멀티모달 AI

멀티모달성은 인공지능 시스템이 텍스트, 이미지, 오디오, 비디오 등 서로 다른 유형의 데이터, 즉 다양한 모달리티를 동시에 이해하고 처리하며 생성할 수 있는 능력을 의미한다. 이는 단일 모달리티(예: 텍스트만 처리하는 언어 모델)에 국한된 전통적 AI 접근법과 구별되는 핵심 개념이다. 멀티모달 AI의 목표는 인간이 여러 감각을 통합하여 세계를 인지하는 방식과 유사하게, 다양한 형태의 정보를 통합적으로 해석하고 새로운 콘텐츠를 만들어내는 것이다.

멀티모달성은 단순히 여러 입력을 받는 것을 넘어, 모달리티 간의 깊은 상관관계와 의미적 연결을 학습하는 것을 포함한다. 예를 들어, "빨간 사과"라는 텍스트 설명과 해당 사과의 이미지 데이터를 함께 학습함으로써, 시스템은 개념의 시각적 표현과 언어적 표현을 연결 짓는다. 이러한 학습을 통해 모델은 한 모달리티의 정보를 다른 모달리티로 변환(예: 텍스트 설명으로부터 이미지 생성)하거나, 복합적 질문(예: "이 영상에서 남자가 말하는 내용을 요약해줘")에 답변할 수 있는 능력을 갖춘다.

멀티모달 시스템의 구성 요소와 처리 흐름은 다음 표와 같이 요약할 수 있다.

이러한 멀티모달성은 딥러닝과 대규모 언어 모델의 발전, 그리고 방대한 양의 라벨링된 멀티모달 데이터셋의 등장으로 실현 가능해졌다. 이는 AI가 보다 풍부한 맥락을 이해하고, 더 자연스럽고 창의적인 상호작용을 가능하게 하는 기반이 된다.

멀티모달 AI와 생성형 AI의 결합은 단순히 여러 형태의 데이터를 처리하는 것을 넘어, 다양한 입력을 바탕으로 새로운 콘텐츠를 창조하는 시스템을 의미한다. 기존의 생성형 AI가 주로 단일 모달리티(예: 텍스트 생성, 이미지 생성)에 집중했다면, 멀티모달 생성형 AI는 텍스트, 이미지, 음성, 동영상 등 두 개 이상의 서로 다른 모달리티를 입력받거나 출력할 수 있다. 이는 인간의 인지 및 표현 방식에 더 가까운 인공지능을 구현하는 핵심 진전으로 평가받는다.

이 결합의 핵심은 모달리티 간의 깊은 의미적 이해와 변환 능력에 있다. 예를 들어, 사용자가 텍스트로 묘사한 장면을 시각적으로 구현하거나, 업로드한 이미지를 분석하여 그에 맞는 설명문을 생성하는 것이 가능해진다. 이러한 시스템은 일반적으로 대규모의 텍스트-이미지 쌍 데이터로 사전 학습되어, 자연어 설명과 시각적 요소 사이의 복잡한 관계를 학습한다.

주요 작동 방식은 다음과 같이 분류할 수 있다.

이러한 결합은 단순한 기술적 통합을 넘어, 창의성을 지원하는 도구로서의 가능성을 열었다. 디자이너는 언어로 구상한 아이디어를 즉시 시각화할 수 있고, 교육자는 복잡한 개념을 텍스트와 이미지로 동시에 설명하는 자료를 자동 생성할 수 있다. 그러나 동시에 생성된 콘텐츠의 저작권, 사실성 검증, 그리고 학습 데이터에 내재된 사회적 편향이 다중 모달리티를 통해 증폭될 수 있는 윤리적 과제도 함께 제기된다.

