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Google Research Football (Gfootball)

概述

Google Research Football（以下简称 Gfootball）是 Google 团队在开源足球游戏 GamePlay Football的基础上创建的适用于强化学习研究的足球环境， 兼容 OpenAI Gym API，不仅可用于智能体训练，也允许玩家以键盘或手柄输入与内置AI或训练的智能体进行游戏。下图为渲染后的 Gfootball 游戏环境。

安装

  1. 依赖包

Linux

sudo apt-get install git cmake build-essential libgl1-mesa-dev libsdl2-dev \
libsdl2-image-dev libsdl2-ttf-dev libsdl2-gfx-dev libboost-all-dev \
libdirectfb-dev libst-dev mesa-utils xvfb x11vnc python3-pip

python3 -m pip install --upgrade pip setuptools psutil wheel

MacOS

brew install git python3 cmake sdl2 sdl2_image sdl2_ttf sdl2_gfx boost boost-python3

python3 -m pip install --upgrade pip setuptools psutil wheel

Windows

python -m pip install --upgrade pip setuptools psutil wheel

  1. 安装gfootball环境

pip安装

python3 -m pip install gfootball

从github源码安装

git clone https://github.com/google-research/football.git
cd football
python3 -m pip install .

  1. 环境安装的验证

python3 -m gfootball.play_game --action_set=full

进入如下游戏界面，证明安装成功。

更多安装环境相关的问题，可以参考Gfootball 官网 github。此外，官方也提供了 docker image 用于在 docker 环境中部署环境，可以参考 docker 部署文档 。

环境创建API

在导入并创建环境成功后，可以通过与 openAI gym 相同的代码来与环境交互：

import gfootball.env as football_env
env = football_env.create_environment(
     env_name='11_vs_11_stochastic',
     representation='raw',
     stacked=False,
     logdir='/tmp/football',
     write_goal_dumps=False,
     write_full_episode_dumps=False,
     write_video=False,
     render=False,
     number_of_right_players_agent_controls=1
)


env.reset()
obs = env.observations()
action = get_action(obs) # your model
next_obs, reward, done, info = env.step(action)

创建环境的API如下：

  • env name。核心参数，决定环境创建的场景，常用为 11 vs 11 stochastic，11 vs 11 easy stochastic，11 vs 11 hard stochastic，分别对应对局中等、简单和困难三种难度内置bot的完整90分钟足球游戏。此外，还有点球等场景如 academy run pass and shoot with keeper，详见 文档 。

  • Representation。环境输出的表征类型，raw 为原始向量输入，如球员位置、球速度等信息，pixels 为原始图像像素输入，官方还提供了一些现有的环境输入封装。

  • stacked。是否堆叠帧输入。

  • logdir。日志文件的保存路径。

  • write_goal_dumps。是否保存进球时的二进制文件用于生成录像回放。

  • write_full_episode_dumps。是否保存全程的二进制文件用于生成录像回放。

  • write_video。是否生成渲染的全程视频。

  • render。是否实时渲染。

  • number_of_right_players_agent_controls。选择同时控制的球员数目。

也可以使用由 DI-engine 封装的环境：

### 对局内置bot环境
from dizoo.gfootball.envs.gfootball_env import GfootballEnv
env = GfootballEnv({})

### self play 环境
from dizoo.gfootball.envs.gfootballsp_env import GfootballEnv
env = GfootballEnv({})

状态空间

一般使用raw输入信息

  • 球信息：

    • ball - [x, y, z] 坐标。

    • ball_direction - [x, y, z]球的速度方向。

    • ball_rotation - [x, y, z] 球的旋转方向。

    • ball_owned_team - {-1, 0, 1}, -1 = 球不被球队持有, 0 = 左队, 1 = 右队。

    • ball_owned_player - {0..N-1} 表明球被哪个队员持有。

  • 左队信息：

    • left_team - N*2维向量 [x, y]，表明球员位置。

    • left_team_direction - N*2 维向量 [x, y]，表明球员速度方向。

    • left_team_tired_factor - N 维向量 ，表明球员疲劳度. 0表示完全不疲劳。

    • left_team_yellow_card - N 维向量，表明球员是否有黄牌。

    • left_team_active - N 维向量，表明球员是否没有红牌.

