自作CNCマシン・レーザーカッターについて: Keras-RLで強化学習/DQN(Deep Q-Network)を試してみる

2018年9月7日金曜日

apt-get install -y python-numpy python-dev cmake zlib1g-dev libjpeg-dev xvfb ffmpeg xorg-dev python-opengl libboost-all-dev libsdl2-dev swig

動作チェック：
Getting Started with Gymにも書いてありますが、以下のコードで100ループ動きます（ランダムな動き）。ちなみにこのままだとJupyter Notebookでは表示（レンダリング）されないので、.pyファイルにして実行させないといけません。

import gym

env = gym.make('CartPole-v0')
env.reset()

for _ in range(100):
    env.render()
    env.step(env.action_space.sample())
env.close()

あっというまに表示が終わってしまうので以下のようにtime.sleep()でディレイを加えてみました。

import gym
import time

env = gym.make('CartPole-v0')
env.reset()

for _ in range(100):
    env.render()
    env.step(env.action_space.sample())
    time.sleep(0.02)
env.close()

Jupyter Notebookの場合：
アニメーションをJupyter Notebook上で表示するには少し工夫が必要です。stack overflowにもいくつか方法が書いてあります。
ATARIの場合であれば以下の方法で表示可能でした。

import gym
from IPython import display
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

env = gym.make('Breakout-v0')
env.reset()

img = plt.imshow(env.render(mode='rgb_array'))

for _ in range(100):
    img.set_data(env.render(mode='rgb_array'))
    display.display(plt.gcf())
    display.clear_output(wait=True)
    action = env.action_space.sample()
    env.step(action)
env.close()

しかし、CartPole-v0のようなClassic controlの場合だとエラーがでてしまうので、インストールしてあるpyglet1.3.2を一旦アンインストール（pip uninstall pyglet）して、pyglet1.2.4をインストール（pip install pyglet==1.2.4）し直すといいようです（こちらの方法）。ただこの方法だとJupyter上だけでなく別窓も開いてしまいます。そして、env.close()を最後に書き加えないと、別窓を閉じることができなくなるので要注意。

別窓だけの表示でいいのであれば（Jupyter上には表示させない）、pyglet1.2.4にダウングレードさえしておけば、以下の方法でも可能でした。

import gym
import time

env = gym.make('CartPole-v0')
env.reset()

for _ in range(100):
    env.render()
    env.step(env.action_space.sample())
    time.sleep(0.02)
env.close()

Jupyter Notebook上に表示させる方法をいろいろ探してみましたが、別窓での表示であれば簡単そうなので、以下のKeras-RLでも別窓表示にすることにしました。

Keras-RL：
とりあえずDQNで強化学習をしたいので、どの機械学習フレームワーク（Tensorflow、Keras、Pytorchなど）を使えばいいかということですが、Keras-RLというKeras向けの強化学習用のライブラリがあり、以下のようなアルゴリズム（ここに書いてある）が既に搭載されており、すぐに使うことができます。

Name	Implementation	Observation Space	Action Space
DQN	`rl.agents.DQNAgent`	discrete or continuous	discrete
DDPG	`rl.agents.DDPGAgent`	discrete or continuous	continuous
NAF	`rl.agents.NAFAgent`	discrete or continuous	continuous
CEM	`rl.agents.CEMAgent`	discrete or continuous	discrete
SARSA	`rl.agents.SARSAAgent`	discrete or continuous	discrete

複雑なアルゴリズムをコーディングしなくても、既存の関数にパラメータを渡せば計算してくれますが、基本となるQ-Learningの仕組みはある程度理解しておいたほうがよさそうです。
Action Space欄に離散値か連続値かの違いがあるので、目的に応じて使い分けるといいと思います。

DQNを試してみる：

CartPoleのサンプル：
Keras-RLにはいくつかのサンプルコードがあるので、dqn_cartpole.pyを試してみることに。
Jupyter NotebookでRunさせる場合は、別窓としてアニメーションが表示されます。終了後別窓を閉じるために、最後の行にenv.close()を追加しておきます。

import numpy as np
import gym

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation, Flatten
from keras.optimizers import Adam
from rl.agents.dqn import DQNAgent
from rl.policy import BoltzmannQPolicy
from rl.memory import SequentialMemory

ENV_NAME = 'CartPole-v0'

env = gym.make(ENV_NAME)
np.random.seed(123)
env.seed(123)
nb_actions = env.action_space.n

model = Sequential()
model.add(Flatten(input_shape=(1,) + env.observation_space.shape))
model.add(Dense(16))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(16))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(16))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(nb_actions))
model.add(Activation('linear'))
print(model.summary())

memory = SequentialMemory(limit=50000, window_length=1)
policy = BoltzmannQPolicy()
dqn = DQNAgent(model=model, nb_actions=nb_actions, memory=memory, nb_steps_warmup=10,
               target_model_update=1e-2, policy=policy)
dqn.compile(Adam(lr=1e-3), metrics=['mae'])

dqn.fit(env, nb_steps=50000, visualize=True, verbose=2)
dqn.save_weights('dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME), overwrite=True)

dqn.test(env, nb_episodes=5, visualize=True)
env.close()

