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OpenAI-GymのCarRacingにDDQNによる機械学習っぽいもの

OpenAI-GymのCarRacingの強化学習をDDQN(Double Deep Q Netowrk)っぽいものをなでしこで実装したもの。学習終了の条件を設けていないので学習の様子を眺める用。DDQNではQ-Learningではテーブル参照で行っていたQ値の学習をDeep Learningで行う方法。CarRacingのGym機能自体は別のライブラリを取り込んで利用。

文法命令一覧

エディタ

プログラム

# OpenAI Gym CarRacing DDQN

# AWAIT命令のプラグインを取り込む
!「https://n3s.nadesi.com/plain/1899.js」を取り込む

# なでしこv3版のOpen AI Gym CarRacingの環境を取り込む
!「https://n3s.nadesi.com/plain/1923.nako3」を取り込む

TensorFlowJsURLとは変数
TensorFlowJsURLは「https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/tfjs@4.0.0/dist/tf.fesm.min.js」

TFとは変数
TFはNULL

強化学習

●強化学習とは
　TFはTFJSインポートをAWAIT
　# TFの"enableDebugMode"を[]でJSメソッド実行
　QENVとは変数
　ENVとは変数
　QENVはQENV作成
　ENVはGYM作成

QENV["イテレーション数"]は0

# イテレーションを繰り返す
　オンの間繰り返す

QENV["ゲーム数"]は0

# ゲームを繰り返す
　　(QENV["ゲーム数"]＜QENV["イテレーションゲーム数"])の間繰り返す

STATEはGYMリセット
　　　QENV["STATE"]はSTATEをRGBA2Gray正規化
　　　QENV["エピソード報酬"]は0
　　　QENV["ステップ"]は0
　　　QENV["連続負報酬回数"]は0
　　　続行フラグとは変数
　　　続行フラグはオン

# 1ゲーム分のステップを行う
　　　(続行フラグ=オン)の間繰り返す

ACTIONインデックスとは変数
　　　　ACTIONとは変数
　　　　ACTIONインデックスはQENVのACTION取得
　　　　ACTIONはQENV["アクションリスト"][ACTIONインデックス]
　　　　結果とは変数
　　　　REWARDとは変数
　　　　DONEとは変数
　　　　COMPLETEとは変数
　　　　REWARDは0
　　　　(QENV["スキップフレーム数"])回繰り返す
　　　　　結果はACTIONでGYMステップ
　　　　　REWARDはREWARD+結果[1]
　　　　　DONEは結果[2]
　　　　　COMPLETEは結果[3]
　　　　　もし、DONEならば、
　　　　　　抜ける
　　　　　ここまで
　　　　ここまで

もし、QENV["ステップ"]>100&&REWARD＜0ならば、
　　　　　QENV["連続負報酬回数"]はQENV["連続負報酬回数"]+1
　　　　違えば、
　　　　　QENV["連続負報酬回数"]は0
　　　　ここまで
　　　　元キャンバスとは変数
　　　　元キャンバスは描画中キャンバス
　　　　QENV["オフスクリーン"]へ描画開始
　　　　GYM描画
　　　　元キャンバスへ描画開始
　　　　全描画クリア
　　　　[0,0,QENV["オフスクリーン"]["width"],QENV["オフスクリーン"]["height"],QENV["画面位置X"],QENV["画面位置Y"],QENV["画面表示W"],QENV["画面表示H"]]にQENV["オフスクリーン"]を画像描画

# アクセル踏んでブレーキ踏んでなかったら報酬にボーナス。
　　　　もし、ACTION[1]=1&&ACTION[2]=0ならば、
　　　　　REWARDはREWARD*1.5
　　　　ここまで

次STATEとは変数
　　　　次STATEは結果[0]をRGBA2Gray正規化
　　　　QENV["エピソード報酬"]はQENV["エピソード報酬"]+REWARD
　　　　もし、DONE||QENV["連続負報酬回数"]>25||QENV["エピソード報酬"]<0ならば、
　　　　　続行フラグはオフ
　　　　ここまで

QENVからQENV["STATE"]にACTIONで次STATEのREWARDをリプレイ登録

QENV["STATE"]は次STATE
　　　　QENVのACTIONで状態表示
　　　　QENVの報酬グラフ描画
　　　　QENVのバッチ学習

QENV["ステップ"]はQENV["ステップ"]+1

(1.0/QENV["FPS"])秒待つ
　　　ここまで

QENV["ゲーム数"]はQENV["ゲーム数"]+1
　　　QENV["エピソード"]はQENV["エピソード"]+1
　　　QENV["エピソード報酬履歴"]にQENV["エピソード報酬"]を配列追加
　　　もし、(QENV["エピソード報酬履歴"]の配列要素数)＞QENV["エピソード報酬履歴最大数"]ならば、
　　　　QENV["エピソード報酬履歴"]の0を配列切取
　　　　QENV["エピソード報酬履歴起点"]はQENV["エピソード報酬履歴起点"]+1
　　　ここまで

