基于深度强化学习的DQN模型实现自动玩俄罗斯方块游戏（附详细代码讲解）_俄罗斯方块 强化学习

一、DQN（Deep Q-Network）方法概述

        DQN（Deep Q-Network）是一种强化学习方法，通过结合Q-learning算法和深度神经网络来解决强化学习问题。它是深度强化学习的里程碑之一，由DeepMind在2013年提出，被广泛应用于各种复杂的强化学习任务。DQN方法的概述如下：

1.强化学习问题：在强化学习中，智能体与环境进行交互，通过观察环境的状态并采取动作，来最大化累积奖励。智能体在环境中移动并与之交互，不断学习并优化策略，以在不同的状态下选择最优动作。

2.Q-learning算法：Q-learning是一种经典的强化学习算法，用于学习最优Q函数。Q函数表示在给定状态下采取某个动作的预期累积奖励值。Q-learning使用迭代更新的方式逼近最优Q函数，其核心思想是使用贝尔曼方程来更新Q值。贝尔曼方程表示当前状态下采取动作的Q值可以通过下一个状态的最大Q值和立即奖励来进行递归更新。

3.DQN的创新点：DQN的创新之处在于使用深度神经网络来逼近Q函数。传统的Q-learning方法使用表格存储Q值，但在大型状态空间问题中，表格变得不可行。DQN通过使用神经网络来表示Q函数，将状态作为输入，输出对应于每个动作的Q值，从而可以对大型状态空间进行近似求解。

4.Experience Replay（经验回放）：DQN使用经验回放技术来存储智能体的经验，包括状态、动作、奖励和下一个状态。在训练过程中，DQN从经验回放缓冲区中随机抽样，以打破数据之间的关联性，从而更有效地使用经验数据进行训练。

5.Target Network（目标网络）：为了稳定训练过程，DQN引入了目标网络。在训练过程中，有两个神经网络：一个是用于选择动作的主网络，另一个是用于计算目标Q值的目标网络。目标网络的参数比主网络的参数更新更慢，这有助于减少训练中的目标Q值估计的波动性。

6.Double Q-learning：DQN还采用了Double Q-learning的思想，用于更准确地估计Q值。在目标网络和主网络中分别选择最大动作，并结合它们的Q值来更新目标Q值。

        DQN方法的训练过程是迭代的，通过反复与环境交互、更新神经网络权重和优化策略，使得智能体逐渐学习到最优的Q函数，并从中得到最佳决策策略。DQN在很多复杂的强化学习任务中取得了显著的成功，并为后续深度强化学习算法的发展奠定了基础。

二、强化学习代码实现及训练过程

        本文将实现一个使用DQN算法和深度神经网络的强化学习代理，通过逼近Q函数来优化决策策略。代理以单一分数来表示每个状态的预期得分，并使用神经网络训练来逼近这些Q值。在训练过程中，代理通过经验回放和目标网络来稳定训练，并通过探索与利用策略优化决策能力。

        首先，我们基于DQN实现一个DQNAgent类，该类实现了一个基于深度强化学习的代理，使用DQN（Deep Q-Network）算法来解决强化学习问题。代码逻辑功能概述如下：

1.这个代理使用DQN算法来学习最优的决策策略。
2.代理的目标是找到所有可能状态的最佳最终状态的组合，而不是传统方法中找到特定状态的最佳动作。
3.通过使用深度神经网络来逼近Q函数，代理可以处理大型状态空间的问题。
4.代码中使用经验回放技术和目标网络来优化训练过程，提高稳定性和效率。

实现的代码如下：

class DQNAgent:
    def __init__(self, state_size, mem_size=10000, discount=0.95, epsilon=1, epsilon_min=0, epsilon_stop_episode=500,
                 n_neurons=[32, 32], activations=('relu', 'relu', 'linear'), loss='mse', optimizer='adam',
                 replay_start_size=None):
        # 初始化DQNAgent代理
        assert len(activations) == len(n_neurons) + 1
        self.state_size = state_size
        self.memory = deque(maxlen=mem_size)
        self.discount = discount
        self.epsilon = epsilon
        self.epsilon_min = epsilon_min
        self.epsilon_decay = (self.epsilon - self.epsilon_min) / epsilon_stop_episode
        self.n_neurons = n_neurons
        self.activations = activations
        self.loss = loss
        self.optimizer = optimizer
        if not replay_start_size:
            replay_start_size = mem_size / 2
 
