Unity ML-Agents 0.13.1のチュートリアル

2020年2月13日 07:29

1. Unity ML-Agents

「Unity ML-Agents」は、Unity で「強化学習」の「環境」を構築し、「エージェント」の学習および推論を行うためのフレームワークです。サンプルの学習環境「3DBall」を使って、学習および推論の手順を解説します。

エラー対応で「Baracuda 0.4.0」をインストールしています。（0.5.0ではエラーになりました。）

2. 開発環境の準備

◎ Unityの開発環境のインストール
「Unity ML-Agents」を利用するには、「Unity 2018.4」以降が必要になります。今回は「2019.3.0f1」を使っています。以下のサイトからダウンロード後、インストールしてください。

・Unityのダウンロード

◎ Unity ML-Agentsのリポジトリのダウンロード
「Unity ML-Agents」のリポジトリには、
・強化学習の環境を作成するためのUnityアセット
・強化学習の学習を行うためのPythonスクリプト
が含まれています。

以下のコマンドで、リポジトリをクローンします。

git clone https://github.com/Unity-Technologies/ml-agents.git -b 0.13.1

ml-agentsフォルダが生成されます。

◎ ml-agentsのフォルダ構成
ml-agentsフォルダのフォルダ構成は、次のとおりです。

・UnitySDKフォルダ: 強化学習の環境を作成するためのアセットが含まれるUnityプロジェクト
・UnitySDK/Assetsフォルダ: 強化学習の環境を作成するためのUnityアセット
・ml-agentsフォルダ: 強化学習の学習を行うPythonパッケージ
・ml-agents-envsフォルダ: Unity環境とml-agentsパッケージ間のインタフェースとなるPythonパッケージ
・configフォルダ: 学習のハイパーパラメータを定義したファイル
・gym-unityフォルダ: OpenAI Gymと連携するためのパッケージ
・docsフォルダ: ドキュメント
・demoフォルダ: デモ

◎ Pythonの仮想環境の作成
「Unity ML-Agents」では「Python 3.6.1」以降が必要です。今回は「Anaconda」で「Python 3.6.1」の仮想環境を作成します。

$ conda create -n mlagents python=3.6.1
$ conda activate mlagents

以下のコマンドで「mlagents」をインストールします。

$ pip install pandas
$ pip install gym
$ pip install mlagents==0.13.1

3. Unity ML-Agentsのプロジェクトの準備

「Unity ML-Agents」のプロジェクトの準備の手順は、次のとおりです。

(1) Unityを起動し、Unityのプロジェクトを「3D」で新規作成。
(2) 強化学習の「環境」を作成するためのアセット（UnitySDK/Assets/ML-Agents）をプロジェクトの「Assets」フォルダにコピー。
(3) メニュー「File→Build Settings...」を選択。
(4)「Target Platform」に、Macの場合は「Mac and Linux Standalone」、Windowsの場合は「PC」を選択。
(5)「Player Settings...」ボタンを押す。
(6)「Other Settings」の「Api Compatibility Level」で「.Net 4.x」を選択。

(7) メニュー「Window → Package Manager」の「Advanced → Show Preview packages」を選択し、「Barracuda 0.4.0」を選択しインストール。（最新の0.5.0では動きませんでした）

(8) メニュー「File → Save Project」を選択し、設定を保存。

◎ Unityアセット内のフォルダ構成
　Uniryアセット（UnitySDK/Assets/ML-Agents）内のフォルダ構成は、次のとおりです。サイズが大きいので、サンプルの学習環境を利用しない場合は「ML-Agents/Examples」を削除しても良いですが、今回は利用します。

・Editorフォルダ: エディタ関連のスクリプト
・Examplesフォルダ: サンプルの学習環境のフォルダ
・Pluginsフォルダ: Unity ML-Agentsの各種プラグイン
・Resourcesフォルダ: Unity ML-Agentsの各種リソース
・Scriptsフォルダ: Unity ML-Agentsの各種スクリプト

4. サンプルの学習環境の準備

「Unity ML-Agents」が提供しているサンプルの学習環境の1 つ「3DBall」を準備します。台の傾きでバランスを取り、ボールを落下させないようにキープする学習環境です。

サンプルの学習環境の準備の手順は、次のとおりです。

(1) Projectウィンドウで「Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/Scene」にあるシーン「3DBall」を開く。