ここまで
　　QENV["イテレーション数"]はQENV["イテレーション数"]+1
　　QENVのバッチ学習
　　QENV["主ネットワーク"]からQENV["対象ネットワーク"]にTFウェイト複製
　ここまで
ここまで

●(イメージを)RGBA2Gray正規化とは
　結果とは変数
　Xとは変数
　Yとは変数
　Iとは変数
　Aとは変数
　結果は[]
　96回繰り返す
　　Yは回数-1
　　結果[Y]は[]
　　96回繰り返す
　　　Xは回数-1
　　　結果[Y][X]は[]
　　　1回繰り返す
　　　　Cは回数-1
　　　　Iは(Y*96+X)*4
　　　　Aは0.2989*イメージ[I+0]+0.5870*イメージ[I+1]+0.1140*イメージ[I+2]
　　　　結果[Y][X][C]はA/255
　　　ここまで
　　ここまで
　ここまで
　結果で戻る
ここまで

●QENV作成とは
　QENVとは変数
　QENVは{
　　GAMMA:0.99,
　　学習率:0.0001,
　　イテレーションゲーム数:20,
　　エピソード:1,
　　ゲーム数:1,
　　ステップ:0,
　　イテレーション数:1,
　　スキップフレーム数:2,
　　連続負報酬回数:0,
　　STATE:NULL,
　　エピソード報酬:0,
　　エピソード報酬履歴:[],
　　画面幅:描画中キャンバス["width"],
　　画面高:描画中キャンバス["height"],
　　エピソード報酬履歴起点:0,
　　リセット猶予:0,
　　リセット待機ステップ:0,
　　バッチサイズ:32,
　　リプレイバッファ:[],
　　リプレイバッファ容量:500,
　　アクションリスト:[
　　　[-1, 1, 0.2], [0, 1, 0.2], [1, 1, 0.2],
　　　[-1, 1, 0  ], [0, 1, 0  ], [1, 1, 0  ],
　　　[-1, 0, 0.2], [0, 0, 0.2], [1, 0, 0.2],
　　　[-1, 0, 0  ], [0, 0, 0  ], [1, 0, 0  ],
　　],
　}
　QENV["グラフX"]はQENV["画面幅"]/10
　QENV["グラフY"]はQENV["画面高"]/3*2
　QENV["グラフW"]はQENV["画面幅"]-QENV["グラフX"]*2
　QENV["グラフH"]はQENV["画面高"]/3-20
　QENV["エピソード報酬履歴最大数"]はQENV["グラフW"]
　QENV["アクション数"]はQENV["アクションリスト"]の配列要素数
　QENV["オフスクリーン"]は"CANVAS"のDOM要素作成
　QENV["オフスクリーン"]["width"]は800
　QENV["オフスクリーン"]["height"]はQENV["画面高"]/QENV["画面幅"]*800
　QENV["画面表示W"]はQENV["画面幅"]/5*3
　QENV["画面表示H"]はQENV["画面高"]/5*3
　QENV["画面位置X"]はQENV["画面幅"]/5
　QENV["画面位置Y"]は20
　QENVにモデルネットワーク準備
　QENVで戻る
ここまで

●(入力SHAPEから出力数の)Qネットワーク作成とは
　MODELとは変数
　OPTSとは変数
　LAYERとは変数
　MODELはTFの"sequential"を[]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"filters": 6,
　　"kernelSize": [7, 7],
　　"strides": 3,
　　"activation": "relu",
　　"inputShape": 入力SHAPE,
　　"dataFormat": "channelsLast",
　}
　LAYERはTF["layers"]の"conv2d"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"poolSize": [2, 2],
　}
　LAYERはTF["layers"]の"maxPooling2d"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"filters": 12,
　　"kernelSize": [4, 4],
　　"activation": "relu",
　}
　LAYERはTF["layers"]の"conv2d"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"poolSize": [2, 2],
　}
　LAYERはTF["layers"]の"maxPooling2d"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　}
　LAYERはTF["layers"]の"flatten"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"units": 216,
　　"activation": "relu",
　}
　LAYERはTF["layers"]の"dense"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

OPTSは{
　　"units": 出力数,
　}
　LAYERはTF["layers"]の"dense"を[OPTS]でJSメソッド実行
　MODELの"add"を[LAYER]でJSメソッド実行

