程序员带你一步步分析AI如何玩FlappyBird
kingdo
8年前
<p>以下内容来源于一次部门内部的分享，主要针对AI初学者，介绍包括CNN、Deep Q Network以及TensorFlow平台等内容。由于笔者并非深度学习算法研究者，因此以下更多从应用的角度对整个系统进行介绍，而不会进行详细的公式推导。</p> <p>** 关于Flappy Bird **</p> <p>Flappy Bird（非官方译名：笨鸟先飞）是一款2013年鸟飞类游戏，由越南河内独立游戏开发者阮哈东（Dong Nguyen）开发，另一个独立游戏开发商GEARS Studios发布。—— 以上内来自 《维基百科》</p> <p>Flappy Bird操作简单，通过点击手机屏幕使Bird上升，穿过柱状障碍物之后得分，碰到则游戏结束。由于障碍物高低不等，控制Bird上升和下降需要反应快并且灵活，要得到较高的分数并不容易，笔者目前最多得过10分。</p> <p>本文主要介绍如何通过AI（人工智能）的方式玩Flappy Bird游戏，分为以下四个部分内容：</p> <ol> <li>Flappy Bird 游戏展示</li> <li>模型：卷积神经网络</li> <li>算法：Deep Q Network</li> <li>代码：TensorFlow实现</li> </ol> <h2>一、Flappy Bird 游戏展示</h2> <p>在介绍模型、算法前先来直接看下效果，上图是刚开始训练的时候，画面中的小鸟就像无头苍蝇一样乱飞，下图展示的是在本机（后面会给出配置）训练超过10小时后（训练步数超过2000000）的情况，其最好成绩已经超过200分，人类玩家已基本不可能超越。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/c9df0e9cb1be33581b0f4c5428ebf144.gif"> <img src="https://simg.open-open.com/show/38c01190c8c8b83532b2cba8bbecd148.gif"></p> <p>由于本机配置了CUDA以及cuDNN，采用了NVIDIA的显卡进行并行计算，所以这里提前贴一下运行时的日志输出。</p> <p>关于CUDA以及cuDNN的配置，其中有一些坑包括：安装CUDA之后循环登录，屏幕分辨率无法正常调节等等，都是由于NVIDIA驱动安装的问题，这不是本文要讨论的主要内容，读者可自行Google。</p> <ul> <li>加载CUDA运算库</li> </ul> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/efab18301da42d7a1b470ebb6f11cc39.png"></p> <ul> <li>TensorFlow运行设备** /gpu:0 **</li> </ul> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/0d32bb4d61a2fcef96ac0f82e4dbe2dc.png"></p> <p>** /gpu:0 **这是TensorFlow平台默认的配置方法，表示使用系统中的第一块显卡。</p> <p>本机软硬件配置：</p> <p>系统：Ubuntu 16.04</p> <p>显卡：NVIDIA GeForce GTX 745 4G</p> <p>版本：TensorFlow 1.0</p> <p>软件包：OpenCV 3.2.0、Pygame、Numpy、…</p> <p>细心的朋友可能发现，笔者的显卡配置并不高，GeForce GTX 745，显存3.94G，可用3.77G（桌面占用了一部分），属于入门中的入门。对于专业做深度学习算法的朋友，这个显卡必然是不够的。知乎上有帖子教大家怎么配置更专业的显卡，有兴趣的可以移步。</p> <h2>二、模型：卷积神经网络</h2> <p>神经网络算法是由众多的神经元可调的连接权值连接而成，具有大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自组织自学习能力等特点。人工神经元与生物神经元结构类似，其结构对比如下图所示。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/50a4ff981409ec76e925c499b053f125.png"> <img src="https://simg.open-open.com/show/7f219126e1dc34285e33be9b50f390ea.jpg"></p> <p>人工神经元的输入（x1,x2...xm）类似于生物神经元的树突，输入经过不同的权值（wk1, wk2, ....wkn），加上偏置，经过激活函数得到输出，最后将输出传输到下一层神经元进行处理。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/412f2c48cb23ae5e0baef19607025d03.png"></p> <p>激活函数为整个网络引入了非线性特性，这也是神经网络相比于回归等算法拟合能力更强的原因。常用的激活函数包括sigmoid、tanh等，它们的函数表达式如下：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/8211e6c9cefd8740d05e8d0e39f7531b.png"></p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/2f91e6f5e4c365612df3237b87a5e77e.png"></p> <p>这里可以看出，sigmoid函数的值域是（0,1），tanh函数的值域是（-1,1）。</p> <p>** 卷积神经网络**起源于动物的视觉系统，主要包含的技术是：</p> <ol> <li>局部感知域（稀疏连接）；</li> <li>参数共享；</li> <li>多卷积核；</li> <li>池化。</li> </ol> <ul> <li><strong>1. 局部感知域（稀疏连接）</strong></li> </ul> <p>全连接网络的问题在于：</p> <ol> <li>需要训练的参数过多，容器导致结果不收敛（梯度消失），且训练难度极大；</li> <li>实际上对于某个局部的神经元来讲，它更加敏感的是小范围内的输入，换句话说，对于较远的输入，其相关性很低，权值也就非常小。