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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능은 강아지와 고양이를 어떻게 구분할까?

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알고보면 흥미로운 선형대수(linear algebra. 線型代數)

보통 고등학교 때 처음 수학 ‘행렬’을 배운다. 행렬은 다차원적인 숫자의 나열로 2차원인 경우 '(x,y)'로 표현된다. 대부분의 고등학교 수학처럼 왜 배워야 하는지, 어디 쓰는지 그때 알기 어렵다. 그런데 이 행렬 수학이 ‘인공지능 컴퓨터 계산’의 핵심 방법이다.

김정호 카이스트 교수

필자는 대학 2학년때 ‘선형 대수학’이라는 수학과목을 수강했다. 행렬의 수학적 의미와 원리를 배운다. 이 과목은 필자가 대학 때 공부한 과목 중에 가장 감동적이고 재미가 있었다. 수학 논리 전개의 아름다움을 깊이 느끼는 계기가 됐기 때문이다. 전기공학이나, 전자 공학, 전산 과목 또는 물리학 과목이 아니라 ‘수학과목’이었던 기억이 흥미롭고 그 중에서도 선형대수학이라는 과목이라는 점도 지금도 신기하다.

선형대수학에서는 벡터에서 출발해서 행렬의 정의하고 행렬의 기본이 되는 원리들을 순서대로 제시하고 증명한다. 행렬 속의 각 열 벡터가 서로 상호 의존적인가 독립적인가 논의한다. 서로 선형적이면 종속적이고 비선형적이면 독립적이다. 각 열 벡터가 독립적 벡터로 이루어진 행렬은 역행렬이 존재하고 구할 수 있다. 역행렬이 존재하는 행렬은 그 벡터들을 더하고 곱해서 변형하면 대각행렬(Diagonal Matrix, 대각선 부분 숫자만 있고 나머지는 모두 ‘0’인 행렬)가 될 수 있다.

선형대수 과목에서는 이러한 이론들을 처음부터 끝까지 200 여 페이지 책에서 순서대로 빈틈없이 증명한다. 처음부터 끝까지 한 개의 논리적 오점 없이 전체를 증명하고 전개해 간다. 이러한 논리의 완결성이 눈부시기까지 하다. 완벽하게 논리적이다.

행렬의 구성과 곱셈 공식. [출처: 정보통신 기술용어해설]
대각행렬의 구성과 조건. [출처: 정보통신 기술용어해설]

 

강아지와 고양이를 구분하게 해주는 'CNN 알고리즘'


요즈음 행렬 계산이 공학적으로 더욱 중요해 지고 있다. 모든 빅데이터가 디지털로 기록되기 때문이다.

그 중에서도 데이터의 깊이가 크고 정보량이 많은 데이터가 영상 이미지이다. 카메라에서 얻은 이미지는 카메라 센서가 2차원 평면 배열로 되어 있다. 이 배열 자체가 (x,y) 2차원이다. 여기에 색깔 정보, 밝기 정보, 빛의 세기 정보가 더해지면 N 차원 정보가 되고 이를 수학적으로 표시하면 N 차원 행렬이 된다. 그래서 유튜브의 사용이 더욱 확대되면 행렬 계산양도 늘어난다.

인공지능 딥러닝 알고리즘 중에서 영상 이미지 판독에 가장 유효하게 쓰이는 방법이 CNN(Convolution Neural Network) 이라는 알고리즘이다. CNN 에는 여러 개의 신경망 층으로 이루어져 있다. 쉽게 이야기해서 CNN 입력으로 사진이 들어가면 CNN이 강아지인지, 고양이 인지, 곰인지, 사슴인지 찾아 낸다.

