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TL;DR
객체 탐지 기술은 R-CNN의 2단계 구조에서 YOLO의 1단계 실시간 구조로 발전해 왔으나, 중복된 경계 상자를 제거하는 NMS(Non-Maximum Suppression) 과정이 성능 병목으로 남았다. DETR은 트랜스포머 아키텍처와 이분 매칭 손실을 도입해 NMS를 제거했지만 느린 수렴 속도가 문제였고, 이를 개선한 RT-DETR이 등장하며 실시간 성능을 확보했다. 최신 모델인 YOLOv10은 학습 시에는 풍부한 신호를 위해 일대다 할당을 사용하고 추론 시에는 일대일 할당을 사용하는 '일관된 이중 할당' 방식을 통해 NMS 없이도 높은 정확도와 속도를 동시에 달성했다.
챕터별 상세
객체 탐지의 기본 개념
객체 탐지는 이미지 내 사물의 위치를 경계 상자로 특정하고 종류를 분류하는 기술이다. 자율 주행과 보안 등 실시간성이 중요한 분야에서 핵심적으로 활용된다. 초기 수작업 방식에서 딥러닝 기반으로 발전하며 성능이 비약적으로 향상되었다. 현재는 속도와 정확도 사이의 최적의 균형점을 찾는 것이 주요 연구 목표이다.
R-CNN: 2단계 탐지기의 시작
R-CNN은 선택적 탐색을 통해 약 2,000개의 후보 영역을 먼저 추출한 뒤 CNN으로 특징을 분석하는 2단계 방식이다. 각 영역을 독립적으로 계산하기 때문에 정확도는 높지만 추론 속도가 매우 느려 실시간 적용이 불가능했다. 이후 Fast R-CNN과 Faster R-CNN으로 발전하며 연산량을 줄였으나 여전히 구조적 한계가 존재했다.
YOLO: 실시간 1단계 탐지기의 혁명
YOLO는 이미지를 격자로 나누어 한 번의 연산으로 객체 위치와 클래스를 동시에 예측하는 1단계 방식이다. 전체 이미지를 한 번만 훑기 때문에 실시간 처리가 가능할 정도로 속도가 획기적으로 빨라졌다. 앵커 박스 개념을 도입해 다양한 형태의 객체를 탐지하며 컴퓨터 비전 분야의 표준 모델로 자리 잡았다.
YOLO의 고질적 문제: NMS 병목
YOLO와 같은 모델은 하나의 객체에 대해 여러 개의 중복된 경계 상자를 예측하는 특성이 있다. 이를 해결하기 위해 가장 점수가 높은 박스만 남기는 NMS 후처리가 필수적이지만, 이는 병렬 처리가 어려워 추론 시간을 늦추는 주범이 된다. 특히 객체가 밀집된 환경에서는 정확도가 떨어지고 연산 부하가 급증하는 문제가 발생한다.
DETR: 트랜스포머를 이용한 NMS 제거
DETR은 객체 탐지를 집합 예측 문제로 정의하고 트랜스포머 아키텍처를 도입한 혁신적인 모델이다. 이분 매칭 손실 함수를 사용하여 각 객체당 단 하나의 예측값만 나오도록 강제함으로써 NMS 과정을 완전히 제거했다. 앵커 박스 같은 수작업 설계 요소 없이 엔드투엔드 학습이 가능하다는 장점을 보여주었다.
DETR의 한계와 과제
DETR은 혁신적이었으나 학습 수렴 속도가 매우 느리고 고해상도 이미지 처리에 막대한 연산 비용이 드는 단점이 있었다. 특히 트랜스포머의 어텐션 메커니즘이 모든 픽셀 관계를 계산하기 때문에 실시간 성능을 확보하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연산 효율을 높인 다양한 변형 모델들이 연구되기 시작했다.
RT-DETR: 실시간 트랜스포머 탐지기
RT-DETR은 하이브리드 인코더를 설계하여 DETR의 연산 효율성을 극대화한 실시간 모델이다. 고해상도 특징을 효율적으로 처리하면서도 NMS 없이 정확한 예측을 수행하여 실시간 성능을 확보했다. 벤치마크 결과 동일한 정확도 수준에서 기존 YOLO 모델들보다 더 빠른 추론 속도를 기록하며 트랜스포머의 경쟁력을 입증했다.
YOLOv10: 일관된 이중 할당의 도입
YOLOv10은 NMS를 제거하기 위해 학습 시 일대다 할당과 일대일 할당을 동시에 사용하는 '일관된 이중 할당' 전략을 썼다. 학습 중에는 풍부한 신호를 받지만 추론 시에는 일대일 헤드만 사용하여 후처리 없이 결과를 즉시 출력한다. 이를 통해 지연 시간을 대폭 줄이면서도 최신 성능 지표에서 우수한 성적을 거두었다.
결론 및 향후 전망
객체 탐지 기술은 수작업 요소를 줄이고 모델 스스로 최적의 예측을 수행하는 방향으로 진화하고 있다. YOLOv10은 CNN의 효율성과 트랜스포머의 NMS 제거 장점을 결합한 최신 성과물이다. 사용자는 하드웨어 제약 조건과 정확도 요구 사항에 맞춰 RT-DETR이나 YOLOv10 중 적합한 모델을 선택하여 활용할 수 있다.
용어 해설
- 비최대 억제(NMS)
- — 객체 탐지 모델이 하나의 물체에 대해 여러 개의 경계 상자를 예측했을 때, 신뢰도가 가장 높은 상자만 남기고 나머지를 제거하는 후처리 기법이다. 중복 예측을 효과적으로 제거하지만 병렬 처리가 어렵고 추론 지연 시간을 증가시키는 병목 요인이 된다.
- 이분 매칭(Bipartite Matching)
- — 예측된 집합과 실제 정답 집합 사이의 최적의 일대일 대응 관계를 찾는 알고리즘이다. DETR과 같은 모델에서 중복 없는 예측을 강제하기 위해 사용되며, 이를 통해 NMS와 같은 후처리 과정 없이도 정확한 객체 탐지가 가능해진다.
- 앵커 박스(Anchor Box)
- — 객체 탐지 모델이 다양한 크기와 비율의 물체를 찾기 위해 미리 정의해 둔 참조용 경계 상자 틀이다. 모델은 이 틀을 기준으로 위치를 미세 조정하며 학습하지만, 수작업으로 크기를 설정해야 하고 계산 복잡도를 높이는 단점이 있다.
- 일대다 할당(One-to-Many Assignment)
- — 학습 과정에서 하나의 실제 객체 정답에 대해 여러 개의 예측 박스를 긍정 샘플로 할당하는 방식이다. 모델에 풍부한 학습 신호를 제공하여 수렴 속도를 높이는 데 유리하지만, 추론 시 중복 박스가 생성되어 NMS가 필요하게 된다.
- 엔드투엔드 학습(End-to-End Learning)
- — 입력 데이터부터 최종 결과 출력까지 모든 과정을 하나의 신경망 안에서 처리하고 학습하는 방식이다. 객체 탐지에서는 별도의 후보 영역 추출이나 후처리 단계 없이 이미지 입력만으로 최종 경계 상자를 직접 출력하는 구조를 의미한다.
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원문 발행 2026. 07. 06.수집 2026. 07. 06.출처 타입 YOUTUBE
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