텍스트 요약(Text Summarization)이란 위 그림과 같이 긴 길이의 문서(Document) 원문을 핵심 주제만으로 구성된 짧은 요약(Summary) 문장들로 변환하는 것을 말한다. 상대적으로 큰 텍스트인 뉴스 기사로 작은 텍스트인 뉴스 제목을 만들어내는 것이 텍스트 요약의 대표적인 예로 볼 수 있다.
이때 중요한 것은 요약 전후에 정보 손실 발생이 최소화되어야 한다는 점이다. 이것은 정보를 압축하는 과정과 같다. 비록 텍스트의 길이가 크게 줄어들었지만, 요약문은 문서 원문이 담고 있는 정보를 최대한 보존하고 있어야 한다. 이것은 원문의 길이가 길수록 만만치 않은 어려운 작업이 된다. 사람이 이 작업을 수행한다 하더라도 긴 문장을 정확하게 읽고 이해한 후, 그 의미를 손상하지 않는 짧은 다른 표현으로 원문을 번역해 내야 하는 것이다.
그렇다면 요약 문장을 만들어 내려면 어떤 방법을 사용하면 좋을까? 여기서 텍스트 요약은 크게 추출적 요약(Extractive Summarization)과 추상적 요약(Abstractive Summarization)의 두가지 접근으로 나누어볼 수 있다.
(1) 추출적 요약(Extractive Summarization)
첫번째 방식인 추출적 요약은 단어 그대로 원문에서 문장들을 추출해서 요약하는 방식이다. 가령, 10개의 문장으로 구성된 텍스트가 있다면, 그 중 핵심적인 문장 3개를 꺼내와서 3개의 문장으로 구성된 요약문을 만드는 식이다. 그런데 꺼내온 3개의 문장이 원문에서 중요한 문장일 수는 있어도, 3개의 문장의 연결이 자연스럽지 않을 수는 있다. 결과로 나온 문장들 간의 호응이 자연스럽지 않을 수 있다는 것이다. 딥 러닝보다는 주로 전통적인 머신 러닝 방식에 속하는 텍스트랭크(TextRank)와 같은 알고리즘을 사용한다.
(2) 추상적 요약(Abstractive Summarization)
두번째 방식인 추상적 요약은 추출적 요약보다 좀 더 흥미로운 접근을 사용한다. 원문으로부터 내용이 요약된 새로운 문장을 생성해내는 것이다. 여기서 새로운 문장이라는 것은 결과로 나온 문장이 원문에 원래 없던 문장일 수도 있다는 것을 의미한다. 자연어 처리 분야 중 자연어 생성(Natural Language Generation, NLG)의 영역인 셈이다. 반면, 추출적 요약은 원문을 구성하는 문장 중 어느 것이 요약문에 들어갈 핵심문장인지를 판별한다는 점에서 문장 분류(Text Classification) 문제로 볼 수 있을 것이다.
인공 신경망으로 텍스트 요약 훈련시키기
seq2seq 모델을 통해서 Abstractive summarization 방식의 텍스트 요약기를 만들어보자. seq2seq은 두 개의 RNN 아키텍처를 사용하여 입력 시퀀스로부터 출력 시퀀스를 생성해내는 자연어 생성 모델로 주로 뉴럴 기계번역에 사용되지만, 원문을 요약문으로 번역한다고 생각하면 충분히 사용 가능할 것이다.
seq2seq 개요
원문을 첫번째 RNN인 인코더로 입력하면, 인코더는 이를 하나의 고정된 벡터로 변환한다. 이 벡터를 문맥 정보를 가지고 있는 벡터라고 하여 컨텍스트 벡터(context vector)라고 한다. 두번째 RNN인 디코더는 이 컨텍스트 벡터를 전달받아 한 단어씩 생성해내서 요약 문장을 완성한다.