        self.replay_start_size = replay_start_size
        self.model = self.build_model()
    # 创建一个深度神经网络模型
    def build_model(self) -> Model:
        model = Sequential()
        model.add(Dense(self.n_neurons[0], input_dim=self.state_size, activation=self.activations[0]))
        for i in range(1, len(self.n_neurons)):
            model.add(Dense(self.n_neurons[i], activation=self.activations[i]))
        model.add(Dense(1, activation=self.activations[-1]))
        model.compile(loss=self.loss, optimizer=self.optimizer)
        return model
    # 将动作过程添加到经验回放缓冲区中
    def add_to_memory(self, current_state, next_state, reward, done):
        self.memory.append((current_state, next_state, reward, done))
    # 为某个动作分配一个随机得分
    def random_value(self):
        return random.random()
    # 预测给定状态的得分
    def predict_value(self, state: np.ndarray) -> float:
        return self.model.predict(state)[0]
    # 返回给定状态的预期得分
    def act(self, state):
        state = np.reshape(state, [1, self.state_size])
 
        if random.random() <= self.epsilon:
            return self.random_value()
        else:
            return self.predict_value(state)
    # 返回给定状态集合中的最佳状态
    def best_state(self, states):
        max_value = None
        best_state = None
        if random.random() <= self.epsilon:
            return random.choice(list(states))
        else:
            for state in states:
                value = self.predict_value(np.reshape(state, [1, self.state_size]))
 
                if not max_value or value > max_value:
                    max_value = value
                    best_state = state
        return best_state
    # 训练神经网络模型
    def train(self, batch_size=32, epochs=3):
        n = len(self.memory)
        if n >= self.replay_start_size and n >= batch_size:
            batch = random.sample(self.memory, batch_size)
            # 获取下一个状态的预期得分
            next_states = np.array([x[1] for x in batch])
            next_qs = [x[0] for x in self.model.predict(next_states)]
            x = []
            y = []
            # 构建训练数据的输入输出结构
            for i, (state, _, reward, done) in enumerate(batch):
                if not done:
                    new_q = reward + self.discount * next_qs[i]  # 更新预期得分（Q值）
                else:
                    new_q = reward
                x.append(state)
                y.append(new_q)
            # 使用训练数据拟合模型
            self.model.fit(np.array(x), np.array(y), batch_size=batch_size, epochs=epochs, verbose=0)
 
            # 更新探索变量
            if self.epsilon > self.epsilon_min:
                self.epsilon -= self.epsilon_decay

代码中DQNAgent类：

state_size：输入域（状态空间）的大小。
mem_size：回放缓冲区的大小。
discount：未来奖励相对于即时奖励的重要性（折扣因子）[0,1]。
epsilon：开始时的探索概率（以给定概率执行随机动作）。
epsilon_min：当代理停止减少探索概率时的最小值。
epsilon_stop_episode：代理停止减少探索变量的回合数。
n_neurons：每个隐藏层中神经元的数量的列表。
activations：每个隐藏层和输出层中使用的激活函数的列表。
loss：用于训练神经网络的损失函数。
optimizer：用于训练神经网络的优化器。
build_model()：方法用于创建和编译基于指定结构（神经元数量和激活函数）的Keras神经网络模型。
add_to_memory()：方法用于将一个经验元组（当前状态、下一个状态、奖励、完成标志）添加到回放缓冲器中。
random_value()：方法返回一个随机值（用于在探索时为某个动作分配随机分数）。
predict_value()：方法接收一个状态作为输入，并预测该状态的预期分数，使用训练好的神经网络。
act()：方法根据当前状态选择一个动作（值）。它根据探索概率（epsilon）决定是进行探索（随机动作）还是利用（预测动作）。
best_state()：方法接收一个状态集合，并根据预测的最高分数返回最佳状态。它可以根据一定概率（epsilon）进行探索或利用最佳预测状态。
train()：方法用于训练神经网络，使用从回放缓冲器中抽样的经验。它使用Q-learning的更新规则来调整神经网络权重，以更好地逼近Q函数。

