Unity 机器学习代理工具包 (ML-Agents) 是一个开源项目，它使游戏和模拟能够作为训练智能代理的环境。

unity3d unity unity-tech reinforcement-le deep-learning deep-reinforcement-learning neural-networks

21 KiB

原始文件 文件历史

Начало работы

В данной статье мы разберем шаг за шагом один из наших примеров, обучим в нем искусственный интеллект (агента - Agent) и применим полученную модель в Unity сцене (scene). После прочтения статьи, вы сможете обучить агента в любой другой сцене из наших примеров. Если вы не работали с движком Unity, пожалуйста, ознакомьтесь с нашей статьей Background: Unity. Также, если словосочетание “машинное обучение” вам ничего не говорит, прочтите для быстрого ознакомления о нем здесь Background: Machine Learning.

Нашей сценой будет 3D Balance Ball. Агенты в ней - синие кубы-платформы, у каждого на голове по мячу. Все они - копии друг друга. Каждый куб-агент пытается предотвратить падение мячика, у каждого из них есть возможность двигать головой вверх-вниз (кивать), вправо-лево (качать). В данной сцене, - или иначе, среде, куб-платформа - это Агент, который получает награду за каждый момент времени, когда ему удается удержать мяч на голове. Агент также наказывается (отрицательная награда), если мяч падает с его головы. Цель обучения - научить агента удерживать мячик на голове.

Все, начинаем!

Установка

Если вы еще не установили ML-Agents, следуйте этой инструкции по установке(https://github.com/Unity-Technologies/ml-agents/tree/main/docs/localized/RU/docs/Установка.md).

Далее, откройте в Unity Project, в котором находятся примеры:
Запустите Unity Hub
В Projects нажмите на Add вверху окна. Перейдите в папку с ML-Agents Toolkit, найдите папку Projects и нажмите Open.
В окне Project перейдите на Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/Scenes и откройте файл-сцену 3DBall.

О среде/cцене Unity

Агент - это автономный actor (официальное название в документации), который взаимодействует со средой, собирая о ней данные. В Unity, среда это сцена (scene), в которой есть один или более объектов - Агентов, а также, конечно, и другие объекты, с которыми взаимодействует агент.

Обратите внимание: В Unity каждый объект сцены - это объект класса GameObject. GameObject это буквально контейнер для всего, что касается объекта: его физики, графики, поведения и пр., называемое компонентами. Чтобы посмотреть все компоненты, составляющие GameObject, выберите GameObject в окне Scene и откройте окно Inspector. Inspector показывает все компоненты GameObject. Первое, что мы можете заметить, открыв сцену 3D Balance Ball, что она состоит не из одного, а нескольких кубов - агентов. Каждый такой агент в сцене это независимый агент, но у них на всех одно Поведение (Behavior). Это сделано для ускорения процесса обучения: все 12 агентов вносят свой вклад одновременно.

Агент

Агент - это actor (действующие лицо), который делает наблюдения (“видит/слушает/пр.” - принимает заданные сигналы) и совершает действия в среде. В 3D Balance Ball компоненты Агента помещены в 12 "Агентов" - GameObjects. Агент как объект обладает парой свойств, которые влияют на его поведение:

Behavior Parameters (Параметры поведения) — У каждого Агента должно быть Поведение. Поведение определяет решения Агента.
Max Step (Максимальное количество шагов) — Определяет, сколько шагов допускается сделать в рамках одной симуляции до завершения эпизода, достижение максимального значения также означает завершение. В 3D Balance Ball Агент перезапускается после 5000 шагов. Иными словами: каждый эпизод - это симуляция, в рамках которой куб пытается удержать шарик. Симуляция заканчивается либо по прошествию 5000 шагов, либо после определенного времени.

Параметры поведения: Векторное пространство наблюдений (Vector Observation Space)

Перед тем как принять тот или иной шаг/действие, агент собирает наблюдения о среде, ее состоянии. Векторное пространство наблюдений это вектор со значениями типа float (с плавающей точкой, например, 3.14), которые представляют собой информацию о мире, позволяющими агенту принять решение о том или ином действии. Параметры поведения в примере 3D Balance Ball использую вектор размерностью 8: это значит, что в нем хранится 8 элементов наблюдения: x и z компоненты ротации агента, x, y, z компоненты относительного местонахождения шарика, а также его скорость (состоящую из трех компонентов).