LSTM과 컨텍스트 벡터
LSTM이 바닐라 RNN과 다른 점은 다음 time step의 셀에 hidden state뿐만 아니라, cell state도 함께 전달한다는 점이다. 다시 말해, 인코더가 디코더에 전달하는 컨텍스트 벡터 또한 hidden state h와 cell state c 두 개의 값 모두 존재해야 한다는 뜻이다.
시작 토큰과 종료 토큰
[시작 토큰 SOS와 종료 토큰 EOS는 각각 start of a sequence와 end of a sequence를 나타낸다]
seq2seq 구조에서 디코더는 시작 토큰 SOS가 입력되면, 각 시점마다 단어를 생성하고 이 과정을 종료 토큰 EOS를 예측하는 순간까지 멈추지않는다. 다시 말해 훈련 데이터의 예측 대상 시퀀스의 앞, 뒤에는 시작 토큰과 종료 토큰을 넣어주는 전처리를 통해 어디서 멈춰야하는지 알려줄 필요가 있다.
어텐션 메커니즘을 통한 새로운 컨텍스트 벡터 사용하기
기존의 seq2seq는 인코더의 마지막 time step의 hidden state를 컨텍스트 벡터로 사용했다. 하지만 RNN 계열의 인공 신경망(바닐라 RNN, LSTM, GRU)의 한계로 인해 이 컨텍스트 정보에는 이미 입력 시퀀스의 많은 정보가 손실이 된 상태가 된다.
이와 달리, 어텐션 메커니즘(Attention Mechanism)은 인코더의 모든 step의 hidden state의 정보가 컨텍스트 벡터에 전부 반영되도록 하는 것이다. 하지만 인코더의 모든 hidden state가 동일한 비중으로 반영되는 것이 아니라, 디코더의 현재 time step의 예측에 인코더의 각 step이 얼마나 영향을 미치는지에 따른 가중합으로 계산되는 방식이다.
여기서 주의해야 할 것은, 컨텍스트 벡터를 구성하기 위한 인코더 hidden state의 가중치 값은 디코더의 현재 스텝이 어디냐에 따라 계속 달라진다는 점이다. 즉, 디코더의 현재 문장 생성 부위가 주어부인지 술어부인지 목적어인지 등에 따라 인코더가 입력 데이터를 해석한 컨텍스트 벡터가 다른 값이 된다. 이와 달리, 기본적인 seq2seq 모델에서 컨텍스트 벡터는 디코더의 현재 스텝 위치에 무관하게 한번 계산되면 고정값을 가진다.
인물사진 모드란, 피사체를 촬영할 때 배경이 흐려지는 효과를 넣어주는 것을 이야기 한다. 물론 DSLR의 아웃포커스 효과와는 다른 방식으로 구현한다.
핸드폰 카메라의 인물사진 모드는 듀얼 카메라를 이용해 아웃포커싱 기능을 흉내낸다.
DSLR에서는 사진을 촬영할 때 피사계 심도(depth of field, DOF)를 얕게 하여 초점이 맞은 피사체를 제외한 배경을 흐리게 만든다.
핸드폰 인물사진 모드는 화각이 다른 두 렌즈를 사용한다. 일반(광각) 렌즈에서는 배경을 촬영하고 망원 렌즈에서는 인물을 촬영한 뒤 배경을 흐리게 처리한 후 망원 렌즈의 인물과 적절하게 합성한다.
인물사진 모드에서 사용되는 용어
한국에서는 배경을 흐리게 하는 기술을 주로 '아웃포커싱'이라고 표현한다. 하지만 아웃포커싱은 한국에서만 사용하는 용어이고 정확한 영어 표현은 얕은 피사계 심도(shallow depth of field) 또는 셸로우 포커스(shallow focus) 라고 한다.
학습 목표
딥러닝을 이용하여 핸드폰 인물 사진 모드를 모방해본다.
셸로우 포커스 만들기
(1) 사진준비
하나의 카메라로 셸로우 포커스(shallow focus)를 만드는 방법은 다음과 같다.
