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딥페이크 만들던 AI기술로 태양 뒷면 자기장 관측한다

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딥페이크 만들던 AI기술로 태양 뒷면 자기장 관측한다

2019.03.05 01:00
문용재 경희대 우주탐사학과 교수 연구팀은 인공지능을 활용해 세계 최초로 태양 뒷면의 자기장 영상을 생성해내는데 성공했다. 인공지능과 위성을 이용해 3일 간격으로 획득한 극자외선 영상(위)과 자기장 영상(아래). 앞의 두 그림은 인공지능으로 획득한 측면 자기장 영상이고, 나머지 두 그림은 위성을 통해 관측한 자기장 영상이다. 경희대 제공
문용재 경희대 우주탐사학과 교수 연구팀은 인공지능을 활용해 세계 최초로 태양 뒷면의 자기장 영상을 생성해내는데 성공했다. 인공지능과 위성을 이용해 3일 간격으로 획득한 극자외선 영상(위)과 자기장 영상(아래). 앞의 두 그림은 인공지능으로 획득한 측면 자기장 영상이고, 나머지 두 그림은 위성을 통해 관측한 자기장 영상이다. 경희대 제공

한국 과학자들이 가짜 동영상을 만드는데 주로 활용되던 인공지능(AI) 기술을 이용해 태양 뒷면의 자기장을 확인하는 기술을 처음으로 개발했다.

 

문용재 경희대 우주탐사학과 교수 연구팀은 AI를 활용해 태양 뒷면의 자기장 영상을 만드는 기술을 국제학술지 ‘네이처 천문학’ 온라인판에 4일 발표했다. 태양 뒷면의 자기장 활동을 파악하는 기술이 개발된 건 처음이다. 

 

전자기술이 발달하고 우주 개발이 가속화되면서 예상치 못한 비정상적인 자기장으로 피해를 줄 수 있는 태양 활동과 우주 기상 예보의 중요성이 커지고 있다. 우주 기상 예보에 가장 중요한 자료는 태양 자기장 영상이다. 지구에서 보이는 태양의 앞면 자기장 영상은 미국항공우주국(NASA)의 태양활동관측위성(SDO)에 장착된 태양 지진 및 자기 영상장치(HMI)를 통해 볼 수 있다. HMI는 태양의 내부 활동과 핵융합 메커니즘, 자기장 등을 관측하는 장치다.

 

문제는 지구에서는 볼 수 없는 태양의 뒷면을 관측할 수 있어야 예보가 정확해진다는 점이다. NASA는 태양 뒷면을 관측하기 위해 스테레오(STEREO)로 명명된 인공위성 2대를 태양의 뒷면으로 보냈다. 이들 위성은 태양 궤도를 주기적으로 돌며 태양의 뒷면을 관측한다. 하지만 이 위성에는 HMI가 없어 뒷면의 자기장 영상은 볼 수 없었다.

 

연구팀은 AI를 도입해 태양 뒷면의 광학 영상을 바탕으로 자기장 영상을 만드는 새로운 기술을 개발했다. ‘조건부 생성적 적대 신경망(cGANs)’이라는 비지도학습 기술이 활용됐다. cGANs은 두 개의 분리된 신경망으로 구성된다. 하나는 데이터를 통해 영상을 만들어낸다. 또 다른 하나는 영상을 판단하고 실제 데이터와 가장 잘 어울리는지를 판별하는 역할이다. 판별 신경망이 실제 영상과 신경망이 만든 영상의 차이를 계속 확인하며 AI는 실제에 가까운 영상을 만드는 법을 배우게 된다.

 

연구팀은 2011년부터 2017년까지 9월과 10월을 제외한 태양 영상을 AI에 학습시켰다. AI는 SDO위성이 촬영한 광학 영상인 대기영상집합(AIA) 센서 영상과 HMI 영상 4147쌍을 학습했다. 이후 9월과 10월의 광학 영상 825개에 대해 AI가 자기장 영상을 생성하게 하고 실제 자기장 영상과 비교해 정확도를 검증했다. AI가 만든 자기장 영상은 실제 97%의 일치도를 보였다.

 

연구팀은 이를 토대로 AIA 센서와 같은 광학 특성을 갖는 STEREO 위성의 극자외선영상(EUVI) 센서 영상을 AI에 입력했다. AI는 이를 토대로 태양 뒷면의 자기장 영상을 생성해냈다. 연구팀은 태양의 자전 주기를 토대로 예측할 수 있는 흑점의 위치를 통해 뒷면 자기장 영상을 검증해 흑점 위치와 흑점으로 인한 자기장 형태가 뒷면에서도 일치함을 확인했다.

 

GANs 기술이 천문학과 같은 순수과학 분야에 활용된 것은 상당히 이례적이다. GANs 기술은 주로 영상이나 음성신호를 생성하고 일상언어를 배우는 등 공학 분야에 주로 쓰였다. 가짜 동영상을 만드는 기술인 ‘딥페이크’로 잘못 쓰이기도 했다. 문 교수는 “공학 분야에는 많이 쓰이지만 순수과학에는 활용 사례가 거의 없다”며 “이 분야에서는 처음 도입되다 보니 논문 심사과정만 1년이 걸렸다”고 말했다.

 

문 교수는 “이번 연구는 경희대 배성호, 김녹원 컴퓨터공학과 교수, 위성영상분석기업 인스페이스, 한국천문연구원 등 다른 분야와 여러 기관과 협업한 성과”라며 “인공지능은 과학 분야의 여러 난제를 풀기 위한 도구로 활용될 수 있는데 이번 연구는 과학적인 검증 방법을 세밀하게 고려한 만큼 의미가 깊다”고 말했다.

 

문용재 경희대 우주탐사학과 교수. 경희대 제공
문용재 경희대 우주탐사학과 교수. 경희대 제공

 

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