트랜스포머 아키텍처는 자연어 처리 분야에서 혁신을 일으킨 후, 멀티모달 AI의 핵심 기반이 되었다. 기존에는 텍스트, 이미지, 음성과 같은 서로 다른 모달리티를 처리하기 위해 별도의 신경망을 설계하고 이들의 출력을 후처리하여 결합하는 방식이 주로 사용되었다. 그러나 트랜스포머의 셀프 어텐션 메커니즘은 이러한 패러다임을 바꾸어, 다양한 형태의 입력 데이터를 하나의 통합된 표현 공간으로 처리할 수 있는 가능성을 열었다.

트랜스포머 기반 통합 모델의 핵심은 모든 모달리티의 데이터를 공통의 '토큰' 시퀀스로 변환하는 것이다. 예를 들어, 이미지는 패치 단위로, 음성은 오디오 임베딩으로, 텍스트는 단어 또는 서브워드 토큰으로 변환된다. 이렇게 생성된 토큰 시퀀스는 모달리티의 구분 없이 하나의 긴 시퀀스로 결합된 후, 통합된 트랜스포머 인코더 또는 디코더에 입력된다. 모델은 시퀀스 내 모든 토큰 간의 관계를 셀프 어텐션을 통해 학습하며, 이 과정에서 텍스트 토큰과 이미지 패치 토큰 간의 의미적 연결을 자연스럽게 발견하게 된다.

이러한 접근법의 주요 장점은 모달리티 간의 깊은 상호작용과 유연한 생성이 가능하다는 점이다. 모델은 단일 아키텍처 내에서 텍스트 설명을 바탕으로 이미지를 생성하거나, 이미지를 분석하여 설명문을 작성하는 등 다양한 크로스모달 작업을 수행할 수 있다. 또한, 새로운 모달리티(예: 3D 메시, 비디오)를 추가하려면 해당 데이터를 토큰화하는 방법만 정의하면 기존 모델 아키텍처를 크게 변경하지 않고도 확장이 가능하다는 장점이 있다.

이 아키텍처는 GPT 시리즈나 DALL-E와 같은 생성 모델뿐만 아니라, 이해 중심의 멀티모달 모델에도 광범위하게 적용된다.

인코더-디코더 구조는 서로 다른 모달리티의 데이터를 처리하고 생성하는 멀티모달 생성형 AI의 핵심 설계 패턴 중 하나이다. 이 구조는 일반적으로 입력 모달리티(예: 텍스트)를 처리하는 인코더와 목표 모달리티(예: 이미지)를 생성하는 디코더로 구성된다. 인코더는 입력 데이터를 고차원의 의미 벡터(잠재 표현)로 압축하고, 디코더는 이 잠재 표현을 해석하여 새로운 형태의 데이터를 생성한다.

이 구조의 주요 장점은 모달리티 간 변환 작업에 특화되어 있다는 점이다. 예를 들어, 텍스트 설명을 이미지로 생성하는 모델에서는 텍스트 인코더가 프롬프트의 의미를 추출하고, 이미지 디코더가 해당 의미를 픽셀 배열로 변환한다. 마찬가지로, 이미지 캡셔닝 모델은 이미지 인코더가 시각적 특징을 추출하고, 텍스트 디코더가 이를 언어적 설명으로 변환한다. 이는 각 모달리티에 최적화된 전문 모듈을 사용함으로써 효율성을 높인다.

트랜스포머 기반 통합 모델과 비교했을 때, 인코더-디코더 구조는 종종 더 명확한 작업 구분과 제어 가능성을 제공한다. 그러나 두 모달리티를 처리하는 모듈이 분리되어 있기 때문에, 모달리티 간의 깊은 의미적 정렬을 학습하는 데 추가적인 설계 노력이 필요하다. 이를 위해 교차 주의 메커니즘이나 공유 잠재 공간 학습 등의 기법이 인코더와 디코더 사이의 브릿지 역할로 활용된다.