그런데 이 CNN 에서 여러 개의 신경망 층(Layer)을 지나면서 각 층의 출력이 단순화되고 추상화 되어 나간다. 이러한 과정을 거치면서 입력이 수천 다차원 행렬이라 하더라도 최종 출력은 ‘동물의 이름’이 되기 때문이다. 이렇게 크기가 큰 행렬을 줄여나가는 과정을 수학적으로 함수 합성곱(Convolution) 이라고 한다. 이 과정은 수식적으로 볼 때 크기가 큰 행렬에 작은 크기의 행렬을 계속 곱해서 얻는다.

이 곱하는 작은 행렬을 필터 행렬이라고 한다. 이렇게 되면 각 신경망 층이 추상화(Abstraction) 과정을 하게 된다. 첫 층의 입력이 사진이라면 2층은 윤곽을 표현하고, 3층은 코, 입, 귀를 판단하고, 뒷 부분 층은 남녀 인종 등을 파악하고 최종적으로 누구인지 파악하는 과정을 거친다. 이처럼 CNN 에서도 학습과정에서 계속해서 행렬 연산이 이루어져 있다.

사진과 영상 분석에 유용한 인공지능 알고리즘인 CNN의 구성도. [출처: Intel]

행렬과 텐서

그러니 인공지능을 위한 프로그램을 만들기 위해 소프트웨어 코딩을 한다는 것은 수많은 행렬연산을 계획된 순서대로 짜는 것과 같다. 특히 인공지능의 학습과정과 ‘판단(Decision)’ 혹은 ‘추론(Inference)’을 내릴 때 수 많은 행렬 연산을 한다. 그래서 인공지능을 연구하고 개발한다는 의미는 행렬 연산에 묻혀 사는 것과 같다.

이처럼 다차원 행렬을 수학에서 텐서(Tensor)라고 부른다. 그러므로 스칼라(Scalar)는 ‘0 텐서’, 벡터(Vector)는 ‘1 텐서’, 행렬은 ‘2 텐서’라고 부르기도 한다. 구글에서 제공하는 인공지능 계산 플랫폼을 텐서 플로우(Tensor Flow) 라고 부르는 것이 이런 배경이 된다. 인공지능에서 다 차원 행렬인 텐서 계산이 딥러닝 층을 지나가면서 쭉 흘러간다. 이 수학적인 과정이 학습과 판단 과정이다.

재미있는 드라마에는 ‘암시’를 주고 되살아나는 과정이 있으며, 이 과정이 드라마의 재미를 더해 준다. 암시는 장면, 만남, 표정, 대사에서 다양하게 나타난다. 특히 드라마 초반에 나타나 미래 전개 과정을 암시한다. 필자가 대학 2학년 때 선형대수 과목에 푹 빠졌던 것은 40년 후 다가올 4차 산업혁명 시대와 인공지능 시대를 암시했는지도 모른다.

구글의 오픈소스 인공지능 플랫폼 텐서 플로우, [출처: Data Flair]

 

 