</li> </ol> <p>人类的视觉系统决定了人在观察外界的时候，总是从局部到全局。</p> <p>比如，我们看到一个美女，可能最先观察到的是美女身上的某些部位（自己体会）。</p> <p>因此，卷积神经网络与人类的视觉类似，采用局部感知，低层的神经元只负责感知局部的信息，在向后传输的过程中，高层的神经元将局部信息综合起来得到全局信息。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/43f52bed3561fe72831862b32202e056.png"></p> <p>从上图中可以看出，采用局部连接之后，可以大大的降低训练参数的量级。</p> <ul> <li><strong>2. 参数共享</strong></li> </ul> <p>虽然通过局部感知降低了训练参数的量级，但整个网络需要训练的参数依然很多。</p> <p>参数共享就是 <strong>将多个具有相同统计特征的参数设置为相同</strong> ，其 <strong>依据</strong> 是图像中一部分的统计特征与其它部分是一样的。其 <strong>实现</strong> 是通过对图像进行卷积（卷积神经网络命名的来源）。</p> <p>可以理解为，比如从一张图像中的某个局部（卷积核大小）提取了某种特征，然后以这种特征为探测器，应用到整个图像中，对整个图像顺序进行卷积，得到不同的特征。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/6428cf505ac1e9e1cf462e1ec8fe9a68.gif"></p> <p>每个卷积都是一种特征提取方式，就像一个筛子，将图像中符合条件（激活值越大越符合条件）的部分筛选出来，通过这种卷积就进一步降低训练参数的量级。</p> <ul> <li><strong>3. 多卷积核</strong></li> </ul> <p>如上，每个卷积都是一种特征提取方式，那么对于整幅图像来讲，单个卷积核提取的特征肯定是不够的，那么对同一幅图像使用多种卷积核进行特征提取，就能得到多幅 <strong>特征图（feature map）</strong> 。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/911ecf4af7382a9f00142fc23a431d14.png"></p> <p>多幅特征图可以看成是同一张图像的不同 <strong>通道</strong> ，这个概念在后面代码实现的时候用得上。</p> <ul> <li><strong>4. 池化</strong></li> </ul> <p>得到特征图之后，可以使用提取到的特征去训练分类器，但依然会面临特征维度过多，难以计算，并且可能过拟合的问题。从图像识别的角度来讲，图像可能存在偏移、旋转等，但图像的主体却相同的情况。也就是不同的特征向量可能对应着相同的结果，那么池化就是解决这个问题的。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/9f071bb7e1f58263d42a2ceb1d3e4064.gif"></p> <p>池化就是将池化核范围内（比如2*2范围）的训练参数采用平均值（平均值池化）或最大值（最大值池化）来进行替代。</p> <p>终于到了展示模型的时候，下面这幅图是笔者手画的（用电脑画太费时，将就看吧），这幅图展示了本文中用于训练游戏所用的卷积神经网络模型。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/e73046bd59b011d26fe74ab7c21f2494.png"></p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/620e06f14195972c22bda80d816976ac.png"></p> <ol> <li>初始输入四幅图像80×80×4（4代表输入通道，初始时四幅图像是完全一致的），经过卷积核8×8×4×32（输入通道4，输出通道32），步距为4（每步卷积走4个像素点），得到32幅特征图（feature map），大小为20×20；</li> <li>将20×20的图像进行池化，池化核为2×2，得到图像大小为10×10；</li> <li>再次卷积，卷积核为4×4×32×64，步距为2，得到图像5×5×64；</li> <li>再次卷积，卷积核为3×3×64*64，步距为2，得到图像5×5×64，虽然与上一步得到的图像规模一致，但再次卷积之后的图像信息更为抽象，也更接近全局信息；</li> <li>Reshape，即将多维特征图转换为特征向量，得到1600维的特征向量；</li> <li>经过全连接1600×512，得到512维特征向量；</li> <li>再次全连接512×2，得到最终的2维向量[0,1]和[1,0]，分别代表游戏屏幕上的是否点击事件。</li> </ol> <p>可以看出，该模型实现了 <strong>端到端的学习</strong> ，输入的是游戏屏幕的截图信息（代码中经过opencv处理），输出的是游戏的动作，即是否点击屏幕。深度学习的强大在于其数据拟合能力，不需要传统机器学习中复杂的特征提取过程，而是依靠模型发现数据内部的关系。</p> <p>不过这也带来另一方面的问题，那就是深度学习高度依赖大量的标签数据，而这些数据获取成本极高。</p> <h2>三、算法：Deep Q Network</h2> <p>有了卷积神经网络模型，那么怎样训练模型？使得模型收敛，从而能够指导游戏动作呢？机器学习分为监督学习、非监督学习和强化学习，这里要介绍的Q Network属于强化学习（Reinforcement Learning）的范畴。在正式介绍Q Network之前，先简单说下它的光荣历史。</p> <p>2014年Google 4亿美金收购DeepMind的桥段，大家可能听说过。那么，DeepMind是如何被Google给盯上的呢？最终原因可以归咎为这篇论文：</p> <p><a href="/misc/goto?guid=4959747272946070643" rel="nofollow,noindex">Playing Atari with Deep Reinforcement Learning</a></p> <p>DeepMind团队通过强化学习，完成了20多种游戏，实现了端到端的学习。