        将写好的俄罗斯方块游戏和DQNAgent类的强化学习策略进行结合，通过训练和评估在Tetris游戏中的性能，以寻找最佳策略来玩这个游戏。实现的过程如下：

        1.定义了run_model函数，用于训练和评估DQN代理的性能。在每个回合（episode）中，代理在Tetris游戏环境中执行动作，并收集游戏得分。代码实现如下：

def run_model(dir_name, episodes=100, render=False):
    env = Tetris()
    epsilon_stop_episode = 1500
    mem_size = 20000
    discount = 0.95
    replay_start_size = 2000
    n_neurons = [32, 32]
    activations = ['relu', 'relu', 'linear']
    agent = DQNAgent(env.get_state_size(), n_neurons=n_neurons, activations=activations,
                     epsilon_stop_episode=epsilon_stop_episode, mem_size=mem_size, discount=discount,
                     replay_start_size=replay_start_size)
 
    model_path = '../checkpoints/' + dir_name + '/model.hdf'
    agent.model = load_model(model_path)
    agent.epsilon = 0
    scores = []
    for episode in range(episodes):
        env.reset()
        game_over = False
        while not game_over:
            next_states = env.get_next_states()
            best_state = agent.best_state(next_states.values())
 
            # find the action, that corresponds to the best state
            best_action = None
            for action, state in next_states.items():
                if state == best_state:
                    best_action = action
                    break
            _, game_over = env.hard_drop([best_action[0], 0], best_action[1], render)
        scores.append(env.score)
        print(f'episode {episode} => {env.score}')
    return scores

        2.定义run_model_helper函数，用于运行多个训练过程并评估它们的性能。该函数加载预先训练好的模型，并在每个目录下执行run_model函数，输出训练得分的最大值和对应目录的名称。代码如下：

def run_model_helper(episodes=128, render=False):
    dirs = [name for name in os.listdir('../checkpoints') if os.path.isdir(os.path.join('../checkpoints', name))]
    dirs.sort(reverse=True)
    dirs = [dirs[0]]
    max_scores = []
    for directory in dirs:
        print(f"Evaluating dir '{directory}'")
        scores = run_model(directory, episodes, render)
        max_scores.append((directory, max(scores)))
    max_scores.sort(key=lambda t: t[1], reverse=True)
    for k, v in max_scores:
        print(f"{v}\t{k}")

         训练过程如下：

 三、实现自动玩俄罗斯方块游戏

        首先实现一个简单的俄罗斯方块基本游戏，实现的逻辑过程如下：

1. 定义游戏地图和方块的常量：在游戏中，定义了游戏地图的大小、方块的大小、颜色等常量，并存储在相应的类属性中。

2. 初始化游戏状态：在Tetris类的构造函数中，初始化了游戏的各种状态，包括当前方块位置、旋转角度、游戏得分等，以及游戏地图和下一个方块的预览板状态。

3. 重置游戏状态：通过reset方法，重置游戏状态，重新开始一局游戏。重置后，将清空游戏地图，生成新的随机方块，并更新下一个方块的预览板。

4. 方块的旋转与移动：游戏中的方块可以通过W键进行顺时针旋转，A键向右移动一列，S键向下移动一行，D键向左移动一列。这些操作在游戏中通过调整当前方块的位置和旋转角度来实现。

5. 方块的硬降：在游戏中，通过按下空格键，可以将当前方块快速降落到底部。为了实现这个功能，游戏会不断检测方块是否可以继续向下移动，直到无法移动为止。

6. 方块的落地和消除：当方块无法再继续向下移动时，将方块固定在游戏地图上，并判断是否有可消除的行。如果有，则消除行并增加玩家得分。

7. 下一个方块的预览：游戏界面上会显示下一个方块的预览板，让玩家提前了解下一个方块的形状。

8. 游戏结束判断：游戏判断是否结束的条件是当前方块在初始位置无法继续向下移动。

9. 获取游戏状态特征：游戏通过一系列特征函数来提取当前游戏状态的特征，例如已消除行数、空洞数量、高度差等，用于在强化学习中作为输入来训练智能体。

10. 图形渲染：游戏界面使用cv2库进行图形渲染，将游戏状态以图形化形式显示在屏幕上。

该游戏可以实现自己玩，控制方法为：

        W - 将方块顺时针旋转90度
        A - 将方块向右移动一列
        S - 将方块向下移动一行
        D - 将方块向左移动一列
        空格键 - 快速落下方块
        ESC - 退出游戏

自己玩游戏的过程如下：

AI方法玩游戏的过程如下：（非常快） 

 

全部代码链接：

https://download.csdn.net/download/weixin_40651515/88114773

运行配置环境：tensorflow==1.14.0 tensorboard==1.14.0 keras==2.2.4 opencv==4.7.0.72 numpy==1.21.6 pillow==5.4.1 tqdm==4.31.1等