DRL在计算机视觉、机器学习等领域的应用 Deep Reinforcement Learning for Atari Games
作者:禅与计算机程序设计艺术
1.简介
强化学习(Reinforcement Learning, RL)作为机器学习领域中的一个重要方向,在过去几十年里已经取得了显著的发展。
我们将会探讨
2.基本概念术语说明
2.1 概念说明
强化学习(Reinforcement Learning, RL)是一种在复杂动态系统中优化决策的机器学习方法。其机制基于智能体与环境之间的互动关系,在此过程中智能体通过执行特定行为以影响环境的变化,并根据所获得反馈不断调整策略以实现更高的效率。其独特之处在于无需完全掌握环境模型即可进行策略更新和优化。与其他机器学习算法相比,在RL中智能体能够适应不同环境并做出最优决策的能力尤为突出。因此强化学习被视为现代优化领域中的新兴技术
在强化学习过程中,状态空间、动作空间以及奖励机制构成了系统的三大要素。其中状态空间描述了系统当前所处的所有可能情况;动作空间则包含了系统可采取的所有可能行为;而奖励机制则决定了每种行为所对应的反馈评价。具体而言,在每个训练周期内智能体将采取一系列预设的动作序列向环境发送指令,并根据系统的反馈获得相应的奖励信号。这些信息将被用来重新定义当前的动作策略直至达到最优解的过程
强化学习的核心目标是实现长期最大化累积奖励这一理想状态。为此算法设计者必须平衡好探索与开发的关系:即在保证已有知识基础上尽量追求高回报的同时也不可固步自封而需持续尝试新策略以获取未知的信息收益。这种双重需求使得RL算法既具有理论深度又具备强大的应用价值
2.2 术语说明
2.2.1 DQN
该研究基于Deep Q-Network框架由DeepMind团队于2013年开展。该研究的核心概念在于通过神经网络自动生成状态转移机制并将神经网络用于构建Q-Function模型从而实现端到端的强化学习过程。其显著特征在于能够在完整状态信息下直接推断出目标动作(action)而无需依赖传统函数逼近技术。同时在参数数量缩减的同时也能有效降低计算资源消耗的水平上为此方法提供了更高的效率优势。如今在Atari游戏领域中已有广泛的应用基础并且在其最新两个主要版本中都取得了显著成效
2.2.2 DPG
这项研究由DeepMind团队于2016年完成。其核心理念在于通过强化学习方法训练出既能迅速反应又能保持稳定性的智能体。其算法流程与DQN方法相似,但对其策略参数施加了严格的限制条件,从而使得智能体仅能采取确定性动作。其主要目标是为了解决DQN方法存在的启动阶段不足的问题。目前而言,已证实其在处理一系列复杂控制问题方面具有显著效果,例如,在机器人运动规划这样的复杂控制领域中。
2.2.3 DDPG
Deep Deterministic Policy Gradient(DDPG)是一项由DeepMind团队于2016年开展的重要研究工作。该方法的核心优势在于融合了DQN与DPG各自的优点,并提出了一种深度确定性策略网络作为替代方案。旨在解决DQN与DPG可能面临的局部最优问题,并通过这种方法实现算法的稳定性与更快捷的收敛速度。研究表明,在包括机器人路径规划在内的复杂控制任务中,DDPG已被证明具有显著的有效性
2.2.4 A2C
作为DeepMind团队于2016年推出的一项重要研究项目,在强化学习领域取得了显著成果。该方法的核心创新点在于引入异步SGD算法框架,并借鉴了A3C算法的核心理念应用于DQN模型中。具体而言,在算法实现过程中主要包含以下几个步骤:首先进行数据采集;接着更新策略网络;随后评估当前策略的有效性;之后根据评估结果调整参数;最后完成模型保存。其基本流程与经典DQN算法相似,并旨在解决传统DQN方法中存在的单步更新可能导致的问题。目前该方法已被证明适用于机器人运动规划等复杂控制任务。
2.2.5 PPO
PPO(Proximal Policy Optimization, 近端策略优化)是OpenAI团队在2017年提出的一项开创性工作。该方法的核心理念在于通过限制损失函数中的KL散度来界定策略更新的范围,并以此实现探索与开发能力的平衡。其基本流程与前人设计的类似,在此基础上引入了一个熵惩罚机制以促进策略多样性,并最终提升了学习效率。实验结果表明该方法适用于复杂控制任务如机器人运动规划等场景。
2.2.6 TRPO
TRPO(Trust Region Policy Optimization)是由斯坦福大学的研究团队于2015年提出的一项重要算法研究。其核心思想在于通过在策略更新过程中施加限制条件的方式避免陷入局部最优解状态。该方法利用强化学习中的KL散度指标来量化不同动作之间的关系,并通过动态调节参数空间的规模以增强探索效率。整个流程与前一阶段基本一致,在优化策略多样性方面引入了一个惩罚机制以防止模型出现过拟合现象,并已被成功应用于一些复杂的控制问题如机器人运动规划等场景中
2.2.7 ACER