GTX1060で、学習50000ステップ、約5分かかりました。
DQNAgentクラスに必要な項目を渡すだけなので、アルゴリズム的には超シンプルです。
CartPoleに関しては左か右に動かすだけなので、env.action_space.nは2になります。
最後のほうにあるdqn.save_weight()で学習したウェイトが外部保存されるので、次回このウェイトをつかってテストするには、以下のように書き換えることになります。

# 以下をコメントアウトして
# dqn.fit(env, nb_steps=50000, visualize=True, verbose=2)
# dqn.save_weights('dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME), overwrite=True)

# かわりに保存したウェイトを読み込む
dqn.load_weights('dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME))

dqn.test(env, nb_episodes=5, visualize=True)
env.close()

デフォルトでは、以下のように一回のepisodeでsteps: 200になっています。

例えばsteps: 500に変えるには、

env = gym.make("CartPole-v0")
env._max_episode_steps = 500

とすればいいようです（ここに書いてありました）。

ATARIブロック崩しをJupyter Notebook上に表示：
もうひとつは、ATARIのブロック崩しのサンプルです。これは (210, 160, 3) のRGB画像を入力としてCNNを通して学習していきます。画像から判断するので、どんなゲームでもいいということになります。サンプルにある通り1750000ステップ学習するために約3時間かかりました（GTX1060）。
もともとこのサンプルは.pyファイルですが、Jupyter Notebook上に表示できるように少し手を加えてみました。サンプルは最後の方にあるdqn.test()で結果表示されますが、既存コードを見るとenv.render(mode='human')が使用されており、Jupyter Notebook上に表示するにはenv.render(mode='rgb_array')に変換する必要がありそうです。
そのため、既存の結果表示はvisualize=Falseで非表示にし、かわりに自前のCallback関数を追加することで毎ステップ画像表示させることにしました。またargparseはJupyterでは使えないので消去し、そのかわりに各変数を用意しました。

from PIL import Image
import numpy as np
import gym

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation, Flatten, Convolution2D, Permute
from keras.optimizers import Adam
import keras.backend as K

from rl.agents.dqn import DQNAgent
from rl.policy import LinearAnnealedPolicy, BoltzmannQPolicy, EpsGreedyQPolicy
from rl.memory import SequentialMemory
from rl.core import Processor
from rl.callbacks import FileLogger, ModelIntervalCheckpoint


INPUT_SHAPE = (84, 84)
WINDOW_LENGTH = 4

class AtariProcessor(Processor):
    def process_observation(self, observation):
        assert observation.ndim == 3
        img = Image.fromarray(observation)
        img = img.resize(INPUT_SHAPE).convert('L')
        processed_observation = np.array(img)
        assert processed_observation.shape == INPUT_SHAPE
        return processed_observation.astype('uint8')

    def process_state_batch(self, batch):
        processed_batch = batch.astype('float32') / 255.
        return processed_batch

    def process_reward(self, reward):
        return np.clip(reward, -1., 1.)

ENV_NAME = 'BreakoutDeterministic-v4'
env = gym.make(ENV_NAME)
np.random.seed(123)
env.seed(123)
nb_actions = env.action_space.n
input_shape = (WINDOW_LENGTH,) + INPUT_SHAPE

model = Sequential()

if K.image_dim_ordering() == 'tf':
    model.add(Permute((2, 3, 1), input_shape=input_shape))
elif K.image_dim_ordering() == 'th':
    model.add(Permute((1, 2, 3), input_shape=input_shape))
else:
    raise RuntimeError('Unknown image_dim_ordering.')

model.add(Convolution2D(32, (8, 8), strides=(4, 4)))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Convolution2D(64, (4, 4), strides=(2, 2)))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Convolution2D(64, (3, 3), strides=(1, 1)))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(512))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(nb_actions))
model.add(Activation('linear'))
#print(model.summary())

memory = SequentialMemory(limit=1000000, window_length=WINDOW_LENGTH)
processor = AtariProcessor()

policy = LinearAnnealedPolicy(EpsGreedyQPolicy(), attr='eps', value_max=1., value_min=.1, value_test=.05,
                              nb_steps=1000000)

dqn = DQNAgent(model=model, nb_actions=nb_actions, policy=policy, memory=memory,
               processor=processor, nb_steps_warmup=50000, gamma=.99, target_model_update=10000,
               train_interval=4, delta_clip=1.)

dqn.compile(Adam(lr=.00025), metrics=['mae'])

# コールバックとJupyter表示用モジュールのインポート
from rl.callbacks import Callback
from IPython import display
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

