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얼굴 인식의 과학

You Look Familiar. Now Scientists Know Why.

인간의 뇌는 얼굴을 인식하는 놀라운 능력을 갖추고 있다. 수천 분의 1초 만에 얼굴을 식별하고 첫인상을 파악한 후 수십 년 동안 그 기억을 유지할 수 있다. 이 능력의 핵심을 이해하는 것은 오랫동안 뇌가 얼굴 이미지를 인코딩하는지에 관한 퍼즐을 푸는 것이었고 마침내 6월 8일 자 셀(Cell)은 칼텍의 르 창(Le Chang)과 도리스 차오(Doris Y. Tsao)는 뇌가 얼굴을 인식하는 코드를 해독했다고 발표했다.

그 실험은 얼굴 세포의 전기적 기록을 기반으로 수행되었는데, 얼굴 세포는 망막에 얼굴이 비칠 때 폭발적으로 발생하는 전기신호에 반응하는 신경 세포를 지칭하는 이름이다. 마카크 원숭이의 신경 세포가 2,000개의 인간 얼굴에 반응하는 현상을 관측한 칼텍 연구팀은 정확하게 얼굴의 어떤 측면이 이 세포를 활성화하고 어떤 특징이 기록되는지 파악했다. 이 원숭이의 안면 인식 시스템은 사람과 매우 유사하다.

실제로 얼굴을 식별하는데 필요한 세포는 200개에 그쳤다고 밝힌 연구팀은 어떻게 얼굴의 특징이 인코딩되는지 발견한 다음부터는 얼굴 세포가 활성화된 것만으로도 얼굴 이미지를 재구성할 수 있었다. 이 발견은 다른 실험실에서도 검증이 필요하지만 정확한 것으로 결론 나면 모든 사물을 어떻게 인코딩하는지 이해하는데 도움을 주는 것은 물론이고 새로운 차원의 인공 시각을 제시한 것이다.

인간과 원숭이는 안면을 인식하기 위한 전용 시스템을 진화시켜 왔는데, 사회적 동물로서 구성원을 이방인과 구분하는 것이 생존에 필수적인 요소였기 때문인 것으로 짐작된다. 사람과 원숭이 모두 안면 인식 시스템은 적어도 각각 10,000개에 해당하는 얼굴 세포 그룹으로 구성된다. 좌우 뇌에는 6개의 그룹이 귀 바로 뒤쪽의 피질이나 표면에 위치한다.

얼굴이 망막에 비치면, 전기 신호로 변환된다. 이 전기 신호는 5~6개의 신경세포를 거쳐 얼굴 세포에 전달된다. 그 결과 얼굴의 모양과 특징에 관한 높은 수준의 정보를 받게 된다. 뇌는 단순하게 각각의 얼굴에 대응하는 전용 세포를 할당하여 얼굴을 식별할 수도 있다. 실제로 이 세포들은 두뇌의 다른 부분에 존재하며 개별 얼굴 이미지에 반응한다.

신경과학자들에게 제니퍼 애니스톤 세포로 알려진 이 세포들은 2005년에 수술을 받은 간질 환자의 한 세포가 배우의 이미지를 보여줄 때 반응한 이후 발견된 것이다. 셀은 자신과 브래드 피트를 제외한 다른 모든 이미지를 무시했다. 하지만 이것이 뇌가 얼굴을 식별하는 방법은 될 수 없는데, 우리는 한 번도 보지 못한 얼굴을 인지할 수 있기 때문이다. 칼텍 연구팀이 발견한 것은 얼굴 세포가 얼굴의 차원와 특징 같은 것에 대해 추상적이지만 우아하고 단순한 방법으로 대응한다는 것이다.

마카크 원숭이의 뇌를 자기공명영상으로 관측하여 처음으로 얼굴 세포 그룹을 식별한 연구팀은 개별 얼굴 세포를 미세 전극으로 측정하고 신호를 기록했다. 원숭이들에게 보여준 사진은 대칭적으로 조작하여 다른 크기와 얼굴 특징을 갖도록 한 것이었다. 뇌세포는 종종 연속되는 사진에 대해 높은 수준을 유지했으며 그 세포가 무엇을 의미하는지 판단하는 것이 어려워졌다. 칼텍 연구팀은 개별 얼굴 세포가 어떤 사진에 반응했는지를 정확하게 보여주는 얼굴을 만들어 낼 수 있었다.

각 얼굴 세포를 미세 조정은 얼굴 차원의 조합으로 나타났는데, 전체적인 시스템으로 볼 때 면도를 한 후에 얼마 동안 친구들이 못 알아보는 이유를 설명해준다. 얼굴을 인식하는데 있어 이와 같은 50개의 얼굴 차원이 필요한 것으로 파악되었다. 이 차원은 정신적인 얼굴 공간(face space)을 생성하여 무한대의 얼굴을 인식할 수 있게 한다. 기본적으로 평균적인 얼굴이나 유사한 형태가 존재할 수 있고 그 기본 수치에서 벗어난 정도를 뇌가 측정하는 것으로 볼 수 있다.

최근 만난 얼굴은 1차원에서 평균 얼굴보다 5유닛 정도 벗어나고 다른 차원에서는 7유닛 정도 벗어난 것 등으로 파악한다. 각 얼굴 세포는 약 6차원 벡터를 조합하여 인식한다. 이런 얼굴 세포 200개가 보낸 신호를 통해 고유한 얼굴을 식별하는 것이다. 머신러닝의 발전으로 신경망을 컴퓨터로 모사하는 것이 가능해졌다. 하지만 어떻게 그 결과를 얻는지는 여전히 블랙박스로 남아 있다.

이런 이유로 신경과학은 뇌가 블랙박스라는 비관적인 시선을 받기도 한다. 논문의 저자 차오 박사는 “하지만 이번 연구는 그 반례를 제공하는 것으로 시각 시스템에서 신경세포의 신호를 분석하여 얼굴 인식이 블랙박스가 아님을 보여준 것이다. 뇌에서도 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 본다”고 말했다.

인간이 컴퓨터보다 뛰어난 영역으로 간주되어 왔던 이미지 처리의 고차원 기술인 안면 인식의 원리가 밝혀져 컴퓨터로 정확한 재구성이 가능해졌다. 이제 많은 고객의 얼굴을 기억하는 일은 경험이 많은 직원이 아니라 인공지능 컴퓨터의 몫이 될 것으로 보인다.

 
관련연구자: Le Chang and Doris Y. Tsao

관련기관: Caltech

본문키워드(한글): 안면인식, 인공지능, 머신러닝, 신경망, 얼굴세포

본문키워드(영문): facial recognition, AI, machine learning, neuron, face cell

국가: 미국

원문출판일: 2017-06-01

출처: https://www.nytimes.com/2017/06/01/science/facial-recognition-brain-neurons.html?_r=0