joungho@kaist.ac.kr


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

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[6·3 지선 Q&A]사전투표 29~30일 [서울=뉴스핌] 송기욱 기자 = 오는 6월 3일 9회 지방선거가 실시된다. 본후보 등록일은 오는 14~15일 오전 9시부터 오후 6시까지다. 사전투표는 5월 29일부터 30일까지 이틀간 진행된다. 유권자가 반드시 알아야 할 투표 시간과 선거운동 기준, 여론조사 공표 금지 기간, 투표 때 유의 사항을 중앙선거관리위원회가 펴낸 책자를 통해 질의응답(Q&A)으로 정리한다.      선거일 투표 시간은 오전 6시부터 오후 6시까지다. 사전투표 역시 오전 6시부터 오후 6시까지 가능하며 거소투표자를 제외한 모든 유권자가 참여할 수 있다. 일반 지역 유권자는 이번 지방선거에서 시·도지사와 교육감, 기초단체장, 광역·기초의원 등을 선출하기 위해 총 7장의 투표용지를 받게 된다. 선거일 전 6일인 5월 28일부터 선거일 투표 마감 시각까지 정당 지지도나 당선인을 예상하게 하는 여론조사 결과 공표·인용 보도가 금지된다. 다만 금지기간 이전 실시된 여론조사 결과는 관련 요건을 준수할 경우 공표할 수 있다. 또 일반 유권자도 문자메시지와 사회관계망서비스(SNS), 인터넷 등을 활용해 선거운동을 할 수 있다. 선거일 당일에는 인터넷·전자우편·문자메시지를 제외한 일체의 선거운동이 금지된다. 기표소 안에서 투표지를 촬영하는 행위 역시 허용되지 않는다. 다음은 6·3 지방선거 관련 꼭 알아야 할 주요 Q&A다. -선거일과 투표 시간은 ▲6월 3일 오전 6시 ~ 오후 6시. 거소·사전 투표자를 제외한 해당 투표구의 선거인. -사전 투표일과 시간은 ▲5월 29일(금) ~ 5월 30일(토) 2일간 오전 6시 ~ 오후 6시. 거소 투표자를 제외한 모든 선거인. 읍·면·동마다 1개소 투표소 설치. -선거일 당일 선거 운동 여부와 금지 사항은 ▲일체의 선거운동 금지. 다만 인터넷·전자우편·문자메시지를 이용한 선거운동은 가능. 투표 마감시각 종료 이전에 선거인에 대해 투표하고자 하는 정당이나 후보자 또는 투표한 정당이나 후보자의 표시 요구 금지. -선거일 후 답례 금지 사항은 ▲금품 또는 향응을 제공하는 행위. 방송·신문 또는 잡지 기타 간행물에 광고하는 행위. 자동차에 의한 행렬을 하거나 다수인이 무리를 지어 거리를 행진하거나 거리에서 연달아 소리 지르는 행위. 다만 공개 장소 연설·대담용 자동차를 이용해 당선 또는 낙선 거리 인사를 하는 것은 가능. 일반 선거구민을 모이게 해 당선 축하회 또는 낙선에 대한 위로회를 개최하는 행위나 현수막을 게시하는 행위는 금지됨. 다만 선거일 다음 날부터 6월 16일까지 13일 동안 읍·면·동마다 1매의 현수막을 게시하는 것은 가능함. -이번 지방선거에서 투표할 수 있는 사람은 ▲선거일 현재 만 18살 이상(2008년 6월 4일까지 출생)의 국민은 선거권이 있음. 공직선거법 제15조 제2항 제3호에 따른 외국인은 지방선거 선거권이 있음. -후보자 기호는 어떻게 결정되나 ▲후보자 기호는 후보자 등록 마감일을 기준으로 국회에 의석을 갖고 있는 정당의 후보, 의석이 없는 정당의 후보, 무소속 후보의 순으로 결정됨. 국회에 의석을 갖고 있는 정당 간의 기호 순위는 다수 의석 순. 의석이 없는 정당 간에는 정당 명칭의 '가나다'순으로 함. 