# 表示用Renderサブクラス作成（keras-rlのCallbackクラス継承）
class Render(Callback):
    def on_step_end(self, step, logs={}):
        plt.clf()
        plt.imshow(env.render(mode='rgb_array'))
        display.display(plt.gcf())
        display.clear_output(wait=True)

MODE = 'train' # 'train' or 'test' 学習とテストのモード切替え

if MODE == 'train':
    weights_filename = 'dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME)
    checkpoint_weights_filename = 'dqn_' + ENV_NAME + '_weights_{step}.h5f'
    log_filename = 'dqn_{}_log.json'.format(ENV_NAME)
    callbacks = [ModelIntervalCheckpoint(checkpoint_weights_filename, interval=250000)]
    callbacks += [FileLogger(log_filename, interval=100)]
    dqn.fit(env, callbacks=callbacks, nb_steps=1750000, log_interval=10000)

    dqn.save_weights(weights_filename, overwrite=True)
    # dqn.test(env, nb_episodes=10, visualize=False)
    
elif MODE == 'test':
    weights_filename = 'dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME)
    dqn.load_weights(weights_filename)

    # 表示用コールバック関数を適用
    callbacks = Render()
    plt.figure(figsize=(6,8))
    dqn.test(env, nb_episodes=2, visualize=False, callbacks=[callbacks])

env.close()

元々のサンプルはargparseで'train'か'test'でモードの切り替えをしていましたが、かわりに変数MODEを用意して切り替えています（argparseの代わりにeasydictを使うといいようです）。
keras-rlのCallback関数をオーバーライドしJupyter用に表示用サブクラスをつくって、毎ステップごとにenv.render(mode='rgb_array')を呼び出して表示させています。keras-rlのCallbackクラスを見てみると、episodeやstepの前半後半のタイミングでコールバックできるようで、今回はstep後半のon_step_end()に表示機能を挿入しておきました。
この結果、一応Jupyter上には表示できるようになりましたが、plt.imshow()を使っているせいか動きが遅くなってしまいます。やはり別窓に表示させたほうがいいかもしれません。リアルタイムで表示させなくてもいいのであれば、以下の方法がいいかと。

Jupyter Notebook上にアニメーション表示とGIF動画保存：
matplotlibのArtistAnimationクラスで先程のブロック崩しを表示しつつ、GIF動画として保存する方法についてです。訓練後のテスト部分を少し変えて以下のようにしてみました。

from rl.callbacks import Callback
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from IPython.display import HTML
%matplotlib inline

ims = []  # アニメーション用リスト

class Render(Callback):
    def on_step_end(self, step, logs={}):
        im = plt.imshow(env.render(mode='rgb_array'))
        ims.append([im])

weights_filename = 'dqn_{}_weights.h5f'.format(ENV_NAME)
dqn.load_weights(weights_filename)

callbacks = Render()
fig = plt.figure(figsize=(4,5)) # 出力画面サイズ調整
plt.axis('off')                 # 目盛り、枠線なし
dqn.test(env, nb_episodes=1, visualize=False, callbacks=[callbacks])

ani = animation.ArtistAnimation(fig=fig, artists=ims, interval=10)
# ani.save("anim.gif", writer = "imagemagick") # GIFアニメ保存する場合はコメントアウト
plt.close()

# Jupyter Notebook上にアニメーション表示
HTML(ani.to_jshtml())        # JavascriptHTML出力
#HTML(ani.to_html5_video())  # HTML5 Video出力（.mp4ファイルとしてダウンロード可）

サブクラスRender()内で予め用意しておいたアニメーション用リストに毎ステップ画像を追加していき、それをあとからArtistAnimationで動画にするという手順です。ArtistAnimationを使えばすぐにGIF動画として保存もできます。

Jupyter上のアニメーション表示としては2種類あり、JavascriptHTMLは動画速度を変えて再生も可能なので便利です（上画像）。またHTML5 Video出力のほうは表示画面から.mp4として動画をダウンロードできる機能がついています。
尚、matplotlibのArtistAnimationについては以前投稿したここを参照して下さい。

追記：尚、このボタン付きアニメーションをWebページに埋め込むには以下。
Matplotlib Animation embed on web page：アニメーションのWebページ上への埋め込み

まとめ：
OpenAIのGYMとKeras-RLを使うことで簡単にDQNを試すことができます。DQNに渡すパラメータについて理解しておけばいいという感じです。
このほか、二足歩行モデルがあるMuJoCo、ロボットアームやハンドマニピュレータがあるRoboticsのサンプルもあります。学習させるには結構時間かかりそうなので、まだ試してはいませんが、強化学習は生成モデルとはまた違ったアプローチをしている部分が興味深いという感じ。また、強化学習と生成モデルの組み合わせもできそうなので、アルゴリズム的に面白くなりそうです。
GPUがなくても、Google Colabを使えばこの程度の訓練であれば短時間でおわるかもしれません。

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自作CNCマシン・レーザーカッターについて

2018年9月7日金曜日

Keras-RLで強化学習/DQN(Deep Q-Network)を試してみる

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