5. Pythonスクリプトによる学習

「強化学習の学習を行うPythonスクリプト」を使って「サンプルの学習環境」を学習します。学習が完了すると「推論モデル」が生成されます。

(1) Pythonの仮想環境で、「ml-agents」のルートに移動し、「mlagents-learn」コマンドで「学習」を開始。

「mlagents-learn」の書式は次のとおりです。

$ mlagents-learn <学習コンフィグファイルのパス> --run-id=<実行ID> --train

「学習コンフィグファイル」は学習用のハイパーパラメータをまとめたyamlファイルで、「ml-agents/config/trainer_config.yaml」にあります。
「実行ID」は異なる訓練結果を分離するために使用する任意の文字列です。
「--train」は推論でなく学習であることを指定します。

今回は、次のようにコマンドを入力します。

$ mlagents-learn ./config/trainer_config.yaml --run-id=firstRun --train

以下のようなログが表示されます。


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                  `▀█▓▓▓▓▓▓▓▓▓▌
                       ¬`▀▀▀█▓

       
Version information:
 ml-agents: 0.13.1,
 ml-agents-envs: 0.13.1,
 Communicator API: API-13,
 TensorFlow: 2.0.1
INFO:mlagents.trainers:CommandLineOptions(debug=False, num_runs=1, seed=-1, env_path=None, run_id='firstRun', load_model=False, train_model=True, save_freq=50000, keep_checkpoints=5, base_port=5005, num_envs=1, curriculum_folder=None, lesson=0, no_graphics=False, multi_gpu=False, trainer_config_path='./config/trainer_config.yaml', sampler_file_path=None, docker_target_name=None, env_args=None, cpu=False, width=84, height=84, quality_level=5, time_scale=20, target_frame_rate=-1)
INFO:mlagents_envs:Listening on port 5004. Start training by pressing the Play button in the Unity Editor.

「Start training by pressing the Play button in the Unity Editor」（Unity EditorのPlayボタンを押して訓練を開始してください）と表示されたら準備完了です。

(2) UnityのPlayボタン（▶）を押して学習開始。
最初のうちはボールを落としますが、徐々に上達する様子が見れます。

ログには「Mean Reward」(平均報酬)と「Std of Reward」(標準偏差)が出力されます。

INFO:mlagents.trainers: firstRun: 3DBall: Step: 2000. Time Elapsed: 20.894 s Mean Reward: 1.251. Std of Reward: 0.795. Training.
INFO:mlagents.trainers: firstRun: 3DBall: Step: 3000. Time Elapsed: 31.224 s Mean Reward: 1.438. Std of Reward: 0.913. Training.
INFO:mlagents.trainers: firstRun: 3DBall: Step: 4000. Time Elapsed: 41.293 s Mean Reward: 1.728. Std of Reward: 1.055. Training.
INFO:mlagents.trainers: firstRun: 3DBall: Step: 5000. Time Elapsed: 51.512 s Mean Reward: 2.382. Std of Reward: 1.612. Training.
  :

50000ステップ(学習コンフィグファイルの初期設定)に達すると学習完了です。「ml-agents/models/firstRun-0/3DBall.nn」に「推論モデル」が出力されています。

6. Unityでの推論モデルの実行

「推論モデル」の利用手順は次の通りです。

(1) 推論モデル「3DBall.nn」をプロジェクトの「Assets」にコピー。
(2) Projectウィンドウで「Assets/ML-Agents/Examples/3DBall/Prefabs」にある「3DBall」を選択し、Inspectorで「Open Prefab」をクリック。

(3)プレハブ「3DBall」内の「Agent」を選択し、Inspectorで設定を確認。

「Agent」（今回はBall 3D Agent）は強化学習のエージェント情報を管理するコンポーネントです。シーン「3DBall」内には12個のプレハブ「3DBall」のインスタンスが存在します。12個すべてのインスタンスの「Agent」に対して設定更新する代わりに、プレハブ「3DBall」でまとめて更新できます。

(4)「Agent」の「Behavior Parameters」の「Model」に、「3DBall.nn」をドラッグ&ドロップ。
(5) UnityのPlayボタン（▶ボタン）を押して推論開始。

推論が実行され、ボールがバランスをとる様子を見ることができます。
「学習を行うPythonスクリプト」が実行されているかどうかに応じて、UnityのPlayボタンで学習と推論のどちらが実行されるかが決まります。

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