基於最佳傳輸的觀察模仿學習

Core Concepts

本文提出了一種名為 OOPS 的新型模仿學習方法，該方法利用最佳傳輸中的 Sinkhorn 距離來計算學習者軌跡與專家軌跡之間的狀態轉移距離，並將其轉化為獎勵函數，從而指導學習者在沒有明確動作標籤的情況下模仿專家行為。

Abstract

文獻資訊: Chang, W.-D., Fujimoto, S., Meger, D., & Dudek, G. (2024). Imitation Learning from Observation through Optimal Transport. Proceedings of the Robotics: Science and Systems.
研究目標: 本文旨在解決從觀察中進行模仿學習 (ILfO) 的問題，即在沒有明確動作標籤的情況下，僅通過觀察專家的狀態軌跡來學習專家的行為策略。
方法: 本文提出了一種名為「觀察性離線 Sinkhorn」(OOPS) 的新方法，該方法利用最佳傳輸 (OT) 中的 Sinkhorn 距離來量化學習者與專家狀態轉移軌跡之間的差異。具體而言，OOPS 將學習者和專家的狀態轉移序列視為兩個離散分佈，並使用 Sinkhorn 距離計算它們之間的 Wasserstein 距離。通過最小化 Wasserstein 距離，OOPS 可以有效地將專家的狀態轉移模式遷移到學習者身上。
主要發現:

OOPS 在多個 MuJoCo 運動基準環境和機器人任務中，相較於現有的 ILfO 方法（如 f-IRL 和 OPOLO）以及基於 Wasserstein 距離的 IL 方法（如 PWIL 和 SIL），都展現出顯著的性能提升。
OOPS 僅需單一專家軌跡即可達到接近專家的性能，並且在不同隨機種子上的表現具有較低的變異性，顯示出其高樣本效率和穩定性。
實驗結果表明，OOPS 所使用的 Sinkhorn 距離相較於其他 Wasserstein 距離的近似方法（如 PWIL 中使用的貪婪匹配方法）能夠提供更緊密的 Wasserstein 距離上界，從而更有效地指導學習過程。
主要結論: OOPS 為 ILfO 提供了一種簡單而有效的方法，其基於最佳傳輸的獎勵函數設計有效地解決了傳統 ILfO 方法在處理學習者與專家軌跡差異方面的不足。實驗結果證明了 OOPS 在各種任務上的優越性能，顯示出其在實際應用中的巨大潛力。
論文貢獻:

提出了一種基於最佳傳輸的 ILfO 新方法 OOPS。
證明了 OOPS 在多個基準環境和機器人任務中優於現有 ILfO 方法。
驗證了 Sinkhorn 距離在近似 Wasserstein 距離方面的有效性，並分析了不同 Wasserstein 距離近似方法對性能的影響。
研究限制和未來方向:

本文主要關注於狀態空間的匹配，未來可以探索將動作資訊納入最佳傳輸框架以進一步提升性能。
未來可以研究如何將 OOPS 應用於更複雜的真實世界任務，例如機器人操作和自動駕駛。

Stats

OOPS+TD3 在使用 10 條專家軌跡訓練時，在 Hopper、HalfCheetah 和 Ant 環境中達到了最低的狀態-動作 Wasserstein 距離。
在 Hopper 環境中，當 Sinkhorn 距離的正則化參數 λ 小於 0.4 時，OOPS+TD3 的性能優於使用貪婪匹配方法計算 Wasserstein 距離的 PWIL。
在 Walker2d 環境中，儘管 OOPS+TD3 在任務獎勵方面表現更佳，但 PWIL–(s) 在狀態-動作 Wasserstein 距離方面更接近專家軌跡。

Key Insights Distilled From

Imitation Learning from Observation through Optimal Transport

by Wei-Di Chang... at arxiv.org 10-07-2024

https://arxiv.org/pdf/2310.01632.pdf

Deeper Inquiries

在處理高維度、複雜的狀態空間時，如何有效地計算和優化 Sinkhorn 距離？

在高維度、複雜的狀態空間中，計算和優化 Sinkhorn 距離確實會面臨挑戰。以下列出一些應對策略：

狀態空間降維：

可以使用降維技術，例如主成分分析 (PCA) 或自動編碼器 (Autoencoder)，將高維狀態空間映射到低維空間，從而降低 Sinkhorn 距離計算的複雜度。

利用狀態空間結構：

如果狀態空間具有特定的結構，例如圖結構或網格結構，則可以利用這些結構來簡化 Sinkhorn 距離的計算。例如，可以使用圖神經網絡 (GNN) 來處理圖結構的狀態空間。

