듯, 인공지능 에이전트(학습 주체)가 주어진 환경에서 시행착오를 반복하면서 학습하며, 딥러닝은 인공지능의 한 분야로 사람뇌를 모방하여 학습하고 예측하는 기술입니다. 따라서 같은 것 같지만 기술적 차이는 존재합니다.
강화학습으로 바둑을 이기고, 딥러닝으로 강아지 사진을 찾는다.
강화학습은 보상을 극대화하는 학습을 통해 결과를 얻어내는 것이 목적이며, 딥러닝은 주어진 데이터를 기반으로 패턴을 학습하여 예측해서 결과를 얻어내는 것입니다.
쉽게 예를 들면,
강화학습은 바둑 게임에서 이기기 위해 어떤 수를 둬야 하는지 스스로 학습하는 것이고,
딥러닝은 고양이와 강아지 사진을 보고 고양이와 강아지를 구분하는 방법을 학습하는 것입니다.
강화학습의 핵심 개념
강화학습은 인공지능이 마치 게임을 하듯이 AI 스스로 학습하면서 문제를 해결하는 기술이라고 생각하면 쉽습니다. 즉, 정답이 없는 환경에서 스스로 반복적인 학습을 통해 최적의 방법을 찾아내죠. 이때 반복의 특징은 이기면 보상을 받고 지면 페널티를 받습니다. 이러한 과정을 반복하다 보면 어떻게 하면 이길 확률이 높은지 찾아낼 수 있는 원리이죠.
새로운 것을 시도하고, 그 결과에 따라 행동을 수정하는 과정을 반복합니다. 결국 강화학습이란 기술을 통해 인공지능은 다양한 환경에서 최적의 행동을 찾아낼 수 있게 됩니다.
- 에이전트 : 학습하는 주체로, 그 주체는 게임 캐릭터, 로봇 등 다양한 형태를 가질 수 있습니다.
- 환경 : 에이전트가 상호작용하는 세상입니다. 즉, 게임판, 로봇이 움직이는 공간 등이 될 수 있습니다.
- 행동 : 에이전트가 환경에 영향을 미치는 모든 행위입니다. 게임에서 버튼을 누르거나, 로봇이 팔을 움직이는 등 다양한 행동이 가능합니다.
- 보상 : 에이전트의 행동에 대한 평가이며, 보상이 높을수록 좋은 행동이라고 판단하고 낮을수록 나쁜 행동이라고 판단합니다.
강화학습의 학습과정
- 1단계 초기 상태 : 에이전트는 환경에 대한 정보를 받습니다.
- 2단계 행동 선택 : 에이전트는 현재 상태에서 어떤 행동을 할지 결정합니다.
- 3단계 보상받기 : 선택한 행동에 대한 보상을 받습니다.
- 4단계 정책 업데이트 : 받은 보상을 바탕으로 다음 행동을 더 잘 선택할 수 있도록 정책을 업데이트합니다.
- 5단계 반복 수행 : 1~4단계를 반복하며 점점 더 높은 보상을 얻도록 학습하게 됩니다.
강화 학습의 예를 들면 바둑게임에서 알파고가 인간을 이긴 저력과 로봇이 강화학습을 통해 걷기, 물건 집기 등 다양한 동작을 학습할 수 있습니다. 또한 자율주행 자동차에서도 적용할 수 있는데 강화학습을 통해 최적의 경로를 찾고, 예측하지 못한 상황에 대처할 수 있습니다.
강화학습의 장점과 단점
복잡한 문제를 가진 환경에서 최적의 해결책을 찾을 수 있으며, 많은 데이터가 필요하지 않아도 학습이 가능합니다. 또한 사람의 개입 없이 스스로 학습할 수 있는 점이 장점입니다. 다만, 단점으로는 데이터 학습 시간이 오래 걸리거나 복잡한 문제일수록 모델 설계가 어렵습니다. 결국 강화학습을 위한 보상을 주는 함수 설계가 중요합니다. 결국 잘못된 보상 함수는 학습을 방해할 수 있습니다.
