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OpenAI Gym を試してみたメモです。

CartPole-v0 というゲームを動かしてみました。

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OpenAI Gym

OpenAI Gym とは

OpenAI Gym is a toolkit for developing and comparing reinforcement learning algorithms.

OpenAI Gym は、強化学習アルゴリズムを開発し評価するためのツールキット。

  • gym … python テスト環境ライブラリ.
  • OpenAI Gym service … エージェントのパフォーマンスを評価するサービス。

ちょっとわかりにくいが、自分の解釈では、 いろんなゲームをプレイする環境が提供されていて、 自分の AI エージェントをつくってゲームをプレイして遊べるツール。

どんなゲーム(環境)があるの?

三目並べからシューティングゲーム、囲碁まである。詳しくは、以下。

Open AI Gym ライブラリのインストール

OpenAI Gym を pip でいれる。

  pip install gym

以下のジャンルのゲームができるようになる。

  • algorithmic
  • toy_text
  • classic_control

CartPole で遊ぼう

公式のチュートリアルで紹介されている CartPole というゲームを触ってみる。

CartPole 問題

CartPole 問題は、強化学習の古典的問題らしい。

棒(pole)が動く台車(cart)の上に立っている。 棒は倒れるので、台車を右か左に動かして倒れないようにする。 より長く棒を直立させることが目的。

以下は、ルールの Google 日本語翻訳。

ポールは、作動していないジョイントによって、摩擦のないトラックに沿って動くカートに取り付けられる。システムは、カートに+1 または-1 の力を加えることによって制御される。振り子が起立して、それが転倒するのを防ぐことが目標です。ポールが直立したままのタイムステップごとに+1 の報酬が与えられます。エピソードは、ポールが垂直から 15 度を超えると終了するか、またはカートが中心から 2.4 ユニット以上移動すると終了します。
  • 1step の間に直立 h していれ報酬を 1 もらえる
  • 右(+1) or 左(-1)の行動を選択できる
  • 棒が 15 度傾くとゲームオーバー
  • 台車が中心から一定距離(2.4unit???) とゲームオーバー

コードを調べる

公式ドキュメントに乗っているコードを見ていく。

import gym
env = gym.make('CartPole-v0')
for i_episode in range(20):
    observation = env.reset()
    for t in range(100):
        env.render()
        print(observation)
        action = env.action_space.sample()
        observation, reward, done, info = env.step(action)
        if done:
            print("Episode finished after {} timesteps".format(t+1))
            break

まずは、gym というライブラリをインポートする。

gym.make(“環境名”) で動かす環境(env)を生成する。ここでは、CartPole-v0 を指定。

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

env の 3 つの主なメソッドは、

  • reset() – 環境(environment)をリセットする。最初の 観測(observation) を返す。
  • render() – 現在の環境の状態をレンダリングする。
  • step(a) – 行動(action)を実行し、以下を返す(new observation, reward, is done, info)
    • new observation – 行動を実行したあとの観測
    • reward – 報酬
    • is done – ゲームが終了したら True, 続いているなら False
    • info – 詳細情報

for 文で 20 エピソード分を実行する。

env.render()で以下のような図を表示する。

2017-06-09-154152_455x303_scrot.png

env.reset()を実行すると、以下の numpy 配列が帰ってくる。

# [position of cart, velocity of cart, angle of pole, rotation rate of pole]
array([-0.01717682,  0.00789496,  0.03295495, -0.0202679 ])

env.observation_space で、観測状態、env.action_space で、行動がそれぞれ帰ってくる。

Box は、n-次元の Box を、Discrete は固定された範囲の非負の数をそれぞれ表す。

print("observations:", env.observation_space)
print("actions:", env.action_space)
observations: Box(4,)
actions: Discrete(2)

CartPole-v0 では、observation は 4 次元の配列, action は 0 or 1 の数。

以下で、observation_space の上限、下限が分かる。

print(env.observation_space.high)
#> array([ 2.4       ,         inf,  0.20943951,         inf])
print(env.observation_space.low)
#> array([-2.4       ,        -inf, -0.20943951,        -inf])

以下で、action_space の数が分かる。

print(env.action_space.n)
#> 2

env.action_space.sample()で、action をランダムに選択できる。

env.action_space.sample()
#> 0
env.action_space.sample()
#> 1
env.action_space.sample()
#> 1

step()関数に action を渡すことで、action を実行できる。

done が True になるまで繰り返す。reward には、1.0 が入る。

結果を記録、アップロード

以下のように、wrappers.Monitor(env, ‘/tmp/cartpole-experiment-1’)を使うと、 実行結果を記録することができる。

import gym
from gym import wrappers
env = gym.make('CartPole-v0')
env = wrappers.Monitor(env, '/tmp/cartpole-experiment-1')
for i_episode in range(20):
    observation = env.reset()
    for t in range(100):
        env.render()
        print(observation)
        action = env.action_space.sample()
        observation, reward, done, info = env.step(action)
        if done:
            print("Episode finished after {} timesteps".format(t+1))
            break

以下のような mp4 の動画と meta 情報の json がディレクトリに作成される。

$ ll /tmp/cartpole-experiment-1
合計 32K
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera  817  6 月  9 15:59 openaigym.episode_batch.0.13181.stats.json
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera  412  6 月  9 15:59 openaigym.manifest.0.13181.manifest.json
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 2.0K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000000.meta.json
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 4.0K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000000.mp4
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 2.0K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000001.meta.json
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 3.9K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000001.mp4
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 2.0K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000008.meta.json
-rw-rw-r-- 1 tsu-nera tsu-nera 3.8K  6 月  9 15:58 openaigym.video.0.13181.video000008.mp4

以下のようなスクリプトを実行すると、OpenAI Gym に結果をアップロードできる。

import gym
gym.upload('/tmp/cartpole-experiment-1',api_key='<api key>')

api_key は、OpenAI Gym にログインすると得られる。

$ python carpole_upload.py
[2017-06-09 16:09:39,697] [CartPole-v0] Uploading 20 episodes of training data
[2017-06-09 16:09:48,712] [CartPole-v0] Uploading videos of 3 training episodes (9058 bytes)
[2017-06-09 16:09:49,232] [CartPole-v0] Creating evaluation object from /tmp/cartpole-experiment-1 with learning curve and training video
[2017-06-09 16:09:49,618] 
****************************************************
You successfully uploaded your evaluation on CartPole-v0 to
OpenAI Gym! You can find it at:

    https://gym.openai.com/evaluations/eval_7fz1aflRO6alkzRRfWhQ

****************************************************

gist にコードをあげて、URL を取得する。

評価ページにいき、gist を貼り付ける。以下のリンクが今回の評価ページ。

追記

長い間プログラムを動作させると、manifest.json ファイルが生成されなかった。 そういう場合は、念のため env.close()を終了時に呼び出すことで、manifest.jssn が生成されるようだ。 参考にしたコードはここ.