MODELで戻る
ここまで

●(QENVに)モデルネットワーク準備とは
　QENV["主ネットワーク"]は[96, 96, 1]からQENV["アクション数"]のQネットワーク作成
　QENV["対象ネットワーク"]は[96, 96, 1]からQENV["アクション数"]のQネットワーク作成
　OPTIMIZERとは変数
　OPTSとは変数
　OPTIMIZERはTF["train"]の"adam"を[QENV["学習率"]]でJSメソッド実行
　OPTSは{
　　"loss": TF["losses"]["meanSquaredError"],
　　"optimizer": OPTIMIZER,
　}
　QENV["主ネットワーク"]の"compile"を[OPTS]でJSメソッド実行
　QENV["主ネットワーク"]からQENV["対象ネットワーク"]にTFウェイト複製
ここまで

●(QENVからSTATEにACTIONでNEXT_STATEのREWARDを)リプレイ登録とは
　[STATE,ACTION,NEXT_STATE,REWARD]をQENV["リプレイバッファ"]に配列追加
　もし、(QENV["リプレイバッファ"]の配列要素数)≧QENV["リプレイバッファ容量"]ならば、
　　QENV["リプレイバッファ"]の0から200を配列取出
　ここまで
ここまで

●(QENVの)バッチ学習とは
　もし、(QENV["リプレイバッファ"]の配列要素数)＜QENV["バッチサイズ"]ならば、
　　戻る
　ここまで
　STATEリストとは変数
　ACTIONリストとは変数
　STATE_NEXTリストとは変数
　REWARDリストとは変数
　Lとは変数
　Iとは変数
　アイテムとは変数
　STATEリストは[]
　ACTIONリストは[]
　STATE_NEXTリストは[]
　REWARDリストは[]
　LはQENV["リプレイバッファ"]の配列要素数
　(QENV["バッチサイズ"])回繰り返す
　　IはLの乱数
　　アイテムはQENV["リプレイバッファ"][I]
　　STATEリストにアイテム[0]を配列追加
　　ACTIONリストにアイテム[1]を配列追加
　　STATE_NEXTリストにアイテム[2]を配列追加
　　REWARDリストにアイテム[3]を配列追加
　ここまで

STATEとは変数
　STATE_NEXTとは変数
　NEXTQ推論とは変数
　NEXTA推論とは変数
　CURR推論とは変数
　STATEはSTATEリストをTFtensor4d
　STATE_NEXTはSTATE_NEXTリストをTFtensor4d
　NEXTQ推論はQENV["対象ネットワーク"]の"predictOnBatch"を[STATE_NEXT]でJSメソッド実行
　NEXTA推論はQENV["主ネットワーク"]の"predictOnBatch"を[STATE_NEXT]でJSメソッド実行
　CURR推論はQENV["主ネットワーク"]の"predictOnBatch"を[STATE]でJSメソッド実行
　STATE_NEXTをTFdispose

次Qとは変数
　次Aとは変数
　現Qとは変数
　次QはNEXTQ推論の"data"を[]でJSメソッド実行をAWAIT
　次AはNEXTA推論の"data"を[]でJSメソッド実行をAWAIT
　現QはCURR推論の"data"を[]でJSメソッド実行をAWAIT
　目標Qリストとは変数
　Jとは変数
　Kとは変数
　REWARDとは変数
　目標Qとは変数
　次最大Qとは変数
　目標Qリストは[]
　(QENV["バッチサイズ"])回繰り返す
　　Iは回数-1
　　JはACTIONリスト[I]
　　REWARDはREWARDリスト[I]
　　目標Qは[]
　　次最大QはNULL
　　(QENV["アクション数"])回繰り返す
　　　Kは回数-1
　　　もし、次最大Q=NULL||次A[I*QENV["アクション数"]+K]>次最大Qならば、
　　　　次最大Qは次Q[I*QENV["アクション数"]+K]
　　　ここまで
　　ここまで
　　(QENV["アクション数"])回繰り返す
　　　Kは回数-1
　　　もし、J=Kならば、
　　　　目標Q[K]はREWARD+QENV["GAMMA"]*次最大Q
　　　違えば、
　　　　目標Q[K]は現Q[I*QENV["アクション数"]+K]
　　　ここまで
　　ここまで
　　目標Qリストに目標Qを配列追加
　ここまで
　NEXTQ推論をTFdispose
　NEXTA推論をTFdispose
　CURR推論をTFdispose

OPTSとは変数
　OPTSは{
　　"epochs":1,
　}
　目標Qは目標QリストをTFtensor2d
　QENV["主ネットワーク"]の"fit"を[STATE,目標Q,OPTS]でJSメソッド実行をAWAIT

