Modele i platformy AI

DIAMOND: Wizualne szczegÃģły mają znaczenie w Atari i dyfuzji dla modelowania świata

mm
Dodaj Unite.AI do preferowanych ÅšrÃģdeł w Google

W 2018 roku po raz pierwszy wprowadzono ideę uczenia wzmacniania w kontekście środowiska modelu neuronowej sieci, a niedługo potem ten fundamentalny princip został zastosowany w modelach świata. NiektÃģre z najbardziej znaczących modeli, ktÃģre zaimplementowały uczenie wzmacniania, to ramy Dreamer, ktÃģre wprowadziły uczenie wzmacniania z latentnego przestrzeni modelu przestrzeni stanu. DreamerV2 wykazał, Åže uÅžycie dyskretnych latentÃģw moÅže skutkować zmniejszeniem błędÃģw składanych, a ramy DreamerV3 osiągnęły wyniki porÃģwnywalne z ludzkimi na serii zadań w rÃģÅžnych dziedzinach z ustalonymi hiperparametrami.

Ponadto moÅžna wysnuć paralele między modelami generowania obrazÃģw a modelami świata, wskazując, Åže postęp w modelach widzenia generatywnego moÅže być powielony, aby przynieść korzyści modelom świata. Odkąd uÅžycie transformatorÃģw w ramach przetwarzania języka naturalnego zyskało na popularności, pojawiły się ramy DALL-E i VQGAN. Ramy te zaimplementowały dyskretne autoenkodery do konwersji obrazÃģw na dyskretne tokeny i były w stanie zbudować bardzo potęŞne i wydajne modele generatywne tekstu do obrazu, wykorzystując sekwencyjne moÅžliwości modelowania autoregresyjnych transformatorÃģw. W tym samym czasie modele dyfuzji zyskały na popularności, a dziś modele dyfuzji ustanowiły się jako dominujący paradygmat generowania obrazÃģw o wysokiej rozdzielczości. Dzięki moÅžliwościom oferowanym przez modele dyfuzji i uczenie wzmacniania, podejmowane są prÃģby połączenia tych dwÃģch podejść, z celem wykorzystania elastyczności modeli dyfuzji jako modeli trajektorii, modeli nagrÃģd, planistÃģw i jako polityki dla augmentacji danych w trybie offline uczenia wzmacniania.

Modele świata oferują obiecującą metodę szkolenia agentÃģw uczenia wzmacniania w sposÃģb bezpieczny i wydajny. Tradycyjnie te modele wykorzystują sekwencje dyskretnych zmiennych latentnych do symulowania dynamiki środowiska. JednakÅže ta kompresja moÅže zignorować wizualne szczegÃģły niezbędne dla uczenia wzmacniania. W tym samym czasie modele dyfuzji zyskały na popularności w generowaniu obrazÃģw, wyzwając tradycyjne metody, ktÃģre wykorzystują dyskretne latenty. Zainspirowani tym przesunięciem, w tym artykule będziemy rozmawiać o DIAMOND (DIffusion As a Model Of eNvironment Dreams), agencie uczenia wzmacniania szkolonym w ramach modelu świata dyfuzji. Będziemy eksplorować niezbędne wybory projektowe, aby uczynić dyfuzję odpowiednią dla modelowania świata, i pokaÅžemy, Åže udoskonalone wizualne szczegÃģły prowadzą do lepszej wydajności agenta. DIAMOND ustanawia nowy benchmark na konkurencyjnym teście Atari 100k, osiągając średni wynik ludzki znormalizowany na poziomie 1,46, najwyÅžszy dla agentÃģw szkolonych całkowicie w ramach modelu świata.

DIAMOND: Wizualne szczegÃģły mają znaczenie w Atari i dyfuzji dla modelowania świata