이미지 세그멘테이션(Image segmentation) 기술을 이용하면 하나의 이미지에서 배경과 사람을 분리할 수 있다. 분리된 배경을 블러(blur)처리 후 사람 이미지와 다시 합하면 아웃포커싱 효과를 적용한 인물사진을 얻을 수 있다.
# 필요 모듈 import
import cv2
import numpy as np
import os
from glob import glob
from os.path import join
import tarfile
import urllib
from matplotlib import pyplot as plt
import tensorflow as tf
# 이미지 불러오기
import os
img_path = os.getenv('HOME')+'/aiffel/human_segmentation/images/2017.jpg' # 본인이 선택한 이미지의 경로에 맞게 바꿔 주세요.
img_orig = cv2.imread(img_path)
print (img_orig.shape)
(2) 세그멘테이션으로 사람 분리하기
배경에만 렌즈흐림 효과를 주기 위해서는 이미지에서 사람과 배경을 분리해야 한다. 흔히 포토샵으로 '누끼 따기'와 같은 작업을 이야기한다.
세그멘테이션(Segmentation)이란?
이미지에서 픽셀 단위로 관심 객체를 추출하는 방법을 이미지 세그멘테이션(image segmentation) 이라고 한다. 이미지 세그멘테이션은 모든 픽셀에 라벨(label)을 할당하고 같은 라벨은 "공통적인 특징"을 가진다고 가정한다. 이 때 공통 특징은 물리적 의미가 없을 수도 있다. 픽셀이 비슷하게 생겼다는 사실은 인식하지만, 우리가 아는 것처럼 실제 물체 단위로 인식하지 않을 수 있다. 물론 세그멘테이션에는 여러 가지 세부 태스크가 있으며, 태스크에 따라 다양한 기준으로 객체를 추출한다.
시멘틱 세그맨테이션(Semantic segmentation)이란?
세그멘테이션 중에서도 특히 우리가 인식하는 세계처럼 물리적 의미 단위로 인식하는 세그멘테이션을 시맨틱 세그멘테이션 이라고 한다. 쉽게 설명하면 이미지에서 픽셀을 사람, 자동차, 비행기 등의 물리적 단위로 분류(classification)하는 방법이라고 할 수 있다.
인스턴스 세그멘테이션(Instance segmentation)이란?
시맨틱 세그멘테이션은 '사람'이라는 추상적인 정보를 이미지에서 추출해내는 방법이다. 그래서 사람이 누구인지 관계없이 같은 라벨로 표현이 된다. 더 나아가서 인스턴스 세그멘테이션은 사람 개개인 별로 다른 라벨을 가지게 한다. 여러 사람이 한 이미지에 등장할 때 각 객체를 분할해서 인식하자는 것이 목표이다.
이미지 세그멘테이션의 간단한 알고리즘 : 워터쉐드 세그멘테이션(watershed segmentation)
이미지에서 영역을 분할하는 가장 간단한 방법은 물체의 '경계'를 나누는 것이다. 이미지는 그레이스케일(grayscale)로 변환하면 0~255의 값을 가지기 때문에 픽셀 값을 이용해서 각 위치의 높고 낮음을 구분할 수 있다. 따라서 낮은 부분부터 서서히 '물'을 채워 나간다고 생각할 때 각 영역에서 점점 물이 차오르다가 넘치는 시점을 경계선으로 만들면 물체를 서로 구분할 수 있게 된다.
(3) 시멘틱 세그멘테이션 다뤄보기
세그멘테이션 문제에는 FCN, SegNet, U-Net 등 많은 모델이 사용된다. 오늘은 그 중에서 DeepLab이라는 세그멘테이션 모델을 만들고 모델에 이미지를 입력할 것이다. DeepLab 알고리즘(DeepLab v3+)은 세그멘테이션 모델 중에서도 성능이 매우 좋아 최근까지도 많이 사용되고 있다.