其用到的算法就是Q Network。2015年，DeepMind团队在《Nature》上发表了一篇升级版：</p> <p><a href="/misc/goto?guid=4959747273039137164" rel="nofollow,noindex">Human-level control through deep reinforcement learning</a></p> <p>自此，在这类游戏领域，人已经无法超过机器了。后来又有了AlphaGo，以及Master，当然，这都是后话了。其实本文也属于上述论文的范畴，只不过基于TensorFlow平台进行了实现，加入了一些笔者自己的理解而已。</p> <p>回到正题，Q Network属于强化学习，那么先介绍下强化学习。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/bc917c1f25409affe071dea53da44134.png"></p> <p>这张图是从UCL的课程中拷出来的，课程链接地址（油Tube）：</p> <p><a href="/misc/goto?guid=4959747273136173382" rel="nofollow,noindex">https://www.油Tube.com/watch?v=2pWv7GOvuf0</a></p> <p>强化学习过程有两个组成部分：</p> <ul> <li><strong>智能代理（学习系统）</strong></li> <li><strong>环境</strong></li> </ul> <p>如图所示，在每步迭代过程中，首先智能代理（学习系统）接收环境的状态 st ，然后产生动作 at 作用于环境，环境接收动作 at ，并且对其进行评价，反馈给智能代理 rt 。不断的循环这个过程，就会产生一个状态/动作/反馈的序列： <em>（s1, a1, r1, s2, a2, r2.....,sn, an, rn）</em> ，而这个序列让我们很自然的想起了:</p> <ul> <li><strong>马尔科夫决策过程</strong></li> </ul> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/f169a8e18f186bbfbf2f01dda95a09d8.png"></p> <p>马尔科夫决策过程与著名的 <strong>HMM（隐马尔科夫模型）</strong> 相同的是，它们都具有 <strong>马尔科夫特性</strong> 。那么什么是马尔科夫特性呢？简单来说，就是未来的状态只取决于当前的状态，与过去的状态无关。</p> <p>HMM（马尔科夫模型）在语音识别，行为识别等机器学习领域有较为广泛的应用。 <strong>条件随机场模型（Conditional Random Field）</strong> 则用于自然语言处理。两大模型是语音识别、自然语言处理领域的基石。</p> <p>上图可以用一个很形象的例子来说明。比如你毕业进入了一个公司，你的初始职级是T1（对应图中的 s1 ），你在工作上刻苦努力，追求上进（对应图中的 a1 ），然后领导觉得你不错，准备给你升职（对应图中的 r1 ），于是，你升到了T2；你继续刻苦努力，追求上进......不断的努力，不断的升职，最后升到了 sn 。当然，你也有可能不努力上进，这也是一种动作，换句话说，该动作 <em>a</em> 也属于动作集合 <em>A</em> ，然后得到的反馈 <em>r</em> 就是没有升职加薪的机会。</p> <p>这里注意下，我们当然希望获取最多的升职，那么问题转换为：如何根据当前状态 <em>s</em> （ <em>s</em> 属于状态集 <em>S</em> ），从 <em>A</em> 中选取动作 <em>a</em> 执行于环境，从而获取最多的 <em>r</em> ，即r1 + r2 ……+rn的和最大 ？这里必须要引入一个数学公式： <strong>状态值函数</strong> 。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/504a1f75e15c4c82828238a383edc645.png"></p> <p>公式中有个折合因子γ，其取值范围为[0,1]，当其为0时，表示只考虑当前动作对当前的影响，不考虑对后续步骤的影响，当其为1时，表示当前动作对后续每步都有均等的影响。当然，实际情况通常是当前动作对后续得分有一定的影响，但随着步数增加，其影响减小。</p> <p>从公式中可以看出，状态值函数可以通过迭代的方式来求解。增强学习的目的就是求解马尔可夫决策过程（MDP）的最优策略。</p> <p>策略就是 <strong>如何根据环境选取动作来执行的依据</strong> 。策略分为稳定的策略和不稳定的策略，稳定的策略在相同的环境下，总是会给出相同的动作，不稳定的策略则反之，这里我们主要讨论稳定的策略。</p> <p>求解上述状态函数需要采用 <strong>动态规划</strong> 的方法，而具体到公式，不得不提：</p> <ul> <li><strong>贝尔曼方程</strong></li> </ul> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/dd81ab2884beae2d310ba7e25b8efc75.png"></p> <p>其中，π代表上述提到的策略，Q π (s, a)相比于V π (s)，引入了动作，被称作 <strong>动作值函数</strong> 。对贝尔曼方程求最优解，就得到了 <strong>贝尔曼最优性方程</strong> 。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/18962443a9e48837fc002547eef041b4.png"></p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/da76e417cd5e6e61ea3a102a9e643bce.png"></p> <p>求解该方程有两种方法： <strong>策略迭代</strong> 和 <strong>值迭代</strong> 。</p> <ul> <li><strong>策略迭代</strong></li> </ul> <p>策略迭代分为两个步骤： <strong>策略评估</strong> 和 <strong>策略改进</strong> ，即首先评估策略，得到状态值函数，其次，改进策略，如果新的策略比之前好，就替代老的策略。