Modele świata lub generatywne modele środowiska stają się jednym z najwaÅžniejszych komponentÃģw dla agentÃģw generatywnych do planowania i rozumowania o ich środowiskach. ChociaÅž uÅžycie uczenia wzmacniania osiągnęło znaczny sukces w ostatnich latach, modele zaimplementowane z uczeniem wzmacniania są znane z tego, Åže są nieefektywne pod względem prÃģbek, co znacznie ogranicza ich zastosowanie w świecie rzeczywistym. Z drugiej strony, modele świata wykazały swoją zdolność do efektywnego szkolenia agentÃģw uczenia wzmacniania w rÃģÅžnych środowiskach z znacznie poprawioną efektywnością prÃģbek, pozwalając modelowi uczyć się z doświadczeń świata rzeczywistego. Niedawne ramy modelowania świata zwykle modelują dynamikę środowiska jako sekwencję dyskretnych zmiennych latentnych, z modelem dyskretnym w przestrzeni latentnej, aby uniknąć błędÃģw składanych w wieloetapowych horyzontach czasowych. ChociaÅž podejście to moÅže dostarczyć znaczne wyniki, jest rÃģwnieÅž związane ze stratą informacji, prowadzącą do utraty jakości rekonstrukcji i utraty ogÃģlności. Utrata informacji moÅže stać się znaczącą przeszkodą w scenariuszach świata rzeczywistego, ktÃģre wymagają, aby informacje były dobrze zdefiniowane, takie jak szkolenie pojazdÃģw autonomicznych. W takich zadaniach małe zmiany lub szczegÃģły wejścia wizualnego, takie jak kolor światła drogowego lub wskaÅšnik skrętu pojazdu przed, mogą zmienić politykę agenta. ChociaÅž zwiększenie liczby dyskretnych latentÃģw moÅže pomÃģc uniknąć utraty informacji, znacznie zwiększa koszty obliczeniowe.

Ponadto w ostatnich latach modele dyfuzji wyłoniły się jako dominujące podejście do generowania obrazÃģw o wysokiej jakości, poniewaÅž ramy zbudowane na modelach dyfuzji uczą się odwracać proces hałasowania i bezpośrednio konkurują z niektÃģrymi bardziej ugruntowanymi podejściami modelowania tokenÃģw dyskretnych, oferując obiecującą alternatywę dla eliminacji potrzeby dyskretyzacji w modelowaniu świata. Modele dyfuzji są znane z ich zdolności do łatwego warunkowania i elastycznego modelowania złoÅžonych, wielomodalnych rozkładÃģw bez kolapsu trybu. Atrybuty te są kluczowe dla modelowania świata, poniewaÅž warunkowanie umoÅžliwia modelowi świata dokładnie odzwierciedlić działania agenta, prowadząc do bardziej niezawodnego przypisania kredytu. Ponadto modelowanie rozkładÃģw wielomodalnych oferuje większą rÃģÅžnorodność scenariuszy szkoleniowych dla agenta, poprawiając jego ogÃģlną wydajność.

Budując na tych cechach, DIAMOND (DIffusion As a Model Of eNvironment Dreams) to agent uczenia wzmacniania szkolony w ramach modelu świata dyfuzji. Ramy DIAMOND dokonują starannych wyborÃģw projektowych, aby zapewnić, Åže ich model świata dyfuzji pozostaje wydajny i stabilny w długich horyzontach czasowych. Ramy DIAMOND zapewniają jakościową analizę, aby zademonstrować znaczenie tych wyborÃģw projektowych. DIAMOND ustanawia nowy stan sztuki z średnim wynikiem ludzki znormalizowanym na poziomie 1,46 na dobrze ugruntowanym teście Atari 100k, najwyÅžszym dla agentÃģw szkolonych całkowicie w ramach modelu świata. Działanie w przestrzeni obrazu pozwala modelowi świata DIAMOND na bezproblemową substytucję środowiska, oferując większe wglądy w zachowania modelu świata i agenta. Godne uwagi jest to, Åže poprawiona wydajność w pewnych grach jest przypisywana lepszemu modelowaniu krytycznych szczegÃģłÃģw wizualnych. Ramy DIAMOND modelują środowisko jako standardowy proces decyzyjny Markowa z częściowo obserwowalnym stanem z zestawem stanÃģw, zestawem dyskretnych działań i zestawem obserwacji obrazu. Funkcje przejścia opisują dynamikę środowiska, a funkcja nagrody mapuje przejścia na skalarną nagrodę.