멀티모달 AI 모델의 학습에는 텍스트, 이미지, 오디오, 비디오 등 다양한 형태의 데이터가 결합된 대규모 데이터셋이 필수적이다. 이러한 데이터셋은 모델이 서로 다른 모달리티 간의 복잡한 관계와 상관관계를 이해하고 학습할 수 있는 기반을 제공한다. 데이터는 주로 공개된 웹사이트, 디지털 라이브러리, 소셜 미디어 플랫폼 등에서 수집되며, 텍스트-이미지 쌍, 비디오-자막 쌍, 오디오-전사본 쌍과 같은 정렬된 형태로 구성된다.

주요 데이터셋으로는 수억 개의 이미지와 텍스트 설명 쌍으로 구성된 LAION 데이터셋, 다양한 오브젝트 인식 및 시각 질의응답 태스크를 위한 COCO 데이터셋, 그리고 대화, 설명, 질문-답변을 포함한 광범위한 비디오-텍스트 데이터를 제공하는 WebVid 등이 있다. 이러한 데이터셋의 규모와 다양성은 모델의 일반화 성능과 창의성을 결정하는 핵심 요소이다.

데이터의 품질과 정렬 상태는 모델 성능에 직접적인 영향을 미친다. 부정확하거나 노이즈가 많은 텍스트-이미지 쌍은 모델이 잘못된 연관성을 학습하게 할 수 있다[2]. 따라서 데이터 클렌징, 필터링, 재정렬 과정이 학습 전 중요한 전처리 단계로 자리 잡고 있다. 최근에는 단순한 데이터 규모 확장을 넘어, 다양한 문화와 맥락을 포괄하는 데이터의 다양성과 윤리적 데이터 수집에 대한 논의도 활발히 진행되고 있다.

멀티모달 AI 모델의 학습은 대규모의 이질적 데이터를 효과적으로 처리하고 다양한 작업에 일반화할 수 있는 표현을 학습하는 데 중점을 둔다. 이를 위한 핵심 방법론으로 대조 학습과 사전 학습이 결합되어 사용된다. 사전 학습 단계에서는 텍스트, 이미지, 오디오, 비디오 등 다양한 모달리티의 데이터가 쌍(pair) 또는 묶음(alignment)으로 제공되며, 모델은 이들 간의 관계를 스스로 파악하도록 훈련받는다. 예를 들어, 인터넷에서 수집된 '이미지-설명문' 쌍 데이터를 통해 모델은 시각적 내용과 언어적 설명 사이의 대응 관계를 내재적으로 학습하게 된다[3]. 이 과정은 모델이 세상에 대한 풍부한 지식 기반을 구축하는 기초가 된다.

대조 학습은 특히 다양한 모달리티 간의 의미적 유사성을 측정하고 정렬하는 데 핵심적인 역할을 한다. 대표적인 목표 함수인 대조 손실은 정답 쌍(예: 강아지 사진과 "귀여운 강아지"라는 텍스트)의 표현 벡터를 가깝게 만들고, 잘못된 쌍(예: 같은 사진과 무관한 텍스트)의 표현 벡터는 멀어지도록 유도한다. 이를 통해 모델은 서로 다른 형태의 데이터가 동일한 개념을 지칭할 때, 내부 표현 공간에서 그 임베딩 벡터가 가까워지도록 학습한다. 이는 텍스트로 이미지를 검색하거나, 이미지를 설명하는 텍스트를 생성하는 등의 다중 모달리티 작업을 가능하게 하는 기반이 된다.

이러한 학습 패러다임의 효과는 모델의 확장 법칙에 의해 증폭된다. 모델 파라미터, 컴퓨팅 자원, 학습 데이터의 규모가 커질수록 모델의 성능이 예측 가능하게 향상되는 현상이다. 따라서 최신 멀티모달 모델들은 수십억에서 수조 개의 파라미터를 가지며, 수십억 개의 이미지-텍스트 쌍으로 학습된다. 학습이 완료된 모델은 추가적인 미세 조정 없이도 제로샷 또는 퓨샷 학습으로 다양한 다운스트림 작업(예: 시각적 질의응답, 이미지 캡셔닝, 콘텐츠 생성)에 적용될 수 있는 일반화 능력을 보인다.