ACER(行为-策略框架中采用先进经验重放技术的行为-策略方法)是由斯坦福大学的研究团队于2016年提出的创新性成果。该方法的核心理念在于优化基于时间差分的学习过程,在强化学习领域取得重要突破。ACER采用了先进的经验重放技术来提升训练效果,在算法设计上与DQN方案高度相似。具体而言,在流程上与DQN相似的同时,ACER通过引入先进的经验重放技术,有效利用存储的记忆,从而降低了训练效率下降的问题.当前,Aceer已经被广泛验证,并被成功应用于多个复杂控制领域,例如工业机器人路径规划和智能机器人运动控制等.
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
本节将对DQN、DPG、DDPG、A2C、PPO、TRPO、ACER的核心理论基础及其关键特性进行全面阐述,并同时融入具体操作流程以及相关的数学公式推导,以便于读者更深入地了解这些机制的工作原理。
3.1 DQN
DQN(Deep Q-Network)是DeepMind团队在2013年的一项研究,其核心思想是利用神经网络自动化学习状态转移函数,并用神经网络作为Q-Function,实现端到端的强化学习过程。其特点是在完全的状态下直接预测目标输出(action),而不需要使用函数逼近的方法。此外,DQN通过重用网络结构来减少参数数量,有效地降低计算资源消耗。目前,DQN已经成为Atari游戏中的主流模型,并且在两个连续的大版本(版本7和版本9)上均显示出显著的成果。
在Atari游戏中,每局游戏都由若干个屏幕(screen)组成,每个屏幕代表一个RGB像素点集合,整个游戏画面可以由多个这样的屏幕叠加得到。而对于一个给定的智能体来说,它接收到的信息只有当前屏幕的图像信息,以及智能体可以执行的动作列表。DQN的目标就是利用这个信息来学习到一个映射,把每张屏幕上的像素点转换为相应的动作,从而使得智能体在游戏中执行出合适的动作。
首先,DQN由两个组件组成:经验池(replay memory)和神经网络。其中,经验池用于存储游戏数据,包括训练数据、游戏状态(screen)、奖励(reward)、是否结束(done)等。神经网络是一个Q-network,它由两部分组成,分别是特征网络(feature network)和动作网络(action network)。特征网络接受当前屏幕图像作为输入,提取出有用的特征,并送至动作网络进行处理。动作网络接收特征网络输出,生成各个动作对应的Q值,再根据Q值选出最优动作。
其次,DQN采取的算法框架是完全基于Q-Learning的。Q-learning是一个值迭代算法,它将问题表示为一个马尔科夫决策过程(Markov Decision Process,MDP),其中智能体与环境的交互定义为状态-动作空间的MDP,目标是找到一个状态动作值函数(State Action Value Function,Q-function),使得智能体可以在后续状态下选择最优动作。DQN借鉴了Q-learning的数学原理,将状态转移概率建模成一个价值网络(value network)和动作选择概率建模成一个策略网络(policy network)。通过最小化Q-learning中的Bellman方程,DQN能够在经验池上自动学习到最优策略。
最后,DQN利用神经网络的自动学习能力来提升学习效率,比如利用重用网络结构来减少参数数量,通过固定目标网络来降低学习风险,利用目标网络的目标来降低更新频率,等等。通过这些技巧,DQN在两个连续的大版本(版本7和版本9)上均显示出显著的成果。
3.2 DPG
DPG(Deterministic Policy Gradient)是一项由DeepMind团队于2016年提出的相关工作。其核心理念在于通过强化学习方法训练具备快速反应能力和稳定性能力的智能体。与DQN不同的是,在DPG中对策略参数施加了严格的约束条件,并强制智能体选择固定的动作以实现目标。这种设计的目的在于有效解决DQN算法在初始化阶段可能出现的问题。目前研究表明,在某些复杂的控制任务中如机器人运动规划等场景下该方法表现良好,并且已被证明具有可行性。具体而言,在算法架构上与DQN有相似之处但存在显著差异:首先,在策略网络的设计上DPG采用了更为复杂的一种结构;其次,在计算决策过程时不再依赖Q值表而是直接输出确定性动作;最后通过引入对抗训练的方法优化了整个系统的收敛速度并降低了计算复杂度
3.3 DDPG
DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient, 深层确定策略梯度)是DeepMind团队在2016年开展的相关工作, 相关工作融合了DQN和DPG的优点, 提出了深度确定性动作分布模型, 旨在解决DQN或DPG可能遇到的局部最优问题, 并通过提高稳定性并加快收敛速度提升了算法性能. 相关研究已证明该方法可成功应用于诸如机器人运动规划等复杂控制问题. 在策略网络的设计上, DDPG不依赖Q值直接输出动作分布, 而是构建了一个基于目标网络的目标函数, 同时结合了经验回放机制以增强训练样本的质量. 最终采用了基于对抗训练机制的固定更新步长策略以确保网络能够持续收敛.
3.4 A2C
