자연어 생성에서 주관적 불확실성 정량화 및 보정에 관하여

핵심 개념

자연어 생성 모델의 불확실성을 정량화하고 보정하는 데 있어 작업 특성을 고려한 유틸리티 기반 접근 방식의 중요성과 효과를 강조합니다.

초록

자연어 생성에서 주관적 불확실성 정량화 및 보정에 관하여

본 논문은 자유 형식 자연어 생성(NLG)에서 언어 모델(LM)의 불확실성 정량화(UQ)에 대한 연구를 다룹니다. 특히, 생성된 응답과 가상의 실제 응답을 비교하는 유사도 측정을 기반으로 유틸리티 함수를 특징짓는 베이지안 결정 이론적 관점을 제시합니다.

기존의 자유 형식 NLG에서의 UQ는 작업과 관련 없는 측면의 변동을 적절히 처리하지 못하여 모델의 실제 성능을 제대로 반영하지 못하는 문제점이 있었습니다. 예를 들어, 토큰 수준 엔트로피와 같은 표준 UQ 측정값은 작업과 관련 없는 측면의 변동에 의해 지배되어 모델의 실제 성능에 대한 정보를 제대로 제공하지 못할 수 있습니다. 또한, 의미적 동등성을 기반으로 하는 기존의 "의미적 불확실성" 접근 방식은 스타일 전이 작업이나 모델이 정답과 여러 독립적인 근거를 확실하게 알고 있지만 어떤 근거를 포함할지에 대한 "불확실성"이 존재하는 QA 작업과 같은 특정 작업에 대해서는 유효하지 않거나 불완전한 특성화를 제공할 수 있습니다.

본 논문에서는 베이지안 결정 이론적 관점에서 위에서 언급한 문제들을 해결하는 보다 일반적인 프레임워크를 제시합니다.
유틸리티 기반 설정
핵심 아이디어는 모델이 생성한 응답 y'과 (실제 또는 가상의) 정답 y 사이의 유사도 측정 S(y', y; I)를 통해 유틸리티 함수를 정량화하는 것입니다. 이러한 설정은 의미적 동등성을 넘어 다양한 작업에 적용 가능하며, 몇 가지 예시를 통해 설명됩니다.

의미적 동등성: S를 entailment를 사용하여 정의하면 의미적 동등성에 기반한 이전 연구를 일반화할 수 있습니다.
전통적인 구조화된 예측 작업: 기계 번역의 경우 어휘 점수(lexical score)와 같이 S를 쉽게 선택할 수 있습니다.
LM을 사용한 평가: 퓨샷 데모 또는 자세한 지침을 기반으로 S를 계산하는 LM을 사용하여 평가를 구현할 수 있는 모든 작업에 적용 가능합니다.
작업 특성을 고려한 주관적 불확실성 측정
LM에 의해 정의된 주관적 불확실성을 정량화하기 위해, 생성된 응답 y가 항상 LM의 예측 분포 pM 하에서 기대 유틸리티를 최대화하도록 선택된다고 가정합니다. 이는 NLG에서 흔히 볼 수 있는 가정이며, 고성능 LM이 베이지안 추론을 근사할 수 있다는 믿음에 의해 뒷받침됩니다. 이러한 가정 하에서, 주관적 불확실성은 베이즈 위험(Bayes risk) 또는 최대 달성 가능 기대 유틸리티로 자연스럽게 특징지어지며, 여기서 행동 공간은 사용 가능한 후보 생성으로 정의됩니다.
작업 특성을 고려한 보정 평가
주관적 불확실성 측정값이 유용하려면 LM이 합리적으로 보정되어야 합니다. 본 논문에서는 작업과 관련된 차이점과 관련 없는 차이점을 구분하고 이를 공식적으로 특성화하는 데 어려움을 겪는 일반적인 NLG 작업에서 보정을 평가하는 방법을 제시합니다. 핵심 아이디어는 LM의 예측 유틸리티가 실제 발생한 유틸리티의 기대값과 일치하는 경우 LM이 보정된 불확실성 개념을 가지고 있다고 간주하는 것입니다. 이를 통해 신뢰도 다이어그램(reliability diagram)과 일반화된 예상 보정 오류(expected calibration error, ECE)를 통해 LM의 보정을 정량화할 수 있습니다.
인컨텍스트 학습에서의 인식론적 불확실성
베이지안 모델링을 사용하면 예측 불확실성을 인식론적 불확실성과 임의적 불확실성으로 분해할 수 있습니다. 인식론적 불확실성은 감소 가능한 불확실성의 비율을 나타내며 데이터 수집을 안내하거나 예측을 개선하기 위해 추가 정보를 가장 효과적으로 사용할 수 있는 시기를 나타낼 수 있습니다. 본 논문에서는 인컨텍스트 학습(ICL)에서 작업 특성을 고려한 인식론적 불확실성을 측정하는 방법을 제시합니다. 이 방법은 베이지안 모델링에 대한 누락된 데이터 관점과 인식론적 불확실성과 초과 위험(excess risk) 간의 연결을 기반으로 합니다.