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/0bc5b5f7f13ee3000a2ba5086e3131bf.png"></p> <ul> <li><strong>值迭代</strong></li> </ul> <p>从上面我们可以看到，策略迭代算法包含了一个策略估计的过程，而策略估计则需要扫描(sweep)所有的状态若干次，其中巨大的计算量直接影响了策略迭代算法的效率。而值迭代每次只扫描一次，更新过程如下：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/835a355e36e0d46f444bc159e57aa3de.png"></p> <p>即在值迭代的第k+1次迭代时，直接将能获得的最大的Vπ(s)值赋给Vk+1。</p> <ul> <li><strong>Q-Learning</strong></li> </ul> <p>Q-Learning是根据值迭代的思路来进行学习的。该算法中，Q值更新的方法如下：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/ffe3731692f7464814fd91db50a4ffa5.png"></p> <p>虽然根据值迭代计算出目标Q值，但是这里并没有直接将这个Q值（是估计值）直接赋予新的Q，而是采用渐进的方式类似梯度下降，朝目标迈近一小步，取决于α，这就能够减少估计误差造成的影响。类似随机梯度下降，最后可以收敛到最优的Q值。具体算法如下：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/17cf1bada958b8abf75d4e636095ee96.png"></p> <p>如果没有接触过动态规划的童鞋看上述公式可能有点头大，下面通过表格来演示下Q值更新的过程，大家就明白了。</p> <table> <thead> <tr> <th>状态</th> <th>a1</th> <th>a2</th> <th>a3</th> <th>a4</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>s1</td> <td>Q(1, 1)</td> <td>Q(1, 2)</td> <td>Q(1, 3)</td> <td>Q(1, 4)</td> </tr> <tr> <td>s2</td> <td>Q(2, 1)</td> <td>Q(2, 2)</td> <td>Q(2, 3)</td> <td>Q(2, 4)</td> </tr> <tr> <td>s3</td> <td>Q(3, 1)</td> <td>Q(3, 2)</td> <td>Q(3, 3)</td> <td>Q(3, 4)</td> </tr> <tr> <td>s4</td> <td>Q(4, 1)</td> <td>Q(4, 2)</td> <td>Q(4, 3)</td> <td>Q(4, 4)</td> </tr> </tbody> </table> <p>Q-Learning算法的过程就是存储Q值的过程。上表中，横列为状态s，纵列为Action a，s和a决定了表中的Q值。</p> <ul> <li>第一步：初始化，将表中的Q值全部置0；</li> <li>第二步：根据策略及状态s，选择a执行。假定当前状态为s1，由于初始值都为0，所以任意选取a执行，假定这里选取了a2执行，得到了reward为1，并且进入了状态s3。根据Q值更新公式：</li> </ul> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/1d1fa4b3d916c5e956e7ae7b90934ccd.png"></p> <p>来更新Q值，这里我们假设α是1，λ也等于1，也就是每一次都把目标Q值赋给Q。那么这里公式变成：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/bab5e1b0b86f7a27b769da3b1d4b0cb5.png"></p> <p>所以在这里，就是</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/fe6a6160b5028b59255a4c71b1108e6b.png"></p> <p>那么对应的s3状态，最大值是0，所以</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/d8f4600d0a164aeaf6d2e0abefb21d75.png"></p> <p>Q表格就变成：</p> <table> <thead> <tr> <th>状态</th> <th>a1</th> <th>a2</th> <th>a3</th> <th>a4</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>s1</td> <td>0</td> <td>1</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s2</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s3</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s4</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> </tbody> </table> <p>然后置位当前状态s为s3。