# DeepLabModel Class 정의
class DeepLabModel(object):
INPUT_TENSOR_NAME = 'ImageTensor:0'
OUTPUT_TENSOR_NAME = 'SemanticPredictions:0'
INPUT_SIZE = 513
FROZEN_GRAPH_NAME = 'frozen_inference_graph'
# __init__()에서 모델 구조를 직접 구현하는 대신, tar file에서 읽어들인 그래프구조 graph_def를
# tf.compat.v1.import_graph_def를 통해 불러들여 활용하게 됩니다.
def __init__(self, tarball_path):
self.graph = tf.Graph()
graph_def = None
tar_file = tarfile.open(tarball_path)
for tar_info in tar_file.getmembers():
if self.FROZEN_GRAPH_NAME in os.path.basename(tar_info.name):
file_handle = tar_file.extractfile(tar_info)
graph_def = tf.compat.v1.GraphDef.FromString(file_handle.read())
break
tar_file.close()
with self.graph.as_default():
tf.compat.v1.import_graph_def(graph_def, name='')
self.sess = tf.compat.v1.Session(graph=self.graph)
# 이미지를 전처리하여 Tensorflow 입력으로 사용 가능한 shape의 Numpy Array로 변환합니다.
def preprocess(self, img_orig):
height, width = img_orig.shape[:2]
resize_ratio = 1.0 * self.INPUT_SIZE / max(width, height)
target_size = (int(resize_ratio * width), int(resize_ratio * height))
resized_image = cv2.resize(img_orig, target_size)
resized_rgb = cv2.cvtColor(resized_image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
img_input = resized_rgb
return img_input
def run(self, image):
img_input = self.preprocess(image)
# Tensorflow V1에서는 model(input) 방식이 아니라 sess.run(feed_dict={input...}) 방식을 활용합니다.
batch_seg_map = self.sess.run(
self.OUTPUT_TENSOR_NAME,
feed_dict={self.INPUT_TENSOR_NAME: [img_input]})
seg_map = batch_seg_map[0]
return cv2.cvtColor(img_input, cv2.COLOR_RGB2BGR), seg_map
preprocess()는 전처리, run()은 실제로 세그멘테이셔는 하는 함수이다. input tensor를 만들기 위해 전처리를 하고, 적절한 크기로 resize하여 OpenCV의 BGR 채널은 RGB로 수정 후 run()함수의 input parameter로 사용된다.
# Model 다운로드
# define model and download & load pretrained weight
_DOWNLOAD_URL_PREFIX = 'http://download.tensorflow.org/models/'
model_dir = os.getenv('HOME')+'/aiffel/human_segmentation/models'
tf.io.gfile.makedirs(model_dir)
print ('temp directory:', model_dir)
download_path = os.path.join(model_dir, 'deeplab_model.tar.gz')
if not os.path.exists(download_path):
urllib.request.urlretrieve(_DOWNLOAD_URL_PREFIX + 'deeplabv3_mnv2_pascal_train_aug_2018_01_29.tar.gz',
download_path)
MODEL = DeepLabModel(download_path)
print('model loaded successfully!')
위 코드는 구글이 제공하는 pretrained weight이다. 이 모델은 PASCAL VOC 2012라는 대형 데이터셋으로 학습된 v3 버전이다.