텍스트-이미지 생성은 멀티모달 AI의 가장 대표적인 응용 분야 중 하나이다. 사용자가 자연어로 묘사한 프롬프트를 입력하면, 모델이 해당 설명에 맞는 시각적 이미지를 생성해낸다. 이 기술은 디퓨전 모델과 트랜스포머 아키텍처의 발전에 힘입어 급속도로 진화했으며, 사진적 사실주의부터 다양한 예술 스타일까지 광범위한 이미지를 만들어낼 수 있다. 생성 과정은 일반적으로 텍스트 프롬프트를 잠재 공간의 표현으로 변환한 후, 이를 점차적으로 노이즈를 제거하며 구체적인 이미지로 변환하는 방식으로 이루어진다.

텍스트 기반 이미지 편집은 생성 기능을 넘어 기존 이미지의 내용을 수정하거나 변형하는 능력을 포함한다. 사용자는 "고양이를 강아지로 바꿔라" 또는 "배경을 해변으로 설정하라"와 같은 지시를 통해 원본 이미지의 특정 요소를 변경할 수 있다. 이는 인페인팅이나 아웃페인팅 같은 기술을 통해 구현된다. 인페인팅은 이미지의 일부 영역을 마스킹한 후, 주변 문맥과 새로운 텍스트 지시에 맞게 해당 부분을 다시 채우는 방식이다.

이러한 기술은 디자인, 광고, 엔터테인먼트 등 다양한 창작 분야에 활용된다. 예를 들어, 제품 디자인의 초기 컨셉 시각화나 게임 개발을 위한 배경 및 캐릭터 원화 생성에 사용된다. 그러나 생성된 이미지의 저작권 문제나, 프롬프트에 포함된 사회적 편향이 결과물에 반영될 수 있는 윤리적 과제도 함께 존재한다.

동영상 생성 및 분석은 멀티모달 AI의 핵심 응용 분야 중 하나로, 시간 축을 포함한 동적 시각 데이터를 이해하고 창조하는 능력을 의미한다. 이는 단일 이미지를 넘어 연속된 프레임 간의 시간적, 공간적 관계를 모델링해야 하므로 기술적 복잡도가 높다. 생성 작업에서는 텍스트, 이미지, 음성 등의 입력을 바탕으로 짧은 클립부터 긴 형식의 동영상을 만들어내며, 분석 작업에서는 동영상 내용을 요약하거나 특정 객체의 행동을 추적하고 분류하는 데 활용된다.

동영상 생성 모델은 주로 확산 모델이나 생성적 적대 신경망을 기반으로 한다. 이 모델들은 대규모의 텍스트-동영상 쌍 데이터로 학습되어, "달리는 강아지" 같은 텍스트 묘사나 스케치 이미지를 입력받아 일관된 물리 법칙과 움직임을 가진 동영상 시퀀스를 생성한다. 최근 모델들은 프레임 간 일관성을 높이고 깜빡임 현상을 줄이는 데 중점을 두며, 생성 품질과 해상도가 빠르게 발전하고 있다.

동영상 분석 분야에서는 컴퓨터 비전과 자연어 처리를 결합한 멀티모달 접근법이 사용된다. 모델은 동영상을 시청하고 그 내용을 설명하는 캡션을 생성하거나, 특정 장면을 검색하고, 감정이나 행동을 분석할 수 있다. 이는 콘텐츠 모더레이션, 의료 영상 분석, 자율 주행 차량의 환경 인식, 미디어 아카이브 관리 등 다양한 실용적인 분야에 적용된다.

이 분야의 주요 과제는 연산 비용이 매우 크고, 장기간의 시간적 의존성을 모델링하기 어렵다는 점이다. 또한 생성된 동영상의 사실성과 윤리적 사용에 대한 논의도 활발히 진행되고 있다.