</p> <ul> <li>第三步：继续循环操作，进入下一次动作，当前状态是s3，假设选择动作a3，然后得到reward为2，状态变成s1，那么我们同样进行更新：</li> </ul> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/f5f2ee572a81806a9d5426b2d8271290.png"></p> <p>所以Q的表格就变成：</p> <table> <thead> <tr> <th>状态</th> <th>a1</th> <th>a2</th> <th>a3</th> <th>a4</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>s1</td> <td>0</td> <td>1</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s2</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s3</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>3</td> <td>0</td> </tr> <tr> <td>s4</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> <td>0</td> </tr> </tbody> </table> <ul> <li>第四步： 继续循环，Q值在试验的同时反复更新，直到收敛。</li> </ul> <p>上述表格演示了具有4种状态/4种行为的系统，然而在实际应用中，以本文讲到的Flappy Bird游戏为例，界面为80*80个像素点，每个像素点的色值有256种可能。那么实际的状态总数为256的80*80次方，这是一个很大的数字，直接导致无法通过表格的思路进行计算。</p> <p>因此，为了实现降维，这里引入了一个价值函数近似的方法，通过一个函数表近似表达价值函数：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/097c7da4ca1e1982ec48e5b7ca9937a8.png"></p> <p>其中，ω 与 <em>b</em> 分别为参数。看到这里，终于可以联系到前面提到的神经网络了，上面的表达式不就是神经元的函数吗？</p> <ul> <li><strong>Q-network</strong></li> </ul> <p>下面这张图来自论文《Human-level Control through Deep Reinforcement Learning》，其中详细介绍了上述将Q值神经网络化的过程。（感兴趣的可以点之前的链接了解原文～）</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/18e05f160c868c27db69249438a7b3a0.png"></p> <p>以本文为例，输入是经过处理的4个连续的80x80图像，然后经过三个卷积层，一个池化层，两个全连接层，最后输出包含每一个动作Q值的向量。</p> <p>现在已经将Q-learning神经网络化为Q-network了，接下来的问题是如何训练这个神经网络。神经网络训练的过程其实就是一个最优化方程求解的过程，定义系统的损失函数，然后让损失函数最小化的过程。</p> <p>训练过程依赖于上述提到的DQN算法，以目标Q值作为标签，因此，损失函数可以定义为：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/09b947282fb4b5a7daca5848f09b551e.png"></p> <p>上面公式是 <em> s' </em> ， <em> a' </em> 即下一个状态和动作。确定了损失函数，确定了获取样本的方式，DQN的整个算法也就成型了！</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/ffe963561dd744ac2ab7084fd44a28a0.png"></p> <p>值得注意的是这里的 <em> D </em> —Experience Replay，也就是经验池，就是如何存储样本及采样的问题。</p> <p>由于玩Flappy Bird游戏，采集的样本是一个时间序列，样本之间具有连续性，如果每次得到样本就更新Q值，受样本分布影响，效果会不好。因此，一个很直接的想法就是把样本先存起来，然后随机采样如何？这就是Experience Replay的思想。</p> <p>算法实现上，先反复实验，并且将实验数据存储在 <em> D </em> 中；存储到一定程度，就从中随机抽取数据，对损失函数进行梯度下降。</p> <h2>四、代码：TensorFlow实现</h2> <p>终于到了看代码的时候。首先申明下，当笔者从Deep Mind的论文入手，试图用TensorFlow实现对Flappy Bird游戏进行实现时，发现github已有大神完成demo。思路相同，所以直接以公开代码为例进行分析说明了。</p> <p>代码从结构上来讲，主要分为以下几部分：</p> <ul> <li>GameState游戏类，frame_step方法控制移动</li> <li>CNN模型构建</li> <li>OpenCV-Python图像预处理方法</li> <li>模型训练过程</li> </ul> <p>1. GameState游戏类及frame_step方法</p> <p>通过Python实现游戏必然要用pygame库，其包含时钟、基本的显示控制、各种游戏控件、触发事件等，对此有兴趣的，可以详细了解 <a href="/misc/goto?guid=4959747273232716358" rel="nofollow,noindex">pygame</a> 。frame_step方法的入参为shape为 (2,) 的ndarray，值域： [1,0]：什么都不做； [0,1]：提升Bird。来看下代码实现：</p> <pre> <code class="language-python">if input_actions[1] == 1: if self.playery > -2 * PLAYER_HEIGHT: self.playerVelY = self.playerFlapAcc self.playerFlapped = True # SOUNDS['wing'].play()</code></pre> <p>后续操作包括检查得分、设置界面、检查是否碰撞等，这里不再详细展开。</p> <p>frame_step方法的返回值是：</p> <pre> <code class="language-python">return image_data, reward, terminal</code></pre> <p>分别表示界面图像数据，得分以及是否结束游戏。对应前面强化学习模型，界面图像数据表示环境状态 <em>s</em> ，得分表示环境给予学习系统的反馈 <em>r</em> 。