    • left_team_roles - N 维向量，表明球员角色:

      • 0 = ePlayerRoleGK - goalkeeper,

      • 1 = ePlayerRoleCB - centre back,

      • 2 = ePlayerRoleLB - left back,

      • 3 = ePlayerRoleRB - right back,

      • 4 = ePlayerRoleDM - defence midfield,

      • 5 = ePlayerRoleCM - central midfield,

      • 6 = ePlayerRoleLM - left midfield,

      • 7 = ePlayerRoleRM - right midfield,

      • 8 = ePlayerRoleAM - attack midfield,

      • 9 = ePlayerRoleCF - central front,

  • 右队信息：与左队对称

  • 控制球员信息：

    • active - {0..N-1} 表明控制球员号码。

    • designated - {0..N-1} 表明带球球员号码。

    • sticky_actions - 10维向量表明如下动作是否可执行:

      • 0 - action_left

      • 1 - action_top_left

      • 2 - action_top

      • 3 - action_top_right

      • 4 - action_right

      • 5 - action_bottom_right

      • 6 - action_bottom

      • 7 - action_bottom_left

      • 8 - action_sprint

      • 9 - action_dribble

  • 比赛信息

    • score - 得分.

    • steps_left - 剩余步数（全局比赛 3000 步）.

    • game_mode - 比赛状态信息:

      • 0 = e_GameMode_Normal

      • 1 = e_GameMode_KickOff

      • 2 = e_GameMode_GoalKick

      • 3 = e_GameMode_FreeKick

      • 4 = e_GameMode_Corner

      • 5 = e_GameMode_ThrowIn

      • 6 = e_GameMode_Penalty

  • 图像：RGB的游戏图像信息。

DI-engine封装的状态空间

  • Players: 29 维

    • avail，可行动作（10 维 one-hot，长传、高脚、短传、射门、冲刺、停止运动、停止冲刺、
      滑铲、运球、停止运球）（参考#6）

    • [player_pos_x, player_pos_y] ，当前控制球员位置（2 维坐标）

    • player_direction*100，当前控制球员运动方向（2 维坐标）

    • *player_speed*100 ，当前控制球员速度（1 维标量）

    • layer_role_onehot ，当前控制球员角色（10 维one-hot）

    • [ball_far, player_tired, is_dribbling, is_sprinting] ，球是否过远，当前控制球
      员疲劳度，是否在带球、是否在冲刺（4 维 0/1）

  • Ball: 18维

    • obs['ball'] ，球位置（3 维坐标）

    • ball_which_zone ，人为划定的球所在区域（6 维 one-hot）

    • [ball_x_relative, ball_y_relative] ，球距离当前控制球员的x、y轴距离（2 维）

    • obs['ball_direction']*20 ，球运动方向（3 维坐标）

    • *[ball_speed*20, ball_distance, ball_owned, ball_owned_by_us] ，球速，球与当前
      控制球员的距离，球是否被控制、球是否被我方控制（4 维）

  • LeftTeam: 7维。所有我方球员的下述信息（10*7）

    • LeftTeamCloset：7 维

      • 离当前控制球员最近我方球员的位置（2 维）

      • 离当前控制球员最近我方球员的速度向量（2 维）

      • 当前控制球员最近我方球员的速度（1 维）

      • 当前控制球员最近我方球员的距离（1 维）

      • 离当前控制球员最近我方球员的疲劳度（1 维）

  • RightTeam：7 维。所有对方球员的下述信息（11*7）

    • RightTeamCloset：7 维

      • 离当前控制球员最近对方球员的位置（2 维）

      • 离当前控制球员最近对方球员的速度向量（2 维）

      • 离当前控制球员最近对方球员的速度（1 维）

      • 离当前控制球员最近对方球员的距离（1 维）

      • 离当前控制球员最近对方球员的疲劳度（1 维）

动作空间

Gfootball 的动作空间为 19 维离散动作：

  • 无状态动作

    • action_idle = 0, 空动作。

  • 移动动作（均为粘滞动作）

    • action_left = 1, 向左。

    • action_top_left = 2, 向右上。

    • action_top = 3, 向上。

    • action_top_right = 4, 向右上。

    • action_right = 5, 向右。

    • action_bottom_right = 6, 向右下。

    • action_bottom = 7, 向下。

    • action_bottom_left = 8, 向左下。

  • 传球/射门动作

    • action_long_pass = 9, 长传。

    • action_high_pass = 10, 高传球。

    • action_short_pass = 11, 短传。

    • action_shot = 12, 射门。

  • 其它

    • action_sprint = 13, 冲刺。

    • action_release_direction = 14, 释放粘滞动作（如移动）。

    • action_release_sprint = 15, 停止冲刺.