Параметры поведения: Векторное пространство действий (Vector Action Space)

Действия Агента даны в форме массива с типом float. ML-Agents Toolkit классифицирует действия на два типа: дискретные и непрерывные. Пример 3D Balance Ball использует непрерывное пространство действий, представляющий собой вектор чисел, которые могут меняться сколь угодно мало. Поясним: в примере размер вектора действий - 2: контроль x and z компонент ротации, чтобы удержать шарик на голове. Так вот, изменение (без учета выделенной памяти) может быть равным 0,1. Может быть равным и 0.11, а может и на 0.1000001… и так далее - это и есть свойство непрерывности. Еще пример для понимания: скажем, ваш рост составляет 180 см. Если мы его начнем измерять более точной линейкой, окажется, что он на самом деле 180,01 cм. Если еще более точной линейкой, то 180,012345 см. И так далее, при точности линейки, стремящейся к бесконечности, уточнение вашего роста также стремиться к бесконечности.

Запуск заранее обученной (предтренированной) модели

Мы включили в свои примеры заранее обученные модели (файлы с расширением .nn) и использовали Unity Inference Engine, чтобы запустить их в Unity. В этом разделе мы воспользуемся одной из таких моделей для 3D Ball.

В окне Project пройдите в папку Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/Prefabs. Раскройте 3DBall и кликните на префаб (prefab) Agent. Вы должны будете увидеть префаб Agent в окне Inspector.

Обратите внимание: Кубы-платформы в сцене 3DBall были сделаны используя префаб 3DBall. Поэтому при необходимости внести изменения в каждую из платформ, вы можете просто изменить сам префаб вместо этого.
В окне Project, перенесите модель (Model) поведения 3DBall, находящуюся в Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/TFModels в свойство Model в компоненте Behavior Parameters (Script) в окне Inspector GameObject’a Agent.
Теперь каждый Агент на каждой платформе 3DBall в окне Hierarchy должен содержать модель поведения 3DBall в Behavior Parameters. Обратите внимание : Вы можете изменять разные игровые объекты на сцене, выбрав их разом, используя строку поиска в Hierarchy сцены (Scene Hierarchy).
В Inference Device для данной модели выберите CPU.
Нажмите на кнопку Play в Unity - наши платформы будут удерживать мячик, используя ранее обученную модель.

Обучение новой модели с использованием обучения с подкреплением (Reinforcement Learning)

В любой среде, которую вы сделаете сами, вам нужно будет обучить агентов с нуля, чтобы у вас сгененировался файл модели (поведения). В данном разделе мы покажаем как использовать алгоритмы обучения с подкреплением (reinforcement learning), являющиеся частью пакета ML-Agents Python. Ниже представлена команда mlagents-learn, чтобы управлять как обучением, так и генерацией модели.

Обучение среды

Откройте командную строку (терминал).
Выберите папку с клонированным репозиторием. Обратите внимание: если вы использовали дефолтную установку, вам должно быть доступно выполнение mlagents-learn из любой директории/папки.
Выполните mlagents-learn config/ppo/3DBall.yaml --run-id=first3DBallRun.
- config/ppo/3DBall.yaml - путь к файлу с дефолтной конфигурации обучения, который мы предоставили. Папка config/ppo содержит файлы конфигов обучения для всех наших примеров, включая 3DBall.
- run-id - уникальное имя для данной обучающий сессии.
Когда отобразится сообщение "Start training by pressing the Play button in the Unity Editor" (“Начните обучение нажатием кнопки “Play” в редакторе Unity”) - нажмите Play в Unity, чтобы начать обучение в Editor.

