论文笔记之：Deep Attention Recurrent Q-Network
Deep Attention Recurrent Q-Network
5vision groups?
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?摘要：本文將 DQN 引入了 Attention 機(jī)制，使得學(xué)習(xí)更具有方向性和指導(dǎo)性。（前段時(shí)間做一個(gè)工作打算就這么干，誰想到，這么快就被這幾個(gè)孩子給實(shí)現(xiàn)了，自愧不如啊( ⊙ o ⊙ )）
??引言：我們知道 DQN 是將連續(xù) 4幀的視頻信息輸入到 CNN 當(dāng)中，那么，這么做雖然取得了不錯(cuò)的效果，但是，仍然只是能記住這 4 幀的信息，之前的就會(huì)遺忘。所以就有研究者提出了 Deep Recurrent Q-Network (DRQN)，一個(gè)結(jié)合 LSTM 和 DQN 的工作：
1. the fully connected layer in the latter is replaced for a LSTM one ,?
2. only the last visual frame at each time step is used as DQN's input.?
作者指出雖然只是使用了一幀的信息，但是 DRQN 仍然抓住了幀間的相關(guān)信息。盡管如此，仍然沒有看到在 Atari game上有系統(tǒng)的提升。
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另一個(gè)缺點(diǎn)是：長時(shí)間的訓(xùn)練時(shí)間。據(jù)說，在單個(gè) GPU 上訓(xùn)練時(shí)間達(dá)到 12-14天。于是，有人就提出了并行版本的算法來提升訓(xùn)練速度。作者認(rèn)為并行計(jì)算并不是唯一的，最有效的方法來解決這個(gè)問題。
最近 visual attention models 在各個(gè)任務(wù)上都取得了驚人的效果。利用這個(gè)機(jī)制的優(yōu)勢在于：僅僅需要選擇然后注意一個(gè)較小的圖像區(qū)域，可以幫助降低參數(shù)的個(gè)數(shù)，從而幫助加速訓(xùn)練和測試。對比 DRQN，本文的 LSTM 機(jī)制存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不僅用于下一個(gè) actions 的選擇，也用于 選擇下一個(gè) Attention 區(qū)域。此外，除了計(jì)算速度上的改進(jìn)之外，Attention-based models 也可以增加 Deep Q-Learning 的可讀性，提供給研究者一個(gè)機(jī)會(huì)去觀察 agent 的集中區(qū)域在哪里以及是什么，（where and what）。
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Deep Attention Recurrent Q-Network：
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?如上圖所示，DARQN 結(jié)構(gòu)主要由 三種類型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：convolutional (CNN), attention, and recurrent . 在每一個(gè)時(shí)間步驟 t，CNN 收到當(dāng)前游戲狀態(tài) $s_t$ 的一個(gè)表示，根據(jù)這個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生一組 D feature maps，每一個(gè)的維度是 m * m。Attention network 將這些 maps 轉(zhuǎn)換成一組向量 $v_t = \{ v_t^1, ... , v_t^L \}$，L = m*m，然后輸出其線性組合 $z_t$，稱為 a context vector. 這個(gè) recurrent network，在我們這里是 LSTM，將 context vector 作為輸入，以及 之前的 hidden state $h_{t-1}$，memory state $c_{t-1}$，產(chǎn)生 hidden state $h_t$ 用于：
1. a linear layer for evaluating Q-value of each action $a_t$ that the agent can take being in state $s_t$ ;?
2. the attention network for generating a context vector at the next time step t+1.?
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Soft attention?:?
這一小節(jié)提到的 "soft" Attention mechanism 假設(shè) the context vector $z_t$ 可以表示為 所有向量 $v_t^i$ 的加權(quán)和，每一個(gè)對應(yīng)了從圖像不同區(qū)域提取出來的 CNN 特征。權(quán)重 和 這個(gè) vector 的重要程度成正比例，并且是通過 Attention network g 衡量的。g network 包含兩個(gè) fc layer 后面是一個(gè) softmax layer。其輸出可以表示為：
其中，Z是一個(gè)normalizing constant。W 是權(quán)重矩陣，Linear(x) = Ax + b 是一個(gè)放射變換，權(quán)重矩陣是A，偏差是 b。我們一旦定義出了每一個(gè)位置向量的重要性，我們可以計(jì)算出 context vector 為：
另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在第三小節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。整個(gè) DARQN model 是通過最小化序列損失函數(shù)完成訓(xùn)練：
其中，$Y_t$ 是一個(gè)近似的 target value，為了優(yōu)化這個(gè)損失函數(shù)，我們利用標(biāo)準(zhǔn)的 Q-learning 更新規(guī)則：
DARQN 中的 functions 都是可微分的，所以每一個(gè)參數(shù)都有梯度，整個(gè)模型可以 end-to-end 的進(jìn)行訓(xùn)練。本文的算法也借鑒了 target network 和 experience replay 的技術(shù)。
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Hard Attention：
此處的 hard attention mechanism 采樣的時(shí)候要求僅僅從圖像中采樣一個(gè)圖像 patch。
假設(shè) $s_t$ 從環(huán)境中采樣的時(shí)候，受到了 attention policy 的影響，attention network g 的softmax layer 給出了帶參數(shù)的類別分布（categorical distribution）。然后，在策略梯度方法，策略參數(shù)的更新可以表示為：
其中 $R_t$ 是將來的折扣的損失。為了估計(jì)這個(gè)值，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò) $G_t = Linear(h_t)$ 才引入進(jìn)來。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過朝向 期望值 $Y_t$ 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。Attention network 參數(shù)最終的更新采用如下的方式進(jìn)行：
?其中 $G_t - Y_t$ 是advantage function estimation。
作者提供了源代碼：https://github.com/5vision/DARQN ?
實(shí)驗(yàn)部分：
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總結(jié)： ?
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的论文笔记之：Deep Attention Recurrent Q-Network的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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