A2C(Asynchronous Advantage Actor Critic,异步优势演员-评论家)是DeepMind团队在2016年的一项研究,其核心思想是提出异步SGD算法,并将A3C(Asynchronous Methods for Deep Reinforcement Learning,异步深度强化学习的异步方法)的思路引入DQN中。A2C的算法流程包括收集数据、更新策略网络、评估策略网络、更新参数和保存模型,与DQN基本相同。其主要目的也是为了克服DQN的单步样本更新方式导致的局部波动问题,提升性能、加速收敛。目前,A2C已被证明可用于一些复杂的控制问题,如机器人运动规划。
与DQN一样,A2C由两个组件组成:经验池(replay memory)和神经网络。经验池用于存储游戏数据,包括训练数据、游戏状态(screen)、奖励(reward)、是否结束(done)等。神经网络由两部分组成,分别是特征网络(feature network)和动作网络(action network)。特征网络接收当前屏幕图像作为输入,提取出有用的特征,并送至动作网络进行处理。动作网络接收特征网络输出,生成各个动作对应的Q值,再根据Q值选出最优动作。
但是,A2C与DQN的不同之处在于,A2C在算法流程上引入了多个线程并行处理的方式,来提升效率。具体来说,A2C在收集数据时,可以并行地收集多条轨迹(trajectory)的数据,并统一整理存入经验池。而在神经网络的更新时,A2C采用异步SGD算法,使得多个智能体可以并行地进行训练,提高算法的并发能力。除此之外,A2C还在更新策略网络时,引入了advantage actor-critic(优势演员-评论家)方法,来帮助模型学习到更好的动作价值函数,从而提升性能。最后,A2C采用贪婪策略(greedy policy)来进行决策,既不完全依据模型预测,也不会完全依赖历史数据,从而最大限度地增加探索因子,以提升模型的鲁棒性。
3.5 PPO
该研究由OpenAI团队于2017年提出,其核心思想在于通过限制损失函数中的KL散度值来限定策略更新的范围,以实现探索与开发能力的均衡。其基本流程与前一版本的方法极为相似,但在具体实现上引入了熵惩罚项这一改进措施,从而进一步提升训练效果。该算法已被成功应用于机器人路径规划等复杂控制场景。
3.6 TRPO
TRPO(Trust Region Policy Optimization...)是一项由斯坦福大学团队于2015年提出的研究成果,在强化学习领域具有重要地位
3.7 ACER
ACER(Actor-Critic with Experience Replay, 带经验重放的演员-评论家)是由斯坦福大学的研究团队于2016年提出的一项创新性研究。该方法的核心理念在于改进基于时间差分的Q-learning方法,并引入经验回放机制以提高训练样本利用率。与大多数主流强化学习算法不同的是,在不设定明确的目标函数的前提下,ACER通过结合DQN的优点,在演员网络(Actor Network)和评论家网络(Critic Network)之间实现了优势actor-critic架构(Advantage Actor-Critic, A2C)。具体而言,在该架构中,演员网络负责接收当前状态信息并输出各动作的概率分布,并根据概率分布选择最优动作;而评论家网络则负责计算每个动作对应的Q值,并对这些Q值进行优化以提升策略性能。此外,在数据效率上也进行了显著提升:通过引入经验回放机制来增强训练样本的有效性
4.具体代码实例和解释说明
基于上述介绍的方法论框架,在实际应用过程中存在诸多技术细节需要逐一解决:例如算法超参数配置的具体实现路径研究(如超参数选择),以及各环节的具体技术转化路径设计(如数据预处理阶段如何构建高质量的数据集),还包括模型权重初始化方案的选择(如模型参数加载的具体步骤),样本特征提取过程中的关键节点处理(如样本数据记录的具体方法),以及结果展示技术的应用(如结果可视化效果如何量化评估),同时还要考虑训练采样策略对模型性能的影响(如训练时采样模式的选择及其对推理框架设计的意义)。以下附录提供若干典型代码实现方案供参考
4.1 DQN
以下是一个DQN的具体代码实例,使用PyTorch编写。
import torch
import torch.nn as nn
import gym
from collections import deque
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
class DQN(nn.Module):
def __init__(self, num_inputs, num_outputs):
super(DQN, self).__init__()
self.fc = nn.Sequential(
nn.Linear(num_inputs, 128),
nn.ReLU(),
nn.Linear(128, 128),
nn.ReLU(),
nn.Linear(128, num_outputs)
)
def forward(self, x):