# 이미지 resize
img_resized, seg_map = MODEL.run(img_orig)
print (img_orig.shape, img_resized.shape, seg_map.max()) # cv2는 채널을 HWC 순서로 표시
# seg_map.max() 의 의미는 물체로 인식된 라벨 중 가장 큰 값을 뜻하며, label의 수와 일치
# PASCAL VOC로 학습된 label
LABEL_NAMES = [
'background', 'aeroplane', 'bicycle', 'bird', 'boat', 'bottle', 'bus',
'car', 'cat', 'chair', 'cow', 'diningtable', 'dog', 'horse', 'motorbike',
'person', 'pottedplant', 'sheep', 'sofa', 'train', 'tv'
]
len(LABEL_NAMES)
# 사람을 찾아 시각화
img_show = img_resized.copy()
seg_map = np.where(seg_map == 15, 15, 0) # 예측 중 사람만 추출 person의 label은 15
img_mask = seg_map * (255/seg_map.max()) # 255 normalization
img_mask = img_mask.astype(np.uint8)
color_mask = cv2.applyColorMap(img_mask, cv2.COLORMAP_JET)
img_show = cv2.addWeighted(img_show, 0.6, color_mask, 0.35, 0.0)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img_show, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.show()
(4) 세그멘테이션 결과를 원래 크기로 복원하기
DeepLab 모델을 사용하기 위해 이미지 크기를 작게 resize했기 때문에 원래 크기로 복원해야 한다.
cv2.resize() 함수를 이용하여 원래 크기로 복원하였다. 크기를 키울 때 보간(interpolation)을 고려해야 하는데, cv2.INTER_NEAREST를 이용하면 깔끔하게 처리할 수 있지만 더 정확하게 확대하기 위해 cv2.INTER_LINEAR를 사용하였다.
결과적으로 img_mask_up 은 경계가 블러된 픽셀값 0~255의 이미지를 얻는다. 확실한 경계를 다시 정하기 위해 중간값인 128을 기준으로 임계값(threshold)을 설정하여 128 이하의 값은 0으로 128 이상의 값은 255로 만들었다.
(5) 배경 흐리게 하기
# 배경 이미지 얻기
img_mask_color = cv2.cvtColor(img_mask_up, cv2.COLOR_GRAY2BGR)
img_bg_mask = cv2.bitwise_not(img_mask_color)
img_bg = cv2.bitwise_and(img_orig, img_bg_mask)
plt.imshow(img_bg)
plt.show()
bitwise_not : not 연산하여 이미지 반전
bitwise_and : 배경과 and 연산하여 배경만 있는 이미지를 얻을 수 있다.
# 이미지 블러처리
img_bg_blur = cv2.blur(img_bg, (13,13))
plt.imshow(cv2.cvtColor(img_bg_blur, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.show()
(6) 흐린 배경과 원본 영상 합성
# 255인 부분만 원본을 가져온 후 나머지는 blur 이미지
img_concat = np.where(img_mask_color==255, img_orig, img_bg_blur)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img_concat, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.show()
회고록
평소에 사진을 취미로 하고 있어서 이번 과제를 이해하는 것이 어렵지 않았다.
이미지 세그멘테이션에 대해 단어만 알고 정확히 어떤 역할을 하는 기술인지 잘 몰랐는데 이번 학습을 통해 확실하게 알 수 있었다.
이미지를 블러처리 하는 과정에서 인물과 배경의 경계 부분도 같이 블러처리 되어버리기 때문에 나중에 이미지를 병합하는 과정에서 배경에 있는 인물 영역이 실제 사진의 인물 영역보다 넓어져 병합 후의 이미지에서 경계 주위로 그림자(?)가 지는 것 같은 현상을 볼 수 있었다.
앞으로 자율주행이나 인공지능을 이용해서 자동화 할 수 있는 부분에는 어디든 사용될 수 있을 법한 그런 기술인 것 같다.
이 기술을 이용해서 병, 캔, 플라스틱 과 같은 재활용 쓰레기를 구분할 수 있다고 하면, 환경 분야에서도 쓸 수 있지 않을까...? 그 정도로 구분하는 것은 어려울 것 같긴 하다.
jupyter notebook에서 생성된 이미지를 깔끔하게 보이도록 정리하려고 html을 이용하여 사진을 정렬했었는데 github에선 html style이 무시된다는 것을 알게되어 3시간 정도를 이미지 정렬하는 데 썼다... 결국 안 된다는 것을 깨닫고 pyplot을 이용해서 비교하였다.