    • action_sliding = 16, 滑铲（仅无球时可用）.

    • action_dribble = 17, 运球.

    • action_release_dribble = 18, 停止运球.

DI-zoo可运行代码示例

完整的训练入口见DI-zoo gfootball。使用 ppo-lstm 进行self-play 训练的配置文件如下。

from easydict import EasyDict
from ding.config import parallel_transform
from copy import deepcopy
from ding.entry import parallel_pipeline

gfootball_ppo_config = dict(
    env=dict(
        collector_env_num=1,
        collector_episode_num=1,
        evaluator_env_num=1,
        evaluator_episode_num=1,
        stop_value=5,
        save_replay=False,
        render=False,
    ),

    policy=dict(
        cuda=False,
        model=dict(type='conv1d', import_names=['dizoo.gfootball.model.conv1d.conv1d']),
        nstep=1,
        discount_factor=0.995,
        learn=dict(
            batch_size=32,
            learning_rate=0.001,
            learner=dict(
                learner_num=1,
                send_policy_freq=1,
            ),
        ),
        collect=dict(
            n_sample=20,
            env_num=1,
            collector=dict(
                collector_num=1,
                update_policy_second=3,
            ),
        ),

        eval=dict(evaluator=dict(eval_freq=50), env_num=1),
        other=dict(
            eps=dict(
                type='exp',
                start=0.95,
                end=0.1,
                decay=100000,
            ),
            replay_buffer=dict(
                replay_buffer_size=100000,
                enable_track_used_data=True,
            ),
            commander=dict(
                collector_task_space=2,
                learner_task_space=1,
                eval_interval=5,
                league=dict(),
            ),
        ),
    )
)
gfootball_ppo_config = EasyDict(gfootball_ppo_config)
main_config = gfootball_ppo_config


gfootball_ppo_create_config = dict(
    env=dict(
        import_names=['dizoo.gfootball.envs.gfootballsp_env'],
        type='gfootball_sp',
    ),
    env_manager=dict(type='base'),
    policy=dict(type='ppo_lstm_command', import_names=['dizoo.gfootball.policy.ppo_lstm']),
    learner=dict(type='base', import_names=['ding.worker.learner.base_learner']),
    collector=dict(
        type='marine',
        import_names=['ding.worker.collector.marine_parallel_collector'],
    ),
    commander=dict(
        type='one_vs_one',
        import_names=['ding.worker.coordinator.one_vs_one_parallel_commander'],
    ),
    comm_learner=dict(
        type='flask_fs',
        import_names=['ding.worker.learner.comm.flask_fs_learner'],
    ),
    comm_collector=dict(
        type='flask_fs',
        import_names=['ding.worker.collector.comm.flask_fs_collector'],
    ),
)
gfootball_ppo_create_config = EasyDict(gfootball_ppo_create_config)
create_config = gfootball_ppo_create_config

gfootball_ppo_system_config = dict(
    path_data='./data',
    path_policy='./policy',
    communication_mode='auto',
    learner_multi_gpu=False,
    learner_gpu_num=1,
    coordinator=dict()
)
gfootball_ppo_system_config = EasyDict(gfootball_ppo_system_config)
system_config = gfootball_ppo_system_config


if __name__ == '__main__':
    config = tuple([deepcopy(main_config), deepcopy(create_config), deepcopy(system_config)])
    parallel_pipeline(config, seed=0)

训练实例

在 DI-engine 的状态空间下，经过 reward 设计和动作空间约束，self play 训练中对内置 hard AI 胜率曲线如下图所示：

../_images/gfootball_train.png