return self.fc(x)
env = gym.make('CartPole-v0')
# set up the model
model = DQN(env.observation_space.shape[0], env.action_space.n)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
loss_fn = nn.MSELoss()
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
print("Using device:", device)
model = model.to(device)
def train(model, optimizer, loss_fn, experience):
state, action, next_state, reward, done = experience
state = torch.FloatTensor(np.float32(state)).unsqueeze(0).to(device)
next_state = torch.FloatTensor(np.float32(next_state)).unsqueeze(0).to(device)
action = torch.LongTensor(action).unsqueeze(0).to(device)
reward = torch.FloatTensor([reward]).unsqueeze(0).to(device)
done = torch.FloatTensor([done]).unsqueeze(0).to(device)
# get Q(s',a) and best action a' using target net
q_values_next = model(next_state)
_, actions_next = q_values_next.max(dim=1)
q_values_next_target = target_net(next_state)
q_value_next_target = q_values_next_target.gather(1, actions_next.unsqueeze(1)).squeeze(-1)
# compute target value y
target = (q_value_next * GAMMA) + (reward + (GAMMA ** N_STEP) * q_value_next_target * (not done))
# predict current Q values
q_values = model(state)
q_value = q_values.gather(1, action.unsqueeze(1)).squeeze(-1)
# calculate loss between predicted Q value and actual label
loss = loss_fn(q_value, target)
# optimize the model
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
def run_episode():
episode_rewards = []
state = env.reset()
while True:
# select an action based on epsilon greedy strategy
eps_threshold = EPS_END + (EPS_START - EPS_END) * \
math.exp(-1. * steps_done / EPS_DECAY)
if random.random() < eps_threshold:
action = env.action_space.sample()
else:
state = torch.FloatTensor(np.float32(state)).unsqueeze(0).to(device)
q_values = model(state)
_, action = q_values.max(1)
action = int(action.item())
# perform the selected action in the environment
next_state, reward, done, _ = env.step(action)
# store the transition in the replay buffer
exp = (state, action, next_state, reward, done)
replay_buffer.append(exp)
# update the state and step count
state = next_state
steps_done += 1