DIAMOND: Metodologia i Architektura

W swojej istocie modele dyfuzji są klasą modeli generatywnych, ktÃģre generują prÃģbkę przez odwrÃģcenie procesu hałasowania i czerpią inspirację z termodynamiki nieequlibrium. Ramy DIAMOND rozwaÅžają proces dyfuzji indeksowany przez ciągłą zmienną czasową z odpowiednimi marginalnymi i warunkami brzegowymi z traktowalną nieustrukturalizowaną dystrybucją a priori. Ponadto, aby uzyskać model generatywny, ktÃģry mapuje od hałasu do danych, ramy DIAMOND muszą odwrÃģcić proces, a proces odwrÃģcenia jest rÃģwnieÅž modelem dyfuzji, ktÃģry działa wstecz w czasie. Ponadto, w dowolnym punkcie czasu nie jest trywialne oszacowanie funkcji skory, poniewaÅž ramy DIAMOND nie mają dostępu do prawdziwej funkcji skory, a model pokonuje tę przeszkodę, implementując cel dopasowania skory, podejście, ktÃģre umoÅžliwia ramom szkolenia modelu skory bez znajomości podstawowej funkcji skory. Model dyfuzji oparty na skory zapewnia niewarunkowy model generatywny. Jednak warunkowy model generatywny dynamiki środowiska jest wymagany do słuÅženia jako model świata, a aby słuÅžyć temu celowi, ramy DIAMOND rozwaÅžają ogÃģlny przypadek podejścia POMDP, w ktÃģrym ramy mogą wykorzystywać poprzednie obserwacje i działania, aby przybliÅžyć nieznany stan Markowa. Jak to zostało zademonstrowane na Rysunku 1, ramy DIAMOND wykorzystują tę historię do warunkowania modelu dyfuzji, aby oszacować i wygenerować następną obserwację bezpośrednio. ChociaÅž ramy DIAMOND mogą teoretycznie wykorzystywać dowolny rozwiązujący SDE lub ODE, istnieje kompromis między NFE (liczbą ocen funkcji) a jakością prÃģbki, ktÃģry znacznie wpływa na koszt wnioskowania modeli dyfuzji.

Budując na tych wnioskach, spÃģjrzmy teraz na praktyczną realizację ram DIAMOND modelu świata opartego na dyfuzji, w tym wspÃģłczynniki dryftu i dyfuzji odpowiadające określonemu wyborowi podejścia dyfuzji. Zamiast wybrać DDPM, naturalnie odpowiedniego kandydata do tego zadania, ramy DIAMOND budują na sformalizowaniu EDM i rozwaÅžają jądro perturbacji z funkcją wartości rzeczywistej czasu dyfuzji, zwaną harmonogramem hałasu. Ramy wybierają prekondycjonery, aby utrzymać wejściową i wyjściową wariancję dla dowolnego poziomu głosu. Szkolenie sieci łączy sygnał i hałas w zaleÅžności od poziomu degradacji, a gdy hałas jest niski, a celem staje się rÃģÅžnica między czystym a zakłÃģconym sygnałem, czyli dodanym hałasem Gaussa. Intuicyjnie, to zapobiega temu, aby cel szkolenia stał się trywialny w reÅžimie niskiego hałasu. W praktyce ten cel jest wysoko zmienny na krańcach harmonogramu hałasu, więc model prÃģbkuj hałas z log-normalnej dystrybucji wybranej empirycznie, aby połączyć szkolenie wokÃģł średnich obszarÃģw hałasu. Ramy DIAMOND wykorzystują standardowy komponent U-Net 2D dla pola wektorowego i utrzymują bufor poprzednich obserwacji i działań, ktÃģre ramy wykorzystują do warunkowania siebie. Następnie ramy DIAMOND łączą te poprzednie obserwacje z następną zakłÃģconą obserwacją i wejściowymi działaniami przez warstwy normalizacji grupowej w blokach resztowych U-Net.

DIAMOND: Eksperymenty i Wyniki

Do kompleksowej oceny ramy DIAMOND wybierają benchmark Atari 100k. Benchmark Atari 100k składa się z 26 gier zaprojektowanych do testowania szerokiego zakresu moÅžliwości agenta. W kaÅždej grze agent jest ograniczony do 100k akcji w środowisku, co jest rÃģwnowaÅžne z około 2 godzinami gry ludzkiej, aby nauczyć się gry przed oceną. Dla porÃģwnania, nieograniczone agenty Atari zwykle trenują przez 50 milionÃģw krokÃģw, reprezentując 500-krotny wzrost doświadczenia. Trenowaliśmy DIAMOND od podstaw przy uÅžyciu 5 losowych nasion dla kaÅždej gry. KaÅždy przebieg treningu wymagał około 12GB pamięci VRAM i trwał około 2,9 dni na jednej karcie graficznej Nvidia RTX 4090, co stanowi 1,03 roku GPU w sumie. PoniÅžsza tabela zawiera wynik dla wszystkich gier, średnią i IQM (średnią międzykwartylową) wynikÃģw znormalizowanych do ludzkich.

