尝一尝深度学习的“樱桃”强化学习

引言

强化学习是蛋糕顶上缀着的一颗樱桃，这不是我说的，而是深度学习领域Yann LeCun教授在CoRL 2017大会上做的演讲时提及的。他著名的“蛋糕”理论。“真正的”强化学习好比蛋糕上的樱桃，监督学习好比蛋糕上的糖衣，而蛋糕本身是非监督学习（预测学习）。这里LeCun也表示，这一比喻对做强化学习的兄弟可能不太友好。

认识下“樱桃”

什么是强化学习呢？举个通俗的例子，强化学习就好比一个女猎手（为啥是女猎手，因为我下面用了阿塔兰忒的图像，哈哈）进入了一个迷雾森林，里面充满了各种挑战和奖励。她得自己摸索，判断哪个方向更有“糖果”，哪个方向有“陷阱”。在这个过程中，她会慢慢学会，哦，原来这样做能得到糖果，那样做会掉进陷阱。

不过，这个魔法森林可不是那么容易走的。有时候，她会走错路，掉进陷阱，或者绕着同一个地方转圈圈。这时候，就需要神出手啦，给她点提示，让她知道哪个方向可能更有糖果。这就是我们常说的“智能体（agent）”和“环境（evironment）”之间的互动。

通过这样的摸索和学习，阿塔兰忒最终会走出迷雾森林，这就是强化学习的魅力所在啦！

小姐姐好看吧，也是我用AIGC生成的，嘿嘿。

其实上面简单通俗的语言，就已经把强化学习的原理展露出来了，强化学习（Reinforcement Learning，RL）是一种通过试错来学习的方法。在深度学习中，强化学习用于训练智能体（agent）在环境（evironment）中采取行动，以最大化累积奖励。与监督学习不同，强化学习没有明确的输入输出对，智能体需要通过与环境的交互来学习最佳策略。

深度学习中的强化学习原理涉及到状态（state）、动作（action）、奖励（reward）等核心概念。状态是指环境的当前状态，动作是智能体可以执行的操作，奖励是智能体采取某个动作后获得的正面或负面反馈。智能体在环境中不断尝试不同的动作，根据奖励信号来调整策略，以期获得最大的累积奖励。

深度强化学习在许多应用领域取得了显著的成果，例如自动驾驶、游戏AI、机器人控制等。在实际应用中，智能体需要与环境进行大量的交互来学习最佳策略，这通常需要大量的计算资源和时间。

实践环节

当然只知道上面的原理是不够的，实践出真知，这块怎么去实验呢？我想起了2017年，Deepmind公司发表在nature科学杂志上的AlphaGoZero论文，当时也是通过在围棋比赛上战胜人类冠军而出圈，零人类经验，其自我训练的时间仅为3天，自我对弈的棋局数量为490万盘。但它以100:0的战绩击败前辈。围棋显然我没法找到足够算力支持，但是找个简单的游戏，还是可行的，那么我想到了一个简单好玩的小游戏《flappy bird》，我首先做了一个通过玩家控制的版本：

是不是很熟悉，画面不够精致，但是也够用了，小白球作为小鸟，需要往前飞，又不能碰到白色障碍物。我自己来控制，还是比较难掌控的，很快就会死了。

那么怎么实现AI控制小鸟，就是我要完成的事情。首先上面说的环境（evironment）在这个游戏中就是这个游戏本身，智能体（agent）就是这个小鸟的大脑，控制小鸟的行动。关于环境（evironment），如何抽象状态（state）是关键，我想到有好几种方法：

1. 整个游戏画面作为state，画面的每个像素点就是state，智能体（agent）需要自己理解这个画面意味着什么，障碍物的距离，小鸟的位置等等；
2. 计算某一帧时环境变量，最近的障碍物顶部占据画面高度的比例，小鸟离最近障碍物的距离占画面宽度的比例，小鸟的垂直方向的位置，小鸟的速度等等；

显然不管环境（evironment）如何抽象，智能体（agent）都应该可以学会如何应对某一个具体的state，我在这篇文章中，先尝试了2这个方法，定义了5个变量：

environment[0] = closest.x / (WIN_WIDTH - bird.x) # 最近的障碍物的横坐标 = closest.x，小鸟的横坐标 = bird.x，屏幕的宽度 = WIN_WIDTH
environment[1] = closest.top / WIN_HEIGHT # 最近的障碍物上半部分下沿 = closest.top，屏幕的高度 = WIN_HEIGHT
environment[2] = closest.bottom / WIN_HEIGHT # 最近的障碍物下半部分上沿 = closest.bottom，屏幕的高度 = WIN_HEIGHT
environment[3] = bird.y / WIN_HEIGHT # 小鸟的纵坐标 = bird.y，屏幕的高度 = WIN_HEIGHT
environment[4] = bird.velocity / 10 # 小鸟的往前的速度 = bird.velocity

智能体（agent）简单定义为一个深度神经网络（4层的全连接网络），输入就是上面的evironment数组变量，输出为action，在这个游戏中就是两种行为：1、向上飞；2、保持不动，所以神经网络最终输出为2。

brain = Sequential(
    Linear(5, 16, name='linear1'),
    ReLU(name='relu1'),
    Linear(16, 64, name='linear2'),
    ReLU(name='relu2'),
    Linear(64, 16, name='linear2'),
    ReLU(name='relu3'),
    Linear(16, 2, name='linear2'),
)

那么就来到了最难设计的部分，奖励（reward）如何设计，这里又必须展开一些强化学习训练细节来讲下。强化学习的训练数据，是通过智能体（agent）和环境（evironment）不停的交互，产生的一系列动作（action）概率和一系列奖励（reward）来进行训练的。所以奖励（reward）的设计尤为关键，简单讲就是在迷雾森林中，你要准确的告诉阿塔兰忒往左是陷阱，会被扣分，往右是糖果，是个奖励，会加分。所以在每个具体游戏中，都需要去明确的制定合理的奖励（reward）规则，最后智能体（agent）才会做出利益最大化的动作（action），那么我这里是这样定义的：

for pipe in self.pipes:
    if pipe.hits(bird):
        reward = -450 # 撞到障碍物 pipe，扣450分
        done = True
        break
    elif pipe.avoid(bird):
        reward = 60 # 躲避障碍物 pipe，得60分

if bird.hitBottom():
    reward = -450 # 小鸟撞到底部，扣450分
elif bird.hitTop():
    reward = -450 # 小鸟撞到底部，扣450分

别小看这几句代码，简单但是扣分和得分是会影响智能体（agent）学习的速度的。我这里是调试了不少时间，才完成了整个训练，如果有朋友有兴趣，我可以详细来讲下这部分的训练实现和调试过程，这篇文章里我不进行展开。

结论

展示下最终的效果：

感觉效果还是十分nice的，视频转gif没处理好，感觉gif图的质量一般，我自己看AI玩的效果是真的6，我想下次可以再继续使用图片作为环境（environment），改一下模型结构（可能需要换成resnet等cnn作为backbone），硬train一发，也能得到类似的效果，这个就留作后续的任务，挖个小坑。