핵심 통찰 요약

On Subjective Uncertainty Quantification and Calibration in Natural Language Generation

by Ziyu Wang, C... 게시일 arxiv.org 10-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2406.05213.pdf

더 깊은 질문

자연어 생성 모델의 불확실성을 정량화하고 보정하는 데 있어서 사용자의 주관적인 선호도나 편견을 어떻게 반영할 수 있을까요?

자연어 생성 모델의 불확실성 정량화 및 보정 과정에 사용자의 주관적인 선호도나 편견을 반영하는 것은 생성 모델의 개인화 및 성능 향상에 중요한 과제입니다. 다음과 같은 방법들을 고려해볼 수 있습니다.

유틸리티 함수의 개인화: 텍스트에서 사용되는 어휘, 문체, 표현 방식 등 사용자의 선호도를 학습하여 유틸리티 함수 S(y', y; I)를 개인화합니다. 예를 들어, 특정 사용자가 격식 있는 문체를 선호한다면, 격식 있는 문체의 텍스트에 대해 더 높은 유틸리티 값을 부여하도록 모델을 학습시킬 수 있습니다.

선호도 데이터 수집: 사용자의 텍스트 데이터, 평가, 피드백 등을 수집하여 사용자별 선호도 프로필을 구축합니다.
선호도 기반 학습: 수집된 데이터를 사용하여 사용자의 선호도를 반영하는 유틸리티 함수를 학습합니다. 딥러닝 모델의 경우, 사용자 선호도를 나타내는 특징을 추가 입력값으로 사용하거나, 사용자별 가중치를 적용하여 모델을 fine-tuning할 수 있습니다.

편향 완화 기법 적용: 모델 학습 데이터에 내재된 편견을 완화하는 방법들을 통해 생성 모델의 불확실성을 줄일 수 있습니다.

데이터 증강: 편향된 데이터를 재구성하거나 새로운 데이터를 생성하여 학습 데이터의 균형을 맞춥니다.
공정성 제약: 모델 학습 과정에서 공정성을 측정하는 지표를 목적 함수에 추가하여 특정 편향을 줄입니다.
적대적 학습: 편향을 유발하는 특징을 제거하도록 모델을 학습시키거나, 편향된 예측을 구별하도록 모델을 학습시킵니다.

사용자 피드백 기반 강화학습: 사용자의 직접적인 피드백을 통해 모델을 학습시켜 불확실성을 줄이고 선호도를 반영합니다.

피드백 메커니즘 구축: 사용자가 생성된 텍스트에 대해 평가, 수정, 선호도 등을 직접 입력할 수 있는 시스템을 구축합니다.
강화학습 모델 적용: 사용자 피드백을 보상 신호로 사용하여 강화학습을 통해 모델을 학습시킵니다. 사용자 만족도를 높이는 방향으로 모델이 업데이트됩니다.

핵심은 사용자 선호도와 편견을 정량화하고 이를 모델 학습 과정에 통합하는 것입니다. 이를 통해 자연어 생성 모델은 사용자 맞춤형 텍스트를 생성하고, 편향으로 인한 불확실성을 줄여나갈 수 있습니다.

작업 특성을 고려한 유틸리티 함수를 정의하는 것 외에, 자연어 생성 모델의 불확실성을 줄이기 위한 다른 방법은 무엇일까요?

자연어 생성 모델의 불확실성을 줄이는 방법은 크게 데이터, 모델, 학습 방법 개선으로 나누어 볼 수 있습니다. 작업 특성을 고려한 유틸리티 함수 정의는 모델의 출력을 평가하는 척도를 개선하는 것에 가깝습니다. 이 외에도 다양한 방법들을 통해 모델 자체의 불확실성을 줄일 수 있습니다.
1. 데이터 개선:

고품질 데이터 확보: 모델 학습에 사용되는 데이터의 양과 질을 향상시키는 것이 중요합니다. 더 많은 데이터를 사용할수록 모델은 다양한 패턴을 학습할 수 있으며, 노이즈나 오류가 적은 데이터를 사용할수록 모델의 일반화 성능이 향상됩니다.
데이터 증강: 기존 데이터를 활용하여 새로운 데이터를 생성하거나 변형하여 학습 데이터의 양을 늘리는 방법입니다. 다양한 데이터 증강 기법을 통해 모델이 보다 다양한 표현을 학습하고 과적합을 방지할 수 있습니다.
잡음 제거 및 오류 수정: 학습 데이터에 포함된 노이즈, 오류, 편향을 식별하고 제거하거나 수정하여 모델의 정확도를 높입니다. 데이터 정제 과정을 통해 모델이 잘못된 정보를 학습하는 것을 방지하고, 보다 신뢰도 높은 출력을 생성하도록 유도할 수 있습니다.
2. 모델 개선:

