深度有趣 | 21 從FlappyBird到DQN

遊戲開發 · 發表 2018-09-20 15:57:07

摘要：介紹強化學習（Reinforcement Learning，RL）的概念，並用DQN訓練一個會玩FlappyBird的模型 FlappyBird 這個遊戲很多人都玩過，很虐，以下是一個用pygame重現的FlappyBird， github.com/sourabhv/Fl… 如...

介紹強化學習（Reinforcement Learning，RL）的概念，並用DQN訓練一個會玩FlappyBird的模型

FlappyBird

這個遊戲很多人都玩過，很虐，以下是一個用pygame重現的FlappyBird， ofollow,noindex">github.com/sourabhv/Fl…

如果沒有pygame則安裝

pip install pygame
複製程式碼

執行 flappy.py 即可開始遊戲，如果出現按鍵無法控制的情況，用 pythonw 執行程式碼即可

pythonw flappy.py
複製程式碼

原理

無監督學習沒有標籤，例如聚類；有監督學習有標籤，例如分類；而強化學習介於兩者之間，標籤是通過不斷嘗試積累的

RL包括幾個組成部分：

State（S）：環境的狀態，例如FlappyBird中的當前遊戲介面，可以用一張圖片來表示
Action（A）：每個S下可採取的行動集合，例如在FlappyBird中可選擇兩個A，“跳一下”或者“什麼都不做”
Reward（R）：在某個S下執行某個A之後得到的回報，例如在FlappyBird中，可以是成功跳過一根水管（正回報），撞到水管或者掉到地上（負回報）

這樣一來，遊戲的進行過程，無非是從一個初始S開始，執行A、得到R、進入下一個S，如此往復，直到進入一個終止S

定義一個函式，用來計算遊戲過程中回報的總和

以及從某個時刻開始之後的回報總和

但我們對未來每一步能獲取的回報並不是完全肯定的，所以不妨乘上一個0到1之間的衰減係數

這樣一來，可以得到相鄰兩步總回報之間的遞推關係

DQN是強化學習中的一種常用演算法，主要是引入了Q函式（Quality，價值函式），用於計算在某個S下執行某個A可以得到的最大總回報

有了Q函式之後，對於當前狀態S，只需要計算每一個A對應的Q值，然後選擇Q值最大的一個A，便是最優的行動策略（策略函式）

當Q函式收斂後，還可以得到Q函式的遞推公式

可以使用神經網路實現Q函式並訓練：

定義神經網路的結構並隨機初始化，輸入為S，輸出的個數和行動集合的大小一樣
每次以一定概率隨機選擇A，否則使用策略函式選擇最優的A，即隨機探索和有向策略相結合
維護一個記憶模組，用於積累遊戲過程中產生的資料
預熱期：不訓練，主要是為了讓記憶模組先積累一定資料
探索期：逐漸降低隨機概率，從隨機探索過渡到有向策略，並且每次從記憶模組中取出一些資料訓練模型
訓練期：固定隨機概率，進一步訓練模型，使得Q函式進一步收斂

關於強化學習和DQN的原理介紹，可以參考以下文章， ai.intel.com/demystifyin…

實現

基於以下專案進行修改， github.com/yenchenlin/…

game 中的程式碼對之前的 flappy.py 進行了簡化和修改，去掉了背景圖並固定角色和水管顏色，遊戲會自動開始，掛掉之後也會自動繼續，主要是便於模型自動進行和採集資料

載入庫

# -*- coding: utf-8 -*-

import tensorflow as tf
import numpy as np
import random
import cv2
import sys
sys.path.append('game/')
import wrapped_flappy_bird as fb
from collections import deque
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定義一些引數

ACTIONS = 2
GAMMA = 0.99
OBSERVE = 10000
EXPLORE = 3000000
INITIAL_EPSILON = 0.1
FINAL_EPSILON = 0.0001
REPLAY_MEMORY = 50000
BATCH = 32
IMAGE_SIZE = 80
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定義一些網路輸入和輔助函式，每一個S由連續的四幀遊戲截圖組成

S = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE, 4], name='S')
A = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, ACTIONS], name='A')
Y = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None], name='Y')
k_initializer = tf.truncated_normal_initializer(0, 0.01)
b_initializer = tf.constant_initializer(0.01)

def conv2d(inputs, kernel_size, filters, strides):
return tf.layers.conv2d(inputs, kernel_size=kernel_size, filters=filters, strides=strides, padding='same', kernel_initializer=k_initializer, bias_initializer=b_initializer)

def max_pool(inputs):
return tf.layers.max_pooling2d(inputs, pool_size=2, strides=2, padding='same')

def relu(inputs):
return tf.nn.relu(inputs)
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定義網路結構，典型的卷積、池化、全連線層結構

h0 = max_pool(relu(conv2d(S, 8, 32, 4)))
h0 = relu(conv2d(h0, 4, 64, 2))
h0 = relu(conv2d(h0, 3, 64, 1))
h0 = tf.contrib.layers.flatten(h0)
h0 = tf.layers.dense(h0, units=512, activation=tf.nn.relu, bias_initializer=b_initializer)