</p> <p>2. CNN模型构建</p> <p>该Demo中包含三个卷积层，一个池化层，两个全连接层，最后输出包含每一个动作Q值的向量。因此，首先定义权重、偏置、卷积和池化函数：</p> <pre> <code class="language-python"># 权重 def weight_variable(shape): initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.01) return tf.Variable(initial) # 偏置 def bias_variable(shape): initial = tf.constant(0.01, shape=shape) return tf.Variable(initial) # 卷积 def conv2d(x, W, stride): return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, stride, stride, 1], padding="SAME") # 池化 def max_pool_2x2(x): return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding="SAME")</code></pre> <p>然后，通过上述函数构建卷积神经网络模型（对代码中参数不解的，可直接往前翻，看上面那张手画的图）。</p> <pre> <code class="language-python">def createNetwork(): # 第一层卷积 W_conv1 = weight_variable([8, 8, 4, 32]) b_conv1 = bias_variable([32]) # 第二层卷积 W_conv2 = weight_variable([4, 4, 32, 64]) b_conv2 = bias_variable([64]) # 第三层卷积 W_conv3 = weight_variable([3, 3, 64, 64]) b_conv3 = bias_variable([64]) # 第一层全连接 W_fc1 = weight_variable([1600, 512]) b_fc1 = bias_variable([512]) # 第二层全连接 W_fc2 = weight_variable([512, ACTIONS]) b_fc2 = bias_variable([ACTIONS]) # 输入层 s = tf.placeholder("float", [None, 80, 80, 4]) # 第一层隐藏层+池化层 h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(s, W_conv1, 4) + b_conv1) h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1) # 第二层隐藏层（这里只用了一层池化层） h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2, 2) + b_conv2) # h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2) # 第三层隐藏层 h_conv3 = tf.nn.relu(conv2d(h_conv2, W_conv3, 1) + b_conv3) # h_pool3 = max_pool_2x2(h_conv3) # Reshape # h_pool3_flat = tf.reshape(h_pool3, [-1, 256]) h_conv3_flat = tf.reshape(h_conv3, [-1, 1600]) # 全连接层 h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_conv3_flat, W_fc1) + b_fc1) # 输出层 # readout layer readout = tf.matmul(h_fc1, W_fc2) + b_fc2 return s, readout, h_fc1</code></pre> <p>3. OpenCV-Python图像预处理方法</p> <p>在Ubuntu中安装opencv的步骤比较麻烦，当时也踩了不少坑，各种Google解决。建议安装opencv3。</p> <p>这部分主要对frame_step方法返回的数据进行了灰度化和二值化，也就是最基本的图像预处理方法。</p> <pre> <code class="language-python">x_t, r_0, terminal = game_state.frame_step(do_nothing) # 首先将图像转换为80*80，然后进行灰度化 x_t = cv2.cvtColor(cv2.resize(x_t, (80, 80)), cv2.COLOR_BGR2GRAY) # 对灰度图像二值化 ret, x_t = cv2.threshold(x_t, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY) # 四通道输入图像 s_t = np.stack((x_t, x_t, x_t, x_t), axis=2)</code></pre> <p>4. DQN训练过程</p> <p>这是代码部分要讲的重点，也是上述Q-learning算法的代码化。</p> <p>i. 在进入训练之前，首先创建一些变量：</p> <pre> <code class="language-python"># define the cost function a = tf.placeholder("float", [None, ACTIONS]) y = tf.placeholder("float", [None]) readout_action = tf.reduce_sum(tf.multiply(readout, a), axis=1) cost = tf.reduce_mean(tf.square(y - readout_action)) train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-6).minimize(cost) # open up a game state to communicate with emulator game_state = game.GameState() # store the previous observations in replay memory D = deque()</code></pre> <p>在TensorFlow中，通常有三种读取数据的方式：Feeding、Reading from files和Preloaded data。