統(tǒng)計(jì)策略搜索強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法及應(yīng)用

第1章 強(qiáng)化學(xué)習(xí)概述??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1
1．1 機(jī)器學(xué)習(xí)中的強(qiáng)化學(xué)習(xí)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1
1．2 智能控制中的強(qiáng)化學(xué)習(xí)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4
1．3 強(qiáng)化學(xué)習(xí)分支????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8
1．4 本書貢獻(xiàn)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11
1．5 本書結(jié)構(gòu)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14
第2章 相關(guān)研究及背景知識(shí)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19
2．1 馬爾可夫決策過程????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19
2．2 基于值函數(shù)的策略學(xué)習(xí)算法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21
2．2．1 值函數(shù)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21
2．2．2 策略迭代和值迭代????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23
2．2．3 Q-learning ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25
2．2．4 基于最小二乘法的策略迭代算法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27
2．2．5 基于值函數(shù)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29
2．3 策略搜索算法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30
2．3．1 策略搜索算法建模????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31
2．3．2 傳統(tǒng)策略梯度算法（REINFORCE算法）????????????????????????????????????????????????????????????32
2．3．3 自然策略梯度方法（Natural Policy Gradient）????????????????????????????????????????????????33
2．3．4 期望最大化的策略搜索方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35
2．3．5 基于策略的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37
2．4 本章小結(jié)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????39
第3章 策略梯度估計(jì)的分析與改進(jìn)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42
3．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42
3．2 基于參數(shù)探索的策略梯度算法（PGPE算法）??????????????????????????????????????????????????????????????????????44
3．3 梯度估計(jì)方差分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46
3．4 基于最優(yōu)基線的算法改進(jìn)及分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48
3．4．1 最優(yōu)基線的基本思想????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48
3．4．2 PGPE算法的最優(yōu)基線????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49
3．5 實(shí)驗(yàn)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51
3．5．1 示例??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51
3．5．2 倒立擺平衡問題????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????57
3．6 總結(jié)與討論????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60
第4章 基于重要性采樣的參數(shù)探索策略梯度算法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63
4．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63
4．2 異策略場景下的PGPE算法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????64
4．2．1 重要性加權(quán)PGPE算法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65
4．2．2 IW-PGPE算法通過基線減法減少方差????????????????????????????????????????????????????????????????????????66
4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????68
4．3．1 示例??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????69
4．3．2 山地車任務(wù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????78
4．3．3 機(jī)器人仿真控制任務(wù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81
4．4 總結(jié)和討論????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????88
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????89
第5章 方差正則化策略梯度算法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91
5．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91
5．2 正則化策略梯度算法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92
5．2．1 目標(biāo)函數(shù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92
5．2．2 梯度計(jì)算方法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94
5．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????95
5．3．1 數(shù)值示例????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????95
5．3．2 山地車任務(wù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????101
5．4 總結(jié)和討論????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????102
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????103
第6章 基于參數(shù)探索的策略梯度算法的采樣技術(shù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????105
6．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????105
6．2 基于參數(shù)探索的策略梯度算法中的采樣技術(shù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????107
6．2．1 基線采樣????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????108
6．2．2 最優(yōu)基線采樣????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????109
6．2．3 對(duì)稱采樣????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????109
6．2．4 超對(duì)稱采樣????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????111
6．2．5 多模態(tài)超對(duì)稱采樣????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????116
6．2．6 SupSymPGPE 的獎(jiǎng)勵(lì)歸一化????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????117
6．3 數(shù)值示例實(shí)驗(yàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????119
6．3．1 平方函數(shù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????120
6．3．2 Rastrigin函數(shù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????120
6．4 本章總結(jié)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????124
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????125
第7章 基于樣本有效重用的人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)??????????????????????????????????????????????????????????127
7．1 研究背景：真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????127
7．2 運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)框架????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????128
7．2．1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑和回報(bào)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????128
7．2．2 策略模型????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????129
7．2．3 基于PGPE算法的策略學(xué)習(xí)方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????129
7．3 有效重用歷史經(jīng)驗(yàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????130
7．3．1 基于重要性加權(quán)的參數(shù)探索策略梯度算法
（IW-PGPE算法）??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????130
7．3．2 基于IW-PGPE算法的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)過程??????????????????????????????????????????????????????????131
7．3．3 遞歸型IW-PGPE算法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132
7．4 虛擬環(huán)境中的車桿擺動(dòng)任務(wù)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133
7．5 籃球射擊任務(wù)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????137
7．6 討論與結(jié)論????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????140
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????142
第8章 基于逆強(qiáng)化學(xué)習(xí)的藝術(shù)風(fēng)格學(xué)習(xí)及水墨畫渲染??????????????????????????????????????????????????????????????????145
8．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????145
8．1．1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)背景????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????146
8．1．2 人工智能背景????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????147
8．1．3 面向藝術(shù)風(fēng)格化的渲染系統(tǒng)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????148
8．2 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的筆刷智能體建模??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????148
8．2．1 動(dòng)作的設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????149
8．2．2 狀態(tài)的設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????150
8．3 離線藝術(shù)風(fēng)格學(xué)習(xí)階段????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????151
8．3．1 數(shù)據(jù)采集????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????152
8．3．2 基于逆強(qiáng)化學(xué)習(xí)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)學(xué)習(xí)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153
8．3．3 基于R-PGPE算法的渲染策略學(xué)習(xí)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????154
8．4 A4系統(tǒng)用戶界面????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????155
8．5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????157
8．5．1 渲染策略學(xué)習(xí)結(jié)果????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????157
8．5．2 基于IRL進(jìn)行筆畫繪制的渲染結(jié)果??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????160
8．6 本章小結(jié)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????162
參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163