더욱 강력한 모델 아키텍처 활용: Transformer 기반 모델 (BERT, GPT-3 등)과 같이 자연어 처리 분야에서 좋은 성능을 보이는 최신 모델 아키텍처를 활용합니다. 최신 모델들은 더 많은 데이터와 복잡한 구조를 처리할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 불확실성을 줄이는 데 효과적입니다.
앙상블 기법: 여러 개의 모델을 학습시킨 후, 각 모델의 예측 결과를 결합하여 최종 예측 결과를 도출하는 방법입니다. 앙상블 기법은 개별 모델의 불확실성을 줄이고, 보다 안정적이고 정확한 예측을 가능하게 합니다.
모델 경량화: 모델의 크기를 줄이고 연산 효율성을 높여 불필요한 계산을 줄이고 과적합을 방지합니다. Pruning, quantization, knowledge distillation 등의 기법을 활용하여 모델의 복잡도를 줄이고 학습 및 추론 속도를 향상시킬 수 있습니다.
3. 학습 방법 개선:

목적 함수 재설계: 모델 학습에 사용되는 목적 함수를 작업 특성에 맞게 재설계하여 모델이 특정 작업에 최적화되도록 합니다. 예를 들어, 번역 작업의 경우 BLEU 점수를 높이는 방향으로, 요약 작업의 경우 ROUGE 점수를 높이는 방향으로 목적 함수를 설정할 수 있습니다.
학습률 스케줄링: 학습 과정 동안 학습률을 조절하여 모델이 지역 최적점에 빠지지 않고 전역 최적점에 도달하도록 유도합니다. 적절한 학습률 스케줄링 기법을 통해 모델의 수렴 속도를 높이고, 보다 안정적인 학습 과정을 확보할 수 있습니다.
Curriculum Learning: 쉬운 데이터부터 어려운 데이터 순서대로 모델을 학습시켜 모델의 학습 효율성을 높이는 방법입니다. Curriculum Learning을 통해 모델이 점진적으로 복잡한 패턴을 학습하고, 과적합을 방지하며 일반화 성능을 향상시킬 수 있습니다.
핵심은 데이터, 모델, 학습 방법을 종합적으로 개선하여 모델의 표현 능력과 일반화 성능을 향상시키는 것입니다. 이를 통해 자연어 생성 모델의 불확실성을 줄이고, 보다 정확하고 신뢰도 높은 텍스트를 생성할 수 있습니다.

예술 창작이나 스토리텔링과 같이 명확한 정답이 없는 자연어 생성 작업에서 불확실성은 어떤 의미를 지닐까요?

예술 창작이나 스토리텔링과 같이 명확한 정답이 없는 자연어 생성 작업에서 불확실성은 단순히 '정답'과의 거리를 의미하는 것이 아니라, 창의성과 다양성의 원천으로 해석될 수 있습니다.

다양한 가능성의 탐색: 불확실성은 모델이 하나의 정답만을 고집하지 않고 다양한 가능성을 탐색하도록 유도합니다. 예술 창작이나 스토리텔링에서 이는 새로운 스타일, 독창적인 표현, 예측 불가능한 전개 등을 가능하게 하여 작품의 재미를 더할 수 있습니다.

예술적 자유와의 공존: 예술 분야에서는 작가의 의도, 감정, 개성이 중요한 요소입니다. 불확실성은 모델이 인간 작가의 창조적인 역할을 완전히 대체하는 것이 아니라, 작가의 의도를 반영하면서도 예측 불가능한 요소를 통해 예술적 자유를 더욱 증진시키는 도구로 활용될 수 있습니다.

독자 참여 유도: 불확실성은 작품에 대한 독자의 다양한 해석과 상상력을 자극하여 작품의 완성도를 높이는 데 기여할 수 있습니다. 열린 결말, 함축적인 표현, 다의적인 메시지 등은 독자의 적극적인 참여를 유도하고 작품에 대한 몰입도를 높이는 요소로 작용할 수 있습니다.

새로운 스타일 창출: 불확실성은 기존 예술 형식이나 문학적 관습에서 벗어나 새로운 스타일과 장르를 탄생시키는 원동력이 될 수 있습니다. 모델이 생성한 예측 불가능한 결과물은 인간 작가에게 신선한 영감을 제공하고 예술적 지평을 넓히는 데 기여할 수 있습니다.

그러나 불확실성이 무조건 긍정적인 결과만을 가져오는 것은 아닙니다.

일관성 부족: 지나치게 높은 불확실성은 작품의 전체적인 흐름을 해치고 일관성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
의도와의 불일치: 모델이 생성한 텍스트가 작가의 의도와 크게 어긋날 경우 작품의 완성도를 저해할 수 있습니다.
따라서 예술 창작이나 스토리텔링에서 불확실성은 적절한 수준으로 조절되어야 합니다. 인간 작가는 모델의 불확실성을 제어하고, 생성된 텍스트를 선별적으로 활용하여 작품의 완성도를 높이는 데 집중해야 합니다.