Если mlagents-learn запущено корректно и начался процесс обучения, вы должны будете увидеть что-то вроде этого:

INFO:mlagents_envs:
'Ball3DAcademy' started successfully!
Unity Academy name: Ball3DAcademy

INFO:mlagents_envs:Connected new brain:
Unity brain name: 3DBallLearning
        Number of Visual Observations (per agent): 0
        Vector Observation space size (per agent): 8
        Number of stacked Vector Observation: 1
        Vector Action space type: continuous
        Vector Action space size (per agent): [2]
        Vector Action descriptions: ,
INFO:mlagents_envs:Hyperparameters for the PPO Trainer of brain 3DBallLearning:
        batch_size:          64
        beta:                0.001
        buffer_size:         12000
        epsilon:             0.2
        gamma:               0.995
        hidden_units:        128
        lambd:               0.99
        learning_rate:       0.0003
        max_steps:           5.0e4
        normalize:           True
        num_epoch:           3
        num_layers:          2
        time_horizon:        1000
        sequence_length:     64
        summary_freq:        1000
        use_recurrent:       False
        memory_size:         256
        use_curiosity:       False
        curiosity_strength:  0.01
        curiosity_enc_size:  128
        output_path: ./results/first3DBallRun/3DBallLearning
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 1000. Mean Reward: 1.242. Std of Reward: 0.746. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 2000. Mean Reward: 1.319. Std of Reward: 0.693. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 3000. Mean Reward: 1.804. Std of Reward: 1.056. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 4000. Mean Reward: 2.151. Std of Reward: 1.432. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 5000. Mean Reward: 3.175. Std of Reward: 2.250. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 6000. Mean Reward: 4.898. Std of Reward: 4.019. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 7000. Mean Reward: 6.716. Std of Reward: 5.125. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 8000. Mean Reward: 12.124. Std of Reward: 11.929. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 9000. Mean Reward: 18.151. Std of Reward: 16.871. Training.
INFO:mlagents.trainers: first3DBallRun: 3DBallLearning: Step: 10000. Mean Reward: 27.284. Std of Reward: 28.667. Training.

Обратите внимание, что средняя награда (Mean Reward), увеличивается от одной фазы обучения к другой. Это сигнал, что процесс обучения проходит успешно.

Примечание: Вы можете обучать агента, используя вместо Editor’a исполняемые файлы. См. инструкцию Using an Executable.

Наблюдение за тренировочным процессом

Начав обучать модель с помощью mlagents-learn в директории ml-agents появится папка results. Чтобы более детально посмотреть процесс обучения, вы можете использовать TensorBoard. Выполните в командной строке следующую команду:

tensorboard --logdir results

В вашем браузере наберите localhost:6006, чтобы посмотреть статистики TensorBoard. В рамках этого примера самой важной из них является Environment/Cumulative Reward (среда/суммарная награда за эпизод), которая должно увеличиваться в процессе обучения, приближаясь к 100 - максимально возможное значение, которого может достигнуть агент.

Внедрение модели в среду Unity

Когда процесс обучения завершен и модель сохранена (об этом будет специальное уведомление - Saved Model), вы можете добавить ее в проект Unity и использовать ее в рамках тех Agents, на базе которых она обучалась (иначе говоря, применить снова к тем же кубам-платформам). Обратите внимание: Не закрывайте окно Unity, когда появится уведомление Saved Model. Подождите пока это не будет сделать автоматически или нажмитеCtrl+Cв командной строке. Если вы закроете окно вручную,.nnfile с обученной моделью не будет экспортирован в папкуml-agents`.

Если вы прервали обучение через Ctrl+C и хотите его продолжить, выполните ту же команду, приписав к ней --resume:

mlagents-learn config/ppo/3DBall.yaml --run-id=first3DBallRun --resume

Ваша обученная модель будет находится в каталоге вида results/<run-identifier>/<behavior_name>.nn, где <behavior_name> это название поведения (Behavior Name) агента, на базе которого и была обучена модель. Этот файл содержит в себе последнюю сгенерированную версию. Теперь вы можете применить модель к вашим Агентам, следуя инструкции, которая идентична той, что была выше:

Перенесите файл модели в Project/Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/TFModels/.
Откройте Unity Editor (редактор Unity) и выберите 3DBall с цену как описано выше.
Выберете 3DBall префаб (prefab) объекта Агента.
Переместите <behavior_name>.nn файл из окна Project, которых находится в Editor’e, в Model в Ball3DAgent в окне Inspector.
Нажмите кнопку Play вверху Editor’a.

Следующие шаги

Для дополнительной информации о ML-Agents Toolkit, см. Обзор ML-Agents Toolkit.
Создание своих сцен для обучения агентов.
Обзор более сложных сред обучения, которые есть в качестве примера в ML-Agents - Example Environments
Информация про различные опции обучения - Training ML-Agents

21 KiB 原始文件 文件历史