# train the model after every C steps
if len(replay_buffer) > BATCH_SIZE and steps_done % C == 0:
for i in range(TRAIN_FREQ):
batch = random.sample(replay_buffer, BATCH_SIZE)
train(model, optimizer, loss_fn, batch)
episode_rewards.append(reward)
if done or steps_done >= MAX_STEPS:
break
return sum(episode_rewards)
if __name__ == '__main__':
NUM_EPISODES = 200
REWARDS = []
# initialize target network to same parameters as online network
target_net = DQN(env.observation_space.shape[0], env.action_space.n)
target_net.load_state_dict(model.state_dict())
for ep in range(NUM_EPISODES):
rewards = run_episode()
REWARDS.append(rewards)
print('[Episode {}/{}] Reward {}'.format(ep+1, NUM_EPISODES, rewards))
if ep % TARGET_UPDATE == 0:
target_net.load_state_dict(model.state_dict())
# plot the total reward per episode
plt.plot(REWARDS)
plt.xlabel('Episode')
plt.ylabel('Total Reward')
plt.show()
代码解读
4.2 A2C
以下是一个A2C的具体代码实例,使用PyTorch编写。
import os
import time
import torch
import torch.nn as nn
import gym
from tensorboardX import SummaryWriter
import numpy as np
import math
class ActorCritic(nn.Module):
"""
This class implements the ACTOR CRITIC NETWORK used by the A2C algorithm. It takes as input
the size of the observations space and outputs two vectors of length n_actions representing
the probability distribution over possible actions and the expected value of each action respectively.
"""
def __init__(self, observation_size, hidden_size, n_actions):
super().__init__()
self.hidden_size = hidden_size
self.actor = nn.Sequential(
nn.Linear(observation_size, hidden_size),
nn.Tanh(),
nn.Linear(hidden_size, hidden_size),
nn.Tanh(),
nn.Linear(hidden_size, n_actions)
)
self.critic = nn.Sequential(
nn.Linear(observation_size, hidden_size),
nn.Tanh(),
nn.Linear(hidden_size, hidden_size),
nn.Tanh(),
nn.Linear(hidden_size, 1)
)
def forward(self, x):
"""
Forward pass through both actor and critic networks. Returns tuple consisting of
the actor output (action probabilities) and the critic output (expected value of each action).
"""
probs = F.softmax(self.actor(x), dim=-1)
value = self.critic(x)
return probs, value
class A2CAgent:
"""This is a single agent that interacts with the environment."""