무소속 후보자는 추첨에 의해 기호를 결정함. -후보자 정보는 어떻게 확인할 수 있나 ▲선거관리위원회는 선거인이 올바른 선택을 할 수 있도록 후보자가 제출한 서류를 선거일까지 공개하고 있음. 후보자 등록이 완료되면 인터넷 홈페이지를 통해 후보자 인적사항과 후보자가 제출한 재산신고서, 병역사항 신고서, 학력에 관한 증명서, 세금 납부·체납 사항, 전과기록에 관한 증명서류를 공개함. -공식 선거운동은 언제부터 하나 ▲선거운동기간은 5월 21일부터 선거일 전일인 6월 2일까지임. -후보자나 선거운동 관계자만 선거운동을 할 수 있나 ▲후보자 가족의 선거운동은 1991년, 일반 유권자의 선거운동은 1994년 이후 허용됨. 현행 공직선거법에서는 일반 유권자도 선거운동을 할 수 있음. 선거운동 기간이 아닌 때라도 제한된 방법인 전화 또는 말, 문자메시지, 인터넷 이용 등으로 선거운동을 할 수 있음. -일반 유권자가 할 수 있는 선거운동방법은 어떤 것이 있나 ▲선거운동을 할 수 있는 일반 유권자는 선거일을 포함해 언제든지 문자메시지나 전자우편, 인터넷 홈페이지, 사회관계망서비스(SNS)를 이용해 선거운동을 할 수 있고 선거일이 아닌 때에 전화나 말로 선거운동 할 수 있음. 선거운동기간 중에는 공개 장소에서 특정 정당이나 후보자에 대한 지지를 호소하는 등 법에서 정한 방법으로 선거운동을 할 수 있음. 특정 후보자를 위한 선거운동 자원봉사자로 활동할 수 있음. 선거운동기간 중 길이 25㎝ 너비 25㎝ 높이 25㎝ 이내 소형의 소품등을 본인의 부담으로 제작 또는 구입해 몸에 붙이거나 지니는 방법으로 선거운동을 할 수 있음. 다만 선거운동을 해 주는 대가로 수당·실비나 음식물을 제공받을 수 없음. -일반 유권자가 자신의 소셜미디어에 (예비)후보자를 지지하는 글을 게시해 팔로어에게 전송할 수 있나 ▲선거일을 포함해 언제든지 가능함. -(예비)후보자로부터 받은 선거운동정보를 자신의 팔로어에게 돌려보기(retweet)가 가능한가 ▲선거일을 포함해 언제든지 가능함. -(예비)후보자나 일반 유권자가 자신의 카카오톡 프로필이나 상태 메시지에 (예비)후보자의 사진이나 지지 호소의 글을 게재할 수 있나 ▲선거일을 포함해 언제든지 가능함. 중앙선거관리위원회. [사진=뉴스핌 DB] -거소투표제도란 무엇인가 ▲몸이 불편해 투표소에 가서 투표할 수 없는 선거인 등을 위해 자신이 머무는 자택 등에서 우편으로 투표할 수 있도록 한 제도임. 거소투표를 하려면 거소투표신고를 해야 함. -이번 선거에서 유권자들은 몇 장의 투표용지를 받나 ▲시·도지사 선거, 교육감 선거, 구·시·군 장 선거, 지역구 시·도의원 선거, 비례대표 시·도의원 선거, 지역구 구·시·군의원 선거, 비례대표 구·시·군의원 선거를 포함해 모두 7개 선거가 실시되므로 투표용지도 7장임. 다만 제주특별자치도, 세종특별자치시는 4장(시·도지사 선거, 교육감 선거, 지역구 시·도의원 선거, 비례대표 시·도의원 선거)의 투표용지를 받음. 2026년 4월 30일까지 실시 사유가 확정된 재·보궐선거 지역의 선거인은 재·보궐선거 투표용지를 함께 받음. -본인 투표소 위치를 어떻게 확인할 수 있나 ▲구·시·군 선관위가 각 가정에 발송하는 투표안내문을 확인하면 됨. 지방자치단체의 '선거인명부 열람시스템'을 이용하거나 중앙선거관리위원회 홈페이지 투표소찾기 연결 서비스를 통해 투표소 위치를 확인할 수 있음. -투표하러 갈 때 준비해야 할 것은 ▲주민등록증, 공무원증, 여권, 운전면허증, 국가유공자증, 장애인등록증, 관공서 또는 공공기관이 발행한 사진이 첩부된 신분증 등 선거인 본인 여부를 확인할 수 있는 증명서나 서류가 필요함. 신분증의 모바일 신분증(앱 실행화면)으로도 본인 확인이 가능함. 