대화형 멀티모델 에이전트는 자연어를 기반으로 한 대화 인터페이스를 통해 다양한 모달리티의 정보를 이해하고 생성할 수 있는 인공지능 시스템이다. 이 에이전트는 사용자의 텍스트, 음성, 이미지, 동영상 등 복합적인 입력을 받아 처리하고, 상황에 맞는 텍스트 응답과 함께 시각적, 청각적 콘텐츠를 생성하거나 조작할 수 있다. 핵심은 단일 모달리티에 국한되지 않고 맥락을 유지하며 여러 형태의 정보를 통합적으로 다루는 능력에 있다.

주요 기능으로는 멀티모달 질의응답, 상황 인식형 지원, 창의적 협업 등이 있다. 예를 들어, 사용자가 업로드한 이미지를 참조하여 그 내용을 설명하거나, 텍스트 지시를 바탕으로 이미지를 수정하는 작업을 대화 흐름 속에서 자연스럽게 수행할 수 있다. 또한, 문서, 차트, 사진이 혼합된 자료를 분석하여 요약 보고서를 생성하거나, 사용자의 음성 명령에 따라 동영상 하이라이트를 만들어내는 등의 복합 작업이 가능하다[4].

이러한 에이전트의 구현은 대규모 사전 학습된 기초 모델을 핵심 엔진으로 사용하며, RLHF와 같은 기술을 통해 인간의 피드백에 맞춰 조정된다. 향후 발전 방향은 더욱 정교한 상황 이해, 장기적인 대화 메모리 유지, 그리고 실제 세계와의 상호작용을 위한 로보틱스 및 가상 현실 플랫폼과의 통합으로 나아갈 전망이다.

이들은 주로 텍스트-이미지 생성에 특화된 모델로, 사용자의 자연어 프롬프트를 입력받아 고품질의 이미지를 생성하는 것이 주요 기능이다. 각 모델은 고유한 아키텍처와 학습 방식을 채택하며, 접근성과 생성 스타일에서 차별점을 보인다.

Stable Diffusion의 등장은 특히 중요한 전환점이 되었다. 이 모델의 오픈소스 라이선스는 연구자와 개발자들이 모델을 자유롭게 수정하고, 특정 스타일이나 개념에 맞춰 파인튜닝할 수 있는 길을 열었다. 이를 바탕으로 LoRA나 텍스트 인버전 같은 경량화된 학습 기법이 발전하여, 개인 사용자도 비교적 적은 컴퓨팅 자원으로 자신만의 모델을 만들 수 있게 되었다. 이는 생성형 AI의 민주화를 크게 촉진하는 계기가 되었다. 반면, DALL-E와 Midjourney는 폐쇄형 서비스로서 사용자 인터페이스와 생성 품질의 안정성에 중점을 두고 지속적으로 업데이트를 진행하고 있다.

GPT-4V는 OpenAI가 개발한 대규모 언어 모델 GPT-4에 비전 기능을 통합한 멀티모달 모델이다. 텍스트와 이미지를 동시에 입력받아 이해하고, 텍스트로 응답을 생성한다. 사용자는 이미지를 업로드하고 그 내용에 대해 질문하거나, 이미지와 텍스트 지시를 결합한 복잡한 작업을 요청할 수 있다. 이 모델은 이미지에 대한 세부 묘사, 정보 추출, 논리적 추론, 그리고 이미지를 기반으로 한 코드 작성 등 다양한 작업을 수행한다.

Gemini는 Google DeepMind가 개발한 네이티브 멀티모달 모델이다. 텍스트, 코드, 오디오, 이미지, 동영상을 처음부터 통합된 방식으로 설계되어 학습되었다. Gemini는 다양한 크기(Gemini Ultra, Gemini Pro, Gemini Nano)로 제공되며, 모바일 기기에서의 온디바이스 실행을 염두에 두고 최적화되었다. 이 모델은 특히 수학, 물리학, 역사 등 복잡한 분야에 대한 추론 능력과 코드 생성 능력에서 강점을 보인다.