Po ograniczeniach estymacji punktowych ramy DIAMOND zapewniają stratyfikowaną ufność bootstrap w średniej i IQM wynikÃģw znormalizowanych do ludzkich wraz z profilami wydajności i dodatkowymi metrykami, jak to zostało podsumowane w poniÅžszym rysunku.

Wyniki pokazują, Åže DIAMOND wykonuje się wyjątkowo dobrze w całym benchmarku, przewyÅžszając graczy ludzkich w 11 grach i osiągając nadludzki średni wynik znormalizowany do 1,46, ustanawiając nowy rekord dla agentÃģw szkolonych całkowicie w ramach modelu świata. Ponadto, DIAMOND wyrÃģÅžnia się w środowiskach, w ktÃģrych przechwycenie małych szczegÃģłÃģw jest kluczowe, takich jak Asterix, Breakout i RoadRunner. Ponadto, jak omÃģwiono wcześniej, ramy DIAMOND mają elastyczność implementowania dowolnego modelu dyfuzji w swoim potoku, chociaÅž wybierają podejście EDM, byłoby to naturalne wybranie modelu DDPM, poniewaÅž jest on juÅž wdroÅžony w licznych aplikacjach generowania obrazÃģw. Aby porÃģwnać podejście EDM z implementacją DDPM, ramy DIAMOND trenują oba warianty z tą samą architekturą sieci na tym samym wspÃģłdzielonym zestawie danych statycznych z ponad 100k klatkami zebranymi z ekspertem. Liczba krokÃģw denoisingu jest bezpośrednio związana z kosztem wnioskowania modelu świata, a więc mniej krokÃģw zmniejszy koszt treningu agenta na wyobraÅžonych trajektoriach. Aby upewnić się, Åže nasz model świata pozostaje komputacyjnie porÃģwnywalny z innymi benchmarkami, takimi jak IRIS, ktÃģre wymagają 16 NFE na krok, staramy się wykorzystywać nie więcej niÅž dziesiątki krokÃģw denoisingu, a najlepiej mniej. Jednak ustawienie liczby krokÃģw denoisingu zbyt niskiego moÅže pogorszyć jakość wizualną, prowadząc do błędÃģw składanych. Aby ocenić stabilność rÃģÅžnych wariantÃģw dyfuzji, wyświetlamy wyobraÅžone trajektorie generowane autoregresyjnie do t = 1000 krokÃģw w poniÅžszym rysunku, przy uÅžyciu rÃģÅžnej liczby krokÃģw denoisingu n â‰Ī 10.

Obserwujemy, Åže uÅžycie DDPM (a) w tym reÅžimie skutkuje powaÅžnymi błędami składanymi, powodując, Åže model świata szybko wykracza poza dystrybucję. W przeciwieństwie do tego, model świata dyfuzji oparty na EDM (b) pozostaje znacznie bardziej stabilny w długich horyzontach czasowych, nawet z jednym krokiem denoisingu. WyobraÅžone trajektorie z modelem dyfuzji opartym na DDPM (po lewej) i EDM (po prawej) są pokazane. Początkowa obserwacja w t = 0 jest taka sama dla obu, a kaÅždy wiersz odpowiada malejącej liczbie krokÃģw denoisingu n. Obserwujemy, Åže generacja oparta na DDPM cierpi na błędy składane, a mniejsza liczba krokÃģw denoisingu prowadzi do szybszego nagromadzenia błędÃģw. W przeciwieństwie do tego, model świata DIAMOND oparty na EDM pozostaje znacznie bardziej stabilny, nawet dla n = 1. Optymalna predykcja jednego kroku jest oczekiwaniem nad moÅžliwymi rekonstrukcjami dla danego wejścia zakłÃģconego, ktÃģre moÅže być poza dystrybucją, jeśli rozkład a posteriori jest wielomodalny. ChociaÅž niektÃģre gry, takie jak Breakout, mają deterministyczne przejścia, ktÃģre mogą być dokładnie modelowane za pomocą jednego kroku denoisingu, inne gry wykazują częściową obserwowalność, skutkując wielomodalnymi rozkładami obserwacji. W takich przypadkach rozwiązanie iteracyjne jest konieczne do kierowania procedurą prÃģbkowania w kierunku określonego trybu, jak to zostało zademonstrowane w grze Boxing w poniÅžszym rysunku. W związku z tym ramy DIAMOND ustawiają n = 3 we wszystkich eksperymentach.