딥러닝의 핵심 개념
딥러닝의 핵심은 인공신경망입니다. 인공신경망은 여러 층으로 구성된 네트워크로, 각 층은 데이터를 처리하고 다음 층으로 전달하는 역할을 합니다. 층이 많을수록 더 복잡한 패턴을 학습할 수 있기 때문에 딥러닝이라는 이름이 붙었습니다.
좀 더 쉽게 말하면, 인간의 뇌를 모방한 인공신경망을 이용하여 데이터 속에서 복잡한 패턴을 학습하는 기술입니다.
인공신경망은 어떻게 생겼을까?
인공 신경망은 우리 뇌가 감각기관을 통해 정보를 받고 분석해서 행동하고 결정하는 과정과 비슷하며, 그 과정은 정보를 입력받아서 처리하고 그 결과를 출력하는 과정을 거칩니다. 크게 세 부분으로 나눌 수 있죠.
1. 입력층
외부에서 들어오는 정보를 받는 부분입니다. 이때 정보라 하면, 이미지 데이터, 텍스트 데이터, 숫자 데이터, 음성 데이터 등이 있습니다. 그림의 경우 수많은 작은 점(픽셀)으로 구성되어 있으며, 빨강, 파랑 등 고유의 값(RGB)을 가지고 있습니다.
결국 이 RGB 값들이 딥러닝의 데이터로 사용되죠. 또 음성의 경우 음압 신호로 데이터화를 합니다. 이 데이터들은 텍스트로 변환되어 AI기술에 활용되는 것입니다. 이러한 텍스트 데이터는 컴퓨터가 이해할 수 있는 숫자 백터로 변환되는 임베딩이라는 과정을 거치죠.
결국 이러한 데이터들을 받는 층을 입력층이라고 부릅니다. 이것은 사람이 만지거나 듣거나 할 때 뇌에서 자연스럽게 정보를 받는 과정과 유사합니다.
2. 은닉층
여러 층으로 구성되어 있으며 받은 정보를 처리하고 다음 층으로 전달하는 역할을 합니다. 사람이 느끼듯이 손의 감각, 주의 환경의 느낌 등을 뇌에서 처리하는 것처럼, 각 입력 데이터에 가중치가 부여되어 처리되는데 이때 그 가중치는 학습 과정을 통해 조정되며, 신경망이 특정 패턴을 학습하는 데 중요한 역할을 합니다.
특정 패턴이라고 하면, 예를 들면, 고양이 사진을 보여주면서 “고양이”라는 라벨을 붙여주는 학습을 반복하면, 인공 신경망은 고양이의 귀, 털, 수염 등의 특징을 추출하여 “고양이”라는 패턴을 학습합니다. 이후 새로운 고양이 사진을 보여주면, 학습된 패턴을 바탕으로 “고양이”라고 판단할 수 있죠.
이때 고양이 이미지 분류에서 신경망이 학습하는 패턴의 예를 들면, 모양, 색깔, 촉감, 배치 등을 고려하게 모델을 구축합니다.
- 모양 : 둥근 얼굴, 뾰족한 귀, 길쭉한 몸체 등의 고양이의 형태
- 색깔 : 털의 색깔, 눈의 색깔 등
- 촉감 : 털의 부드러움, 코의 촉촉함 등
- 배치 : 얼굴과 귀의 위치, 몸과 다리의 연결 방식 등
이러한 특징들을 조합하여 인공 신경망은 고양이를 다른 동물과 구분하는 복잡한 패턴을 학습하는 은닉층을 가지고 있습니다.
결국, 층이 많으면 많을수록 좀 더 섬세하고 표현력이 증가되고 더 복잡한 문제를 해결할 수 있지만, 반대로 과적합 문제가 발생할 가능성도 높습니다. 따라서 적절한 층의 수를 설정하는 것이 중요하죠.
3. 출력층
최종적인 결과를 내보내는 부분입니다. 예를 들어 이미지가 고양이인지 강아지인지 판단하는 문제라면, 출력층에서 고양이일 확률이나 강아지일 확률을 나타내는 값이 나오게 됩니다. 즉, 인공 신경망의 마지막 층으로, 신경망이 학습한 결과를 바탕으로 최종적인 판단을 내리는 부분이죠.
예를 들면, 인공 신경망이 어떤 이미지를 분석한 결과, 고양이일 확률이 0.9, 강이지일 확률이 0.1라고 출력했다면, 이 이미지를 90% 확률로 고양이로 분류할 것입니다.