def __init__(self, name, obs_size, act_size, gamma, lr, entropy_coef, max_steps, log_interval, seed):
self.name = name
self.obs_size = obs_size
self.act_size = act_size
self.gamma = gamma
self.lr = lr
self.entropy_coef = entropy_coef
self.max_steps = max_steps
self.log_interval = log_interval
self.seed = seed
self.training_mode = False
def choose_action(self, obs, training=True):
"""Choose an action given an observation"""
self.training_mode = training
self.model.train(training)
with torch.no_grad():
obs = torch.tensor(obs, dtype=torch.float32).unsqueeze(0).to(self.device)
prob = self.model.actor(obs)[0].detach().cpu().numpy()
dist = Categorical(prob)
action = dist.sample().item()
return action
def learn(self, rollout):
"""Update policy using the given rollout"""
obs_batch, acts_batch, rews_batch, vals_batch, dones_batch = map(
lambda x: torch.cat(x, dim=0).to(self.device),
zip(*rollout)
)
advantages = rews_batch - vals_batch[:-1]
probs, vals = self.model(obs_batch)
m_probs, m_vals = self.model(obs_batch[-1])
last_val = m_vals.view(-1).item()
discounted_rews = utils.discount_rewards(rews_batch + [last_val], self.gamma)[:-1]
val_loss = ((discounted_rews - vals)**2).mean()
entropy_loss = (-(m_probs*torch.log(probs))).sum()
pol_loss = -(advantages.detach() * torch.log(probs)).mean()
loss = pol_loss + val_loss + (self.entropy_coef * entropy_loss)
loss.backward()
nn.utils.clip_grad_norm_(self.model.parameters(), max_norm=0.5)
self.optimizer.step()
return {'pol_loss': pol_loss.item(),
'val_loss': val_loss.item(),
'entropy_loss': entropy_loss.item()}
def init_model(self, env, device='cpu'):
"""Initialize actor-critic neural networks"""
self.device = device
self.model = ActorCritic(self.obs_size, HIDDEN_SIZE, self.act_size).to(self.device)
self.optimizer = optim.Adam(self.model.parameters(), lr=self.lr)
class RolloutStorage:
"""Stores rollouts data until they can be used to update a model"""
def __init__(self, num_steps, num_processes, obs_size, act_size):
self.observations = torch.zeros(num_steps+1, num_processes, obs_size)
self.actions = torch.zeros(num_steps, num_processes, 1).long()
self.rewards = torch.zeros(num_steps, num_processes, 1)
self.returns = torch.zeros(num_steps+1, num_processes, 1)
self.masks = torch.ones(num_steps+1, num_processes, 1)
self.index = 0
self.num_steps = num_steps
self.num_processes = num_processes
self.obs_size = obs_size
self.act_size = act_size
def insert(self, current_obs, action, reward, mask):
"""Insert new observation into the storage buffer"""
self.observations[self.index+1].copy_(current_obs)
self.actions[self.index].copy_(action)
self.rewards[self.index].copy_(reward)
self.masks[self.index+1].copy_(mask)
self.index = (self.index + 1) % self.num_steps
def after_update(self):
"""Compute returns and clear out the buffers"""
self._compute_returns()
self.observations.zero_()
self.actions.zero_()
self.rewards.zero_()
self.masks.fill_(1)
self.index = 0
def compute_advantages(self, last_val=0.0):
"""Computes advantage estimates based on the current returns"""
advs = self.returns[:-1] - self.values + last_val
advs = (advs - advs.mean())/(advs.std()+1e-8)
return advs
def feed_forward_generator(self, advantages, mini_batch_size):
"""Generates batches of data from stored rollout"""
batch_size = self.num_processes * self.num_steps
assert batch_size >= mini_batch_size, "Batch size should be greater than or equal to sample size"
indices = torch.randperm(batch_size).tolist()
for start_idx in range(0, batch_size, mini_batch_size):
end_idx = start_idx + mini_batch_size
sampled_indices = indices[start_idx:end_idx]
yield self._get_samples(sampled_indices, advantages)
def _get_samples(self, indices, advantages):
"""Retrieves samples according to the specified indices"""
obs_batch = self.observations[:-1].view(-1, *self.obs_size)[indices]
act_batch = self.actions.view(-1, 1)[indices]
ret_batch = self.returns[:-1].view(-1, 1)[indices]
adv_batch = advantages.view(-1, 1)[indices]
old_v_batch = self.values.view(-1, 1)[indices]
old_p_batch = self.old_log_probs.view(-1, 1)[indices]
return obs_batch, act_batch, ret_batch, adv_batch, old_v_batch, old_p_batch
def _compute_returns(self):
"""Computes returns recursively from the rewards"""
R = 0
self.returns[-1] = self.rewards
for t in reversed(range(self.rewards.size(0))):
R = self.gamma * R + self.rewards[t]
self.returns[t] = R
代码解读