STATEをTFdispose
　目標QをTFdispose
ここまで

●(QENVの)ACTION取得とは
　Eとは変数
　Eは0.5*(1/(QENV["イテレーション数"]+1))
　もし、E<RNDならば、
　　STATEとは変数
　　STATEリストとは変数
　　推論とは変数
　　データとは変数
　　STATEは[QENV["STATE"]]をTFtensor4d
　　推論はQENV["主ネットワーク"]の"predictOnBatch"を[STATE]でJSメソッド実行
　　データは推論の"data"を[]でJSメソッド実行をAWAIT
　　STATEをTFdispose
　　推論をTFdispose
　　最大Qとは変数
　　Iとは変数
　　最大QIとは変数
　　最大QはNULL
　　最大QIはNULL
　　(QENV["アクション数"])回繰り返す
　　　Iは回数-1
　　　もし、最大Q=NULL||データ[I]>最大Qならば、
　　　　最大QIはI
　　　　最大Qはデータ[I]
　　　ここまで
　　ここまで
　　最大QIで戻る
　ここまで
　(QENV["アクション数"])の乱数で戻る
ここまで

●(QENVの)報酬グラフ描画とは
　1に線太さ設定
　黒色に線色設定
　空に塗り色設定
　[QENV["グラフX"],QENV["グラフY"],QENV["グラフW"],QENV["グラフH"]]の四角描画
　「12px sans-serif」に描画フォント設定
　描画中コンテキスト["textAlign"]は"right"
　描画中コンテキスト["textBaseline"]は"middle"
　[QENV["グラフX"]-2,QENV["グラフY"]]に500を文字描画
　[QENV["グラフX"]-2,QENV["グラフY"]+QENV["グラフH"]]に0を文字描画
　描画中コンテキスト["textAlign"]は"center"
　[QENV["グラフX"],QENV["グラフY"]+QENV["グラフH"]+8]に(1+QENV["エピソード報酬履歴起点"])を文字描画
　[QENV["グラフX"]+QENV["グラフW"],QENV["グラフY"]+QENV["グラフH"]+8]に(QENV["エピソード報酬履歴起点"]+QENV["エピソード報酬履歴最大数"])を文字描画
　Xとは変数
　Yとは変数
　報酬とは変数
　Xは0
　報酬でQENV["エピソード報酬履歴"]を反復する
　　青色に塗り色設定
　　青色に線色設定
　　Yは報酬/500*QENV["グラフH"]
　　[QENV["グラフX"]+X,QENV["グラフY"]+QENV["グラフH"]-Y,1,1]に四角描画
　　XはX+1
　ここまで
ここまで

●(QENVのACTIONで)状態表示とは
　「16px sans-serif」に描画フォント設定
　描画中コンテキスト["textAlign"]は"right"
　描画中コンテキスト["textBaseline"]は"middle"
　黒色に塗り色設定
　[120,10]に「エピソード:」を文字描画
　[180,10]にQENV["エピソード"]を文字描画
　[260,10]に「ステップ:」を文字描画 
　[300,10]にQENV["ステップ"]を文字描画
　[350,10]に「操作:」を文字描画
　Mとは変数
　Aとは変数
　Bとは変数
　もし、ACTION[0]<0ならば、
　　Mは「←」
　違えばもし、ACTION[0]>0ならば、
　　Mは「→」
　違えば、
　　Mは「・」
　ここまで
　もし、ACTION[1]>0ならば、
　　Aは「↑」
　違えば、
　　Aは「・」
　ここまで
　もし、ACTION[2]>0ならば、
　　Bは「↓」
　違えば、
　　Bは「・」
　ここまで
　[400,10]に「{M}{A}{B}」を文字描画
ここまで

●TFJSインポートとは
　TensorFlowJsURLを動的インポートで戻る
ここまで

●(Aを)TFtensor2dとは
　TFの"tensor2d"を[A]でJSメソッド実行で戻る
ここまで

●(Aを)TFtensor4dとは
　TFの"tensor4d"を[A]でJSメソッド実行で戻る
ここまで

●(Aを)TFdisposeとは
　TFの"dispose"を[A]でJSメソッド実行
ここまで

●(SRCからDSTに)TFウェイト複製とは
　学習フラグとは変数
　学習フラグはNULL
　もし、SRC["trainable"]がDST["trainable"]でなければ、
　　学習フラグはDST["trainable"]
　ここまで
　WEIGHTとは変数
　WEIGHTはSRCの"getWeights"を[]でJSメソッド実行
　DSTの"setWeights"を[WEIGHT]でJSメソッド実行
　もし、学習フラグ≠NULLならば、
　　DST["trainable"]は学習フラグ
　ここまで
ここまで

●(Sを)動的インポートとは
　『(function(s) {return import(s);})』を[S]でJS関数実行で戻る
ここまで

●RNDとは
　『Math.random』を[]でJS関数実行で戻る
ここまで

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