Q = tf.layers.dense(h0, units=ACTIONS, bias_initializer=b_initializer, name='Q')
Q_ = tf.reduce_sum(tf.multiply(Q, A), axis=1)
loss = tf.losses.mean_squared_error(Y, Q_)
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(1e-6).minimize(loss)
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用一個佇列實現記憶模組，開始遊戲，對於初始狀態選擇什麼都不做

game_state = fb.GameState()
D = deque()

do_nothing = np.zeros(ACTIONS)
do_nothing[0] = 1
img, reward, terminal = game_state.frame_step(do_nothing)
img = cv2.cvtColor(cv2.resize(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE)), cv2.COLOR_BGR2GRAY)
_, img = cv2.threshold(img, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY)
S0 = np.stack((img, img, img, img), axis=2)
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繼續進行遊戲並訓練模型

sess = tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

t = 0
success = 0
saver = tf.train.Saver()
epsilon = INITIAL_EPSILON
while True:
if epsilon > FINAL_EPSILON and t > OBSERVE:
epsilon = INITIAL_EPSILON - (INITIAL_EPSILON - FINAL_EPSILON) / EXPLORE * (t - OBSERVE)

Qv = sess.run(Q, feed_dict={S: [S0]})[0]
Av = np.zeros(ACTIONS)
if np.random.random() <= epsilon:
action_index = np.random.randint(ACTIONS)
else:
action_index = np.argmax(Qv) 
Av[action_index] = 1

img, reward, terminal = game_state.frame_step(Av)
if reward == 1:
success += 1
img = cv2.cvtColor(cv2.resize(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE)), cv2.COLOR_BGR2GRAY)
_, img = cv2.threshold(img, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY)
img = np.reshape(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE, 1))
S1 = np.append(S0[:, :, 1:], img, axis=2)

D.append((S0, Av, reward, S1, terminal))
if len(D) > REPLAY_MEMORY:
D.popleft()

if t > OBSERVE:
minibatch = random.sample(D, BATCH)
S_batch = [d[0] for d in minibatch]
A_batch = [d[1] for d in minibatch]
R_batch = [d[2] for d in minibatch]
S_batch_next = [d[3] for d in minibatch]
T_batch = [d[4] for d in minibatch]

Y_batch = []
Q_batch_next = sess.run(Q, feed_dict={S: S_batch_next})
for i in range(BATCH):
if T_batch[i]:
Y_batch.append(R_batch[i])
else:
Y_batch.append(R_batch[i] + GAMMA * np.max(Q_batch_next[i]))

sess.run(optimizer, feed_dict={S: S_batch, A: A_batch, Y: Y_batch})

S0 = S1
t += 1

if t > OBSERVE and t % 10000 == 0:
saver.save(sess, './flappy_bird_dqn', global_step=t)

if t <= OBSERVE:
state = 'observe'
elif t <= OBSERVE + EXPLORE:
state = 'explore'
else:
state = 'train'
print('Current Step %d Success %d State %s Epsilon %.6f Action %d Reward %f Q_MAX %f' % (t, success, state, epsilon, action_index, reward, np.max(Qv)))
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執行 dqn_flappy.py 即可從零開始訓練模型，一開始角色各種亂跳，一根水管都跳不過去，但隨著訓練的進行，角色會通過學習獲得越來越穩定的表現

也可以直接使用以下程式碼執行訓練好的模型

# -*- coding: utf-8 -*-

import tensorflow as tf
import numpy as np
import cv2
import sys
sys.path.append('game/')
import wrapped_flappy_bird as fb

ACTIONS = 2
IMAGE_SIZE = 80

sess = tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

saver = tf.train.import_meta_graph('./flappy_bird_dqn-8500000.meta')
saver.restore(sess, tf.train.latest_checkpoint('./'))
graph = tf.get_default_graph()

S = graph.get_tensor_by_name('S:0')
Q = graph.get_tensor_by_name('Q/BiasAdd:0')

game_state = fb.GameState()

do_nothing = np.zeros(ACTIONS)
do_nothing[0] = 1
img, reward, terminal = game_state.frame_step(do_nothing)
img = cv2.cvtColor(cv2.resize(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE)), cv2.COLOR_BGR2GRAY)
_, img = cv2.threshold(img, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY)
S0 = np.stack((img, img, img, img), axis=2)

while True:
Qv = sess.run(Q, feed_dict={S: [S0]})[0]
Av = np.zeros(ACTIONS) 
Av[np.argmax(Qv)] = 1

img, reward, terminal = game_state.frame_step(Av)
img = cv2.cvtColor(cv2.resize(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE)), cv2.COLOR_BGR2GRAY)
_, img = cv2.threshold(img, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY)
img = np.reshape(img, (IMAGE_SIZE, IMAGE_SIZE, 1))
S0 = np.append(S0[:, :, 1:], img, axis=2)
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FlappyBird

原理

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