更多强化学习项目 (定制化环境)¶

任天堂系统（NES）上的超级马里奥兄弟 & 超级马里奥兄弟2 是1980年代最受欢迎的游戏之一。来设计一个基于 DRL 的 AI 来探索这款经典游戏怎么样? 在本教程中，我们将在 DI-engine 中实现一个由人工智能控制的马里奥（使用 DQN 算法）。

使用配置文件¶

DI-engine 使用全局配置文件来控制环境和策略的所有变量，每个变量都有对应的默认配置可以在 mario_dqn_config 中找到，在本次教程中我们直接使用默认配置：

from dizoo.mario.mario_dqn_config import main_config, create_config
from ding.config import compile_config

cfg = compile_config(main_config, create_cfg=create_config, auto=True)

初始化环境¶

超级马里奥兄弟 是一个 图像输入 观察环境, 所以我们不只是通过 DingEnvWrapper 封装原始的 gym 环境，而是需要添加一些额外的 Wrapper 在发送给 DQN Policy 之前对观测进行预处理。在本教程中，我们使用以下5个 Wrapper 来预处理数据并转换为 DI-engine 的环境格式，下列是一些基本描述，你可以在这里找到完整代码实现和注释

MaxAndSkipWrapper : 由于连续帧变化不大，我们可以跳过n个中间帧来简化它而不会损失太多信息。

WarpFrameWrapper : 将原始 RGB 图像转换为灰度图，并将其调整为标准大小以进行 DRL 训练。

ScaledFloatFrameWrapper : 将原始图像从[0-255]归一化到[0-1]，有利于神经网络训练。

FrameStackWrapper : 堆叠连续的帧。由于我们无法从单帧推断方向、速度等信息，堆叠帧可以提供更多的必要信息。

EvalEpisodeReturnWrapper : 记录最终的 evaluation reward（即马里奥中的 episode return），适配 DI-engine 的环境格式。

Note

如果找不到合适的 Env Wrapper，您可以按照 gym.Wrapper 格式定义自己的 Wrapper ，也可以根据 Customized Env doc 实现符合 DI-engine 的环境格式

# use subprocess env manager to speed up collecting
from ding.envs import DingEnvWrapper, SubprocessEnvManagerV2
from ding.envs.env_wrappers import MaxAndSkipWrapper, WarpFrameWrapper, ScaledFloatFrameWrapper, FrameStackWrapper, \
   EvalEpisodeReturnWrapper
import gym_super_mario_bros
from nes_py.wrappers import JoypadSpace


def wrapped_mario_env():
    return DingEnvWrapper(
        # Limit the action-space to 2 dim: 0. walk right, 1. jump right
        JoypadSpace(gym_super_mario_bros.make("SuperMarioBros-1-1-v0"), [["right"], ["right", "A"]]),
        cfg={
            'env_wrapper': [
                lambda env: MaxAndSkipWrapper(env, skip=4),
                lambda env: WarpFrameWrapper(env, size=84),
                lambda env: ScaledFloatFrameWrapper(env),
                lambda env: FrameStackWrapper(env, n_frames=4),
                lambda env: EvalEpisodeReturnWrapper(env),
            ]
        }
    )

collector_env_num, evaluator_env_num = cfg.env.collector_env_num, cfg.env.evaluator_env_num
collector_env = SubprocessEnvManagerV2(
    env_fn=[wrapped_mario_env for _ in range(collector_env_num)], cfg=cfg.env.manager
)
evaluator_env = SubprocessEnvManagerV2(
    env_fn=[wrapped_mario_env for _ in range(evaluator_env_num)], cfg=cfg.env.manager
)

Note

以下内容与 CartPole + DQN 示例相同, 只需要选择策略并搭建整个训练管线

选择策略¶

DI-engine 涵盖了大部分强化学习策略，使用它们只需要选择正确的策略和模型。由于 DQN 是 Off-Policy 类型算法，我们还需要实例化一个缓冲区模块。

from ding.model import DQN
from ding.policy import DQNPolicy
from ding.data import DequeBuffer

model = DQN(**cfg.policy.model)
buffer_ = DequeBuffer(size=cfg.policy.other.replay_buffer.replay_buffer_size)
policy = DQNPolicy(cfg.policy, model=model)

构建管线¶

借助 DI-engine 提供的各种中间件，我们可以轻松构建整个训练管线：

from ding.framework import task
from ding.framework.context import OnlineRLContext
from ding.framework.middleware import OffPolicyLearner, StepCollector, interaction_evaluator, data_pusher, eps_greedy_handler, CkptSaver, nstep_reward_enhancer

with task.start(async_mode=False, ctx=OnlineRLContext()):
    # Evaluating, we place it on the first place to get the score of the random model as a benchmark value
    task.use(interaction_evaluator(cfg, policy.eval_mode, evaluator_env))
    task.use(eps_greedy_handler(cfg))  # Decay probability of explore-exploit
    task.use(StepCollector(cfg, policy.collect_mode, collector_env))  # Collect environmental data
    task.use(nstep_reward_enhancer(cfg))  # Prepare nstep reward for training
    task.use(data_pusher(cfg, buffer_))  # Push data to buffer
    task.use(OffPolicyLearner(cfg, policy.learn_mode, buffer_))  # Train the model
    task.use(CkptSaver(policy, cfg.exp_name, train_freq=100))  # Save the model
    # In the evaluation process, if the model is found to have exceeded the convergence value, it will end early here
    task.run()

运行代码¶

完整的示例可以在马里奥DQN示例中找到，并且可以通过 python3 mario_dqn_example.py 运行，这个示例可以在1～2小时内给出顺利的结果，我们的超级马里奥可以很快地通过1-1关卡且不收到任何伤害，下图是训练好的智能体的回放视频和详细的训练曲线。

现在您已经完成了使用 DI-engine 的 定制化环境示例 , 您可以在示例目录中尝试更多算法, 或继续阅读文档以更深入地了解 DI-engine 的算法, 系统设计和最佳实践.