Feeding是最常用也最有效的方法。即在模型（Graph）构建之前，先使用placeholder进行占位，但此时并没有训练数据，训练是通过feed_dict传入数据。</p> <p>这里的 a 表示输出的动作，即强化学习模型中的Action， y 表示标签值， readout_action 表示模型输出与 a 相乘后，在一维求和，损失函数对标签值与输出值的差进行平方， train_step 表示对损失函数进行 Adam 优化。</p> <p>赋值的过程为：</p> <pre> <code class="language-python"># perform gradient step train_step.run(feed_dict={ y: y_batch, a: a_batch, s: s_j_batch} )</code></pre> <p>ii. 创建游戏及经验池 <em>D</em></p> <pre> <code class="language-python"># open up a game state to communicate with emulator game_state = game.GameState() # store the previous observations in replay memory D = deque()</code></pre> <p>经验池 <em>D</em> 采用了队列的数据结构，是TensorFlow中最基础的数据结构，可以通过 dequeue() 和 enqueue([y]) 方法进行 <strong>取出</strong> 和 <strong>压入</strong> 数据。经验池 <em>D</em> 用来存储实验过程中的数据，后面的训练过程会从中随机取出一定量的batch进行训练。</p> <p>变量创建完成之后，需要调用TensorFlow系统方法tf.global_variables_initializer()添加一个操作实现变量初始化。运行时机是在模型构建完成，Session建立之初。比如：</p> <pre> <code class="language-python"># Create two variables. weights = tf.Variable(tf.random_normal([784, 200], stddev=0.35), name="weights") biases = tf.Variable(tf.zeros([200]), name="biases") ... # Add an op to initialize the variables. init_op = tf.global_variables_initializer() # Later, when launching the model with tf.Session() as sess: # Run the init operation. sess.run(init_op) ... # Use the model ...</code></pre> <p>iii. 参数保存及加载</p> <p>采用TensorFlow训练模型，需要将训练得到的参数进行保存，不然一关机，就一夜回到解放前了。TensorFlow采用Saver来保存。一般在Session()建立之前，通过 tf.train.Saver() 获取Saver实例。</p> <pre> <code class="language-python">saver = tf.train.Saver()</code></pre> <p>变量的恢复使用 saver 的 restore 方法：</p> <pre> <code class="language-python"># Create some variables. v1 = tf.Variable(..., name="v1") v2 = tf.Variable(..., name="v2") ... # Add ops to save and restore all the variables. saver = tf.train.Saver() # Later, launch the model, use the saver to restore variables from disk, and # do some work with the model. with tf.Session() as sess: # Restore variables from disk. saver.restore(sess, "/tmp/model.ckpt") print("Model restored.") # Do some work with the model ...</code></pre> <p>在该Demo训练时，也采用了Saver进行参数保存。</p> <pre> <code class="language-python"># saving and loading networks saver = tf.train.Saver() checkpoint = tf.train.get_checkpoint_state("saved_networks") if checkpoint and checkpoint.model_checkpoint_path: saver.restore(sess, checkpoint.model_checkpoint_path) print("Successfully loaded:", checkpoint.model_checkpoint_path) else: print("Could not find old network weights")</code></pre> <p>首先加载CheckPointState文件，然后采用 saver.restore 对已存在参数进行恢复。