近似 Sinkhorn 距離：

可以使用一些近似算法來加速 Sinkhorn 距離的計算，例如隨機 Sinkhorn 算法或 Greenhorn 算法。這些算法在犧牲一定精度的情況下，可以顯著提高計算效率。

分層最優傳輸：

可以將高維狀態空間分解成多個低維子空間，並在每個子空間上分別計算 Sinkhorn 距離。然後，可以將這些子空間的 Sinkhorn 距離聚合成全局的 Sinkhorn 距離。

使用更有效的距離度量：

論文中使用歐式距離的平方根作為距離度量，可以嘗試其他更適合高維空間的距離度量，例如餘弦相似度或馬氏距離。
需要注意的是，這些方法都有各自的優缺點，需要根據具體問題選擇合適的方法。

如果專家示範數據中存在噪聲或錯誤，OOPS 的性能會受到怎樣的影響？如何提高 OOPS 對噪聲數據的魯棒性？

如果專家示範數據中存在噪聲或錯誤，OOPS 的性能的確會受到影響，主要體現在以下幾個方面：

學習策略偏差： OOPS 會嘗試模仿專家示範數據中的所有行為，包括噪聲和錯誤。這可能會導致學習到的策略出現偏差，無法準確地反映專家的真實意圖。
訓練不穩定： 噪聲數據會影響 Sinkhorn 距離的計算，進而影響獎勵函數的質量。這可能會導致訓練過程不穩定，難以收斂到最優策略。
為了提高 OOPS 對噪聲數據的魯棒性，可以考慮以下方法：

數據預處理： 在訓練 OOPS 之前，可以對專家示範數據進行預處理，例如：

平滑處理： 使用移動平均或高斯濾波等方法對示範軌跡進行平滑處理，以減少噪聲的影響。
異常值剔除： 使用基於統計的方法或聚類算法識別並剔除示範數據中的異常值。

魯棒的距離度量： 使用對噪聲更魯棒的距離度量來計算 Sinkhorn 距離，例如：

使用更穩健的統計量： 可以使用中位數或截尾平均值等更穩健的統計量來代替平均值，以減少異常值的影響。
動態時間規整 (DTW)： DTW 可以用於比較時間序列之間的相似性，即使這些時間序列存在時間上的扭曲或噪聲。

正則化： 在 OOPS 的目標函數中添加正則化項，例如：

策略正則化： 鼓勵學習更平滑、更穩定的策略，例如熵正則化。
軌跡正則化： 鼓勵學習的軌跡更接近專家示範軌跡的整體形狀，例如使用動態時間規整 (DTW) 作為正則化項。

多專家示範學習： 如果可以從多個專家獲取示範數據，可以利用這些數據來減輕單個專家示範數據中噪聲和錯誤的影響。

模仿學習的最終目標是讓機器人能夠像人類一樣學習和適應新的環境和任務。除了模仿專家行為，還有哪些方法可以幫助機器人實現這一目標？

模仿學習固然是讓機器人學習的重要途徑，但要達到像人類一樣的學習和適應能力，僅憑模仿專家行為還不夠。以下列舉一些其他方法：

強化學習 (Reinforcement Learning, RL)： 讓機器人通過與環境交互，從成功和失敗中學習。與模仿學習不同，強化學習不需要預先提供專家示範，而是讓機器人自主探索環境，並通過獎勵機制引導其學習到期望的行為。
元學習 (Meta-Learning)： 讓機器人學會如何學習。元學習的目標是讓機器人從過去的經驗中學習，並將這些經驗應用到新的、未見過的任務中，從而更快地適應新的環境和任務。
遷移學習 (Transfer Learning)： 將機器人在一個環境或任務中學習到的知識遷移到另一個環境或任務中。例如，可以將機器人在模擬環境中學習到的控制策略遷移到真實機器人上。
主動學習 (Active Learning)： 讓機器人主動選擇需要學習的數據。在很多情況下，機器人無法獲取到大量的專家示範數據。主動學習可以讓機器人主動選擇最具有信息量的數據進行學習，從而提高學習效率。
好奇心驅動學習 (Curiosity-Driven Learning)： 讓機器人像人類一樣，對未知事物充滿好奇，並主動去探索環境。好奇心驅動學習可以讓機器人更有效地探索環境，並發現新的、有趣的行為。
總之，要讓機器人像人類一樣學習和適應新的環境和任務，需要結合多種學習方法，例如模仿學習、強化學習、元學習、遷移學習、主動學習和好奇心驅動學習等。這些方法可以相互補充，幫助機器人更有效地學習和適應複雜的真實世界。