PowyÅžszy rysunek porÃģwnuje prÃģbkowanie jednego kroku (gÃģrny wiersz) i prÃģbkowanie wielokroku (dolny wiersz) w Boxing. Ruchy czarnego gracza są nieprzewidywalne, powodując, Åže prÃģbkowanie jednego kroku interpoluje między moÅžliwymi wynikami, skutkując rozmytymi predykcjami. W przeciwieństwie do tego, prÃģbkowanie wielokroku produkuje wyraÅšny obraz, kierując generację w kierunku określonego trybu. Co ciekawe, poniewaÅž polityka kontroluje białego gracza, jego działania są znane modelowi świata, eliminując niepewność. Zatem zarÃģwno prÃģbkowanie jednego kroku, jak i prÃģbkowanie wielokroku poprawnie przewidują pozycję białego gracza.

W powyÅžszym rysunku trajektorie wyobraÅžone przez DIAMOND ogÃģlnie wykazują wyÅžszą jakość wizualną i są bardziej wiernymi odwzorowaniem środowiska rzeczywistego w porÃģwnaniu z tymi wyobraÅžonymi przez IRIS. Trajektorie wygenerowane przez IRIS zawierają nieścisłości wizualne między klatkami (wyrÃģÅžnione białymi prostokątami), takie jak wrogowie wyświetlani jako nagrody i odwrotnie. ChociaÅž te nieścisłości mogą wpływać tylko na kilka pikseli, mogą one znacznie wpłynąć na uczenie wzmacniania. Na przykład, agent zwykle stara się celować w nagrody i unikać wrogÃģw, więc te małe nieścisłości wizualne mogą utrudnić naukę optymalnej polityki. Rysunek pokazuje kolejne klatki wyobraÅžone przez IRIS (po lewej) i DIAMOND (po prawej). Białe prostokąty wyrÃģÅžniają nieścisłości między klatkami, ktÃģre pojawiają się tylko w trajektoriach wygenerowanych przez IRIS. W Asterix (gÃģrny wiersz) wrÃģg (pomarańczowy) staje się nagrodą (czerwony) w drugiej klatce, a następnie wraca do wroga w trzeciej, i ponownie do nagrody w czwartej. W Breakout (środkowy wiersz) cegły i wynik są nieścisłe między klatkami. W Road Runner (dolny wiersz) nagrody (małe niebieskie kropki na drodze) są nieścisłe między klatkami. Te nieścisłości nie występują w DIAMOND. W Breakout wynik jest niezawodnie aktualizowany o +7, gdy czerwona cegła jest zniszczona.

Wnioski

W tym artykule omÃģwiliśmy DIAMOND, agenta uczenia wzmacniania szkolonego w ramach modelu świata dyfuzji. Ramy DIAMOND dokonują starannych wyborÃģw projektowych, aby zapewnić, Åže ich model świata dyfuzji pozostaje wydajny i stabilny w długich horyzontach czasowych. Ramy DIAMOND zapewniają jakościową analizę, aby zademonstrować znaczenie tych wyborÃģw projektowych. DIAMOND ustanawia nowy stan sztuki z średnim wynikiem ludzki znormalizowanym na poziomie 1,46 na dobrze ugruntowanym teście Atari 100k, najwyÅžszym dla agentÃģw szkolonych całkowicie w ramach modelu świata. Działanie w przestrzeni obrazu pozwala modelowi świata DIAMOND na bezproblemową substytucję środowiska, oferując większe wglądy w zachowania modelu świata i agenta. Godne uwagi jest to, Åže poprawiona wydajność w pewnych grach jest przypisywana lepszemu modelowaniu krytycznych szczegÃģłÃģw wizualnych. Ramy DIAMOND modelują środowisko jako standardowy proces decyzyjny Markowa z częściowo obserwowalnym stanem z zestawem stanÃģw, zestawem dyskretnych działań i zestawem obserwacji obrazu. Funkcje przejścia opisują dynamikę środowiska, a funkcja nagrody mapuje przejścia na skalarną nagrodę.

"InÅžynier z zawodu, pisarz z serca". Kunal jest technicznym pisarzem z głęboką miłością i zrozumieniem AI i ML, poświęconym uproszczeniu złoÅžonych pojęć w tych dziedzinach poprzez swoje angaÅžujące i informacyjne dokumentacje.