</p> <p>在该Demo中，每隔10000步，就对参数进行保存：</p> <pre> <code class="language-python"># save progress every 10000 iterations if t % 10000 == 0: saver.save(sess, 'saved_networks/' + GAME + '-dqn', global_step=t)</code></pre> <p>iv. 实验及样本存储</p> <p>首先，根据ε 概率选择一个Action。</p> <pre> <code class="language-python"># choose an action epsilon greedily readout_t = readout.eval(feed_dict={s: [s_t]})[0] a_t = np.zeros([ACTIONS]) action_index = 0 if t % FRAME_PER_ACTION == 0: if random.random() <= epsilon: print("----------Random Action----------") action_index = random.randrange(ACTIONS) a_t[random.randrange(ACTIONS)] = 1 else: action_index = np.argmax(readout_t) a_t[action_index] = 1 else: a_t[0] = 1 # do nothing</code></pre> <p>这里， readout_t 是训练数据为之前提到的四通道图像的模型输出。 a_t 是根据ε 概率选择的Action。</p> <p>其次，执行选择的动作，并保存返回的状态、得分。</p> <pre> <code class="language-python"># run the selected action and observe next state and reward x_t1_colored, r_t, terminal = game_state.frame_step(a_t) x_t1 = cv2.cvtColor(cv2.resize(x_t1_colored, (80, 80)), cv2.COLOR_BGR2GRAY) ret, x_t1 = cv2.threshold(x_t1, 1, 255, cv2.THRESH_BINARY) x_t1 = np.reshape(x_t1, (80, 80, 1)) # s_t1 = np.append(x_t1, s_t[:,:,1:], axis = 2) s_t1 = np.append(x_t1, s_t[:, :, :3], axis=2) # store the transition in D D.append((s_t, a_t, r_t, s_t1, terminal))</code></pre> <p>经验池 <em> D </em> 保存的是一个马尔科夫序列。 (s_t, a_t, r_t, s_t1, terminal) 分别表示 t 时的状态 s_t ，执行的动作 a_t ，得到的反馈 r_t ，以及得到的下一步的状态 s_t1 和游戏是否结束的标志 terminal 。</p> <p>在下一训练过程中，更新当前状态及步数：</p> <pre> <code class="language-python"># update the old values s_t = s_t1 t += 1</code></pre> <p>重复上述过程，实现反复实验及样本存储。</p> <p>v. 通过梯度下降进行模型训练</p> <p>在实验一段时间后，经验池 <em> D </em> 中已经保存了一些样本数据后，就可以从这些样本数据中随机抽样，进行模型训练了。这里设置样本数为 OBSERVE = 100000. 。随机抽样的样本数为 BATCH = 32 。</p> <pre> <code class="language-python">if t > OBSERVE: # sample a minibatch to train on minibatch = random.sample(D, BATCH) # get the batch variables s_j_batch = [d[0] for d in minibatch] a_batch = [d[1] for d in minibatch] r_batch = [d[2] for d in minibatch] s_j1_batch = [d[3] for d in minibatch] y_batch = [] readout_j1_batch = readout.eval(feed_dict={s: s_j1_batch}) for i in range(0, len(minibatch)): terminal = minibatch[i][4] # if terminal, only equals reward if terminal: y_batch.append(r_batch[i]) else: y_batch.append(r_batch[i] + GAMMA * np.max(readout_j1_batch[i])) # perform gradient step train_step.run(feed_dict={ y: y_batch, a: a_batch, s: s_j_batch} )</code></pre> <p>s_j_batch 、 a_batch 、 r_batch 、 s_j1_batch 是从经验池 <em> D </em> 中提取到的马尔科夫序列（Java童鞋羡慕Python的列表推导式啊）， y_batch 为标签值，若游戏结束，则不存在下一步中状态对应的Q值（回忆Q值更新过程），直接添加 r_batch ，若未结束，则用折合因子（0.99）和下一步中状态的最大Q值的乘积，添加至 y_batch 。</p> <p>最后，执行梯度下降训练，train_step的入参是 s_j_batch 、 a_batch 和 y_batch 。差不多经过2000000步（在本机上大概10个小时）训练之后，就能达到本文开头动图中的效果啦。</p> <p>以上。</p> <p> </p> <p>来自：http://www.cnblogs.com/younghao/p/6696739.html</p> <p> </p>