다만 신분증 등을 사진 촬영하거나 화면 캡처 등을 통해 저장한 이미지 파일은 사용할 수 없음. 각 가정에 발송한 투표안내문에 선거인명부 등재 번호가 기재돼 있음. 등재번호를 확인하고 가시면 투표시간 단축할 수 있음. -선거권이 없는 자녀를 데리고 투표소에 갈 수 있나 ▲선거인은 초등학생 이하의 어린이와 함께 투표소 안에 출입할 수 있음. 다만 기표소 안에는 미취학 아동만 들어갈 수 있음. -신체에 장애가 있어 기표소에서 혼자 기표할 수 없는 경우 어떻게 투표하나 ▲시각장애인과 신체에 장애가 있어 혼자서 기표할 수 없는 선거인은 보조를 위해 그 가족 또는 본인이 지명한 2명을 동반할 수 있음. -거소투표신고를 한 사람은 선거일 투표소에서 투표할 수 없나 ▲거소투표신고를 한 선거인이 거소투표를 하지 않고 선거일에 해당 투표소의 투표관리관에게 거소투표용지와 회송용봉투를 반납하면 투표할 수 있음. 만약 거소투표용지에 기표가 돼 있으면 다시 투표할 수 없음. -기표소 안에서 투표지를 촬영할 수 있나 ▲기표소 안에서 투표지를 촬영할 수 없음. 이는 투표의 비밀을 보장하기 위해서임. 투표인증샷을 찍으시려면 투표소 입구 등에 설치한 포토존이나 투표소 표지판 등을 활용하면 됨. 22대 국회의원선거 사전투표가 시작된 2024년 4월 5일 인천 계양구 계양3동행정복지센터에 마련된 사전투표소에서 군인들이 투표를 하고 있다. [사진=뉴스핌 DB] -SNS에 투표인증샷을 게시할 때 유의해야 할 점은 ▲선거일에 기호를 나타내는 인증샷(엄지손가락, V자 표시 등)을 SNS에 게시할 수 있음. 다만 기표한 투표지를 촬영해 게시해서는 안됨. -선거여론조사 결과 공표가 제한되는 기간이 있나 ▲누구든지 선거일 전 6일(5월 28일)부터 선거일의 투표마감시각까지 선거에 관해 정당에 관한 지지도나 당선인을 예상하게 하는 여론조사(모의투표나 인기투표에 의한 경우 포함)의 경위와 그 결과를 공표하거나 인용해 보도할 수 없음. 다만 선거일 6일 전에 실시된 여론조사 결과는 공표·보도 요건을 준수해 언제든지 보도할 수 있음. -선거에 관한 여론조사 결과를 공표·보도할 때 유의해야 할 사항은 ▲누구든지 선거에 관한 여론조사 결과를 공표 또는 보도하는 경우에는 선거여론조사기준으로 정한 12가지 사항을 함께 공표·보도하여야 함. 조사의뢰자, 선거여론조사기관, 조사지역, 조사일자, 조사대상, 조사방법, 표본의 크기, 피조사자 선정방법, 응답률, 표본오차, 질문내용, 권고 무선 응답비율(무선전화 응답비율이 100분의 70에 미달한 때). 조사의뢰자(언론사 등)는 선거여론조사기관이 첫 공표·보도 전 여론조사 결과를 등록할 수 있도록 해당 여론조사 결과의 공표·보도 예정일시를 여론조사기관에 통보해야 함. 선거여론조사기관은 중앙여심위 홈페이지 등록내용을 의뢰자에게 공표·보도 전까지 통보해야 함. 누구든지 선거에 관한 여론조사 결과를 공표·보도하는 경우에는 중앙여심위 홈페이지에 등록된 내용만 공표·보도해야 함. -이미 발표된 여론조사 결과를 인용해 공표·보도할 때 유의해야 할 사항은 ▲이미 공표·보도된 여론조사 결과를 다시 인용해 공표·보도하는 경우에는 조사의뢰자, 선거여론조사기관, 조사일자, 조사방법과 함께 '그 밖의 사항은 중앙선거여론조사심의위원회 홈페이지 참조'라고 표기해야 함. oneway@newspim.com 2026-05-12 06:00
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
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