결과적으로 인공지능에게 고양이 사진과 강아지 사진을 많이 보여주면서 이때 각 사진에 고양이 혹은 강아지라는 정답을 함께 알려주면, 스스로 학습하여 새로운 사진을 보면 고양이와 강아지를 구분할 수 있게 되는 것이죠.
딥러닝이 왜 중요할까?
- 데이터 기반 학습 : 방대한 양의 데이터를 스스로 학습하고 발전합니다.
- 복잡한 문제 해결 : 이미지 인식, 자연어 처리, 음성 인식 등 다양한 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.
- 높은 정확도 : 기존 머신러닝 알고리즘보다 더 높은 정확도를 보여줍니다.
딥러닝은 고양이와 강아지를 구분하는 것처럼, 이미지 속의 객체를 정확하게 분류할 수 있죠. 또한 자연어를 번역할 수 도 있습니다. 영어 문장을 한국어로 번역하는 것처럼, 한 언어에서 다른 언어로 의미를 정확하게 전달할 수 있으며, 사람의 말을 듣고 텍스트로 변환하는 것처럼 음성을 텍스트로 변환할 수 있죠.
따라서 제조업에서는 제품의 불량을 검사하고 공정을 최적화 할 수 있으며, 금융에서는 고객의 행동 분석, 사기 탐지 등을 예방하고, 의료분야에서는 의료 이미지, 영상을 비교 분석해서 진단의 정확성화 효율성을 높일 수 있습니다. 결국 딥러닝으로 인한 새로운 비지니스 모델이 창출되고 있으며 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상하고 있습니다.
딥러닝의 활용 분야
이러한 활용성이 결국 다양한 분야에서 혁신을 이끌고 있습니다.
- 이미지 인식 : 얼굴 인식, 물체 인식, 의료 이미지 분석 등
- 자연어 처리 : 기계 번역, 챗본, 감성 분석 등
- 음성 인식 : 음성 비서, 스마트 스피커 등
- 자율주행 : 주변 환경 인식, 장애물 회피 등
즉, 딥러닝은 머신러닝의 한 종류로 더욱 발전된 형태라고 볼 수 있습니다. 참고로 머신러닝은 데이터를 기반으로 학습하고 예측하는 일반적인 개념이죠.
강화학습과 딥러닝의 차이
| 특징 | 강화학습 | 딥러닝 |
| 학습 방식 | 시행착오를 통한 학습 | 데이터 기반 학습 |
| 학습 방향 | 정해진 정답 없음 | 정해진 정답 있음 |
| 목표 | 환경에서 최대한 보상을 얻기 위한 행동 학습 | 입력 데이터에 대한 정확한 예측 |
| 주요 개념 | 에이전트, 환경, 보상 | 인공신경망, 딥러닝 모델 |
| 활용 분야 | 게임 로봇이 것는 방법 자동차 자율주행 | 이미지 인식 음성 비서 자연어 처리 |
결론적으로, 딥러닝은 정해진 데이터를 기반으로 특정 문제를 해결하는데 더욱 알맞으며, 강화학습은 환경과 상호작용을 하여 스스로 학습하는 데 특화되어 있습니다. 딥러닝은 이미지 인식, 자연어 처리 등 정형화된 문제 해결에 주로 사용되며, 강화학습은 게임, 로봇 제어 등 불확실한 환경에서 최적의 행동을 찾는 문제에 적용됩니다.
이외에, 강화학습과 딥러닝을 결합하여 AI 성능을 극대화할 수 있습니다. 서로 다른 강점을 가지고 있지만, 딥 강화학습이라는 새로운 분야를 통해 서로의 장점을 결합하여 더욱 강력한 인공지능 모델을 만들 수 있습니다. 딥 강화 학습은 딥러닝의 강력한 표현력을 활용하여 강화학습 문제를 해결하며, 복잡한 환경에서도 높은 성능을 보여줄 수 있습니다.
결국, 강화학습과 딥러닝은 각각 다른 강점을 가지고 있으며, 문제의 특성에 따라 적절한 기술을 선택해서 활용하면 강력한 성능을 만들 수 있습니다.