Claude는 Anthropic이 개발한 AI 어시스턴트 모델이다. Claude 3 모델 패밀리(Opus, Sonnet, Haiku)는 강력한 멀티모달 성능을 갖추고 있다. 이미지, 차트, 그래프, 기술 도면 등 다양한 시각 자료를 입력받아 분석하고, 해당 내용을 바탕으로 문서 작성, 요약, Q&A를 수행한다. 이 모델들은 안전성과 편향 감소에 중점을 두고 설계되었으며, 긴 컨텍스트 윈도우를 활용한 대규모 문서 처리에 특화되어 있다.

멀티모달 AI 시스템에서 모달리티 간 정렬 문제는 서로 다른 형태의 데이터(예: 텍스트, 이미지, 오디오)를 처리하는 구성 요소들이 일관되고 정확하게 정보를 연결하고 이해하는 데 발생하는 어려움을 의미한다. 이 문제는 모델이 다양한 입력을 통합적으로 해석하고 응답을 생성하는 핵심 장애물로 작용한다.

정렬 문제는 주로 학습 데이터의 불완전성과 표현 방식의 차이에서 기인한다. 예를 들어, 텍스트 설명 "붉은 사과"와 해당 이미지 데이터가 항상 정확히 쌍을 이루지 않을 수 있으며, 대규모 언어 모델이 이해하는 "행복"의 개념과 이미지 인코더가 추출한 표정의 시각적 특징 사이에는 의미적 간극이 존재할 수 있다[5]. 이러한 불일치는 모델이 텍스트 프롬프트에 맞지 않는 이미지를 생성하거나, 복잡한 이미지를 잘못 설명하는 등의 오류를 유발한다.

이 문제를 해결하기 위해 대조 학습과 정교한 손실 함수를 활용한 공동 임베딩 공간 학습, 교차 모달리티 어텐션 메커니즘 강화 등의 방법이 연구되고 있다. 목표는 텍스트의 의미, 이미지의 시각적 콘텐츠, 소리의 정서적 특징 등이 하나의 통합된 표현 체계 안에서 조화를 이루도록 하는 것이다. 완벽한 정렬은 인공 일반 지능으로 나아가는 중요한 단계로 여겨지지만, 인간의 다중 감각 지각 수준에 도달하기에는 여전히 과제가 남아 있다.

멀티모달 AI 시스템은 학습 데이터에 내재된 사회적, 문화적 편향을 그대로 반영하거나 심지어 증폭시킬 위험이 있다. 예를 들어, 특정 직업군을 묘사할 때 성별이나 인종에 대한 고정관념을 학습한 데이터로 인해 편향된 결과를 생성할 수 있다[6]. 이러한 편향은 모델이 다양한 모달리티의 데이터를 결합하며 더욱 복잡한 형태로 나타날 수 있어 문제의 발견과 수정이 어렵다.

데이터 수집과 학습 과정에서의 윤리적 문제도 중요하다. 대규모 멀티모달 데이터셋을 구축하기 위해 웹에서 수집된 이미지, 텍스트, 비디오에는 개인의 초상권이나 저작권을 침해할 가능성이 있는 콘텐츠가 포함될 수 있다. 또한, 생성된 콘텐츠가 딥페이크와 같은 허위 정보나 조작된 미디어의 생산에 악용될 수 있다는 점은 심각한 사회적 우려를 낳는다.

이러한 문제들을 완화하기 위해 여러 접근법이 시도되고 있다. 학습 데이터의 편향을 감지하고 완화하는 편향 감소 알고리즘 개발, 생성물의 출처를 투명하게 추적할 수 있는 디지털 워터마킹 기술 도입, 그리고 모델의 의사결정 과정을 설명 가능하게 만드는 설명 가능한 AI 연구가 활발히 진행 중이다. 궁극적으로는 기술 개발자, 윤리학자, 정책 입안자 등 다양한 이해관계자가 참여하는 거버넌스 체계의 구축이 필요하다.