Learned world models summarize an agent's experience to facilitate learning complex behaviors. While learning world models from high-dimensional sensory inputs is becoming feasible through deep learning, there are many potential ways for deriving behaviors from them. We present Dreamer, a reinforcement learning agent that solves long-horizon tasks from images purely by latent imagination. We efficiently learn behaviors by propagating analytic gradients of learned state values back through trajectories imagined in the compact state space of a learned world model. On 20 challenging visual control tasks, Dreamer exceeds existing approaches in data-efficiency, computation time, and final performance.

Planning has been very successful for control tasks with known environment dynamics. To leverage planning in unknown environments, the agent needs to learn the dynamics from interactions with the world. However, learning dynamics models that are accurate enough for planning has been a long-standing challenge, especially in image-based domains. We propose the Deep Planning Network (PlaNet), a purely model-based agent that learns the environment dynamics from images and chooses actions through fast online planning in latent space. To achieve high performance, the dynamics model must accurately predict the rewards ahead for multiple time steps. We approach this using a latent dynamics model with both deterministic and stochastic transition components. Moreover, we propose a multi-step variational inference objective that we name latent overshooting. Using only pixel observations, our agent solves continuous control tasks with contact dynamics, partial observability, and sparse rewards, which exceed the difficulty of tasks that were previously solved by planning with learned models. PlaNet uses substantially fewer episodes and reaches final performance close to and sometimes higher than strong model-free algorithms.

智能代理需要选择长时间的动作序列来解决复杂的任务。尽管人类很容易将任务分解为子目标，并通过数百万的肌肉命令将其纳入子目标，但尽管预算很大，但当前的人工智能仅限于具有数百个决策的任务。对层次强化学习的研究旨在克服这一局限性，但事实证明是具有挑战性的，当前的方法依赖于手动指定的目标空间或子任务，并且不存在一般解决方案。我们介绍了导演，这是一种实用方法，可以通过在学习世界模型的潜在空间内部计划直接从像素中学习层次行为。高级政策通过选择潜在目标，而低级政策学会实现目标，从而最大程度地提高了任务和探索奖励。尽管在潜在空间中运行，但这些决策还是可以解释的，因为世界模型可以将目标解码为图像以进行可视化。导演在具有稀疏奖励的任务上的探索方法（包括3D迷宫遍历，以及来自以自我为中心的相机和本体感受的四倍机器人，无需访问先前工作使用的全球位置或自上而下的视图。导演还学习各种环境的成功行为，包括视觉控制，Atari游戏和DMLAB级别。

人类是熟练的导航员：我们恰当地在新的地方进行了操纵，意识到我们回到以前见过的位置，甚至可以想到经历我们从未参观过的部分环境的捷径。另一方面，基于模型的强化学习中的当前方法与从训练分布中概括环境动态的努力。我们认为，两个原则可以帮助弥合这一差距：潜在的学习和简约的动态。人类倾向于以简单的术语来思考环境动态 - 我们认为轨迹不是指我们期望在路径上看到的东西，而是在抽象的潜在空间中，其中包含有关该位置的空间坐标的信息。此外，我们假设在环境的新颖部分中四处走动的工作方式与我们所熟悉的部分相同。这两个原则在串联中共同起作用：在潜在空间中，动态表现出了简约的特征。我们开发了一种学习这种简约动态的模型。使用一个变异目标，我们的模型经过培训，可以使用本地线性转换在潜在空间中重建经验丰富的过渡，同时鼓励尽可能少地调用不同的变换。使用我们的框架，我们演示了在一系列政策学习和计划任务中学习简化潜在动态模型的实用性。

通过互动学习复杂的机器人行为需要结构化探索。规划应瞄准与优化长期绩效的潜力的相互作用，同时只减少有利于这一目标的不确定性。本文提出了潜在的乐观价值探索（爱），这一战略在面对不确定的长期奖励面前通过乐观探索能够深入探索。我们将潜在的世界模型与价值函数估计相结合以预测无限地平线返回并通过合并恢复相关的不确定性。然后，该政策培训了上束缚（UCB）目标，以确定和选择最有希望改善长期绩效的交互。我们在连续动作空间中应用了视觉机器人控制任务，并且与最先进的和其他探索目标相比，平均提高了样品效率的平均提高了20％以上。在稀疏和难以探索环境中，我们实现了超过30％的平均改善。

为了解决复杂环境中的任务，机器人需要从经验中学习。深度强化学习是一种常见的机器人学习方法，但需要大量的反复试验才能学习，从而限制了其在物理世界中的部署。结果，机器人学习的许多进步都取决于模拟器。另一方面，模拟器内部的学习无法捕获现实世界的复杂性，很容易模拟器不准确，并且由此产生的行为并不适应世界上的变化。 Dreamer算法最近通过在学习的世界模型中进行计划，表现出巨大的希望，可以从少量互动中学习，从而超过了视频游戏中的纯强化学习。学习一个世界模型来预测潜在行动的结果，使计划可以在想象中进行计划，从而减少了真实环境中所需的反复试验量。但是，尚不清楚梦想家是否可以促进更快地学习物理机器人。在本文中，我们将Dreamer应用于4个机器人，以直接在网上学习，直接在现实世界中，而无需模拟器。 Dreamer训练一个四倍的机器人，从头开始，站起来，站起来，仅在1小时内就没有重置。然后，我们推动机器人，发现Dreamer在10分钟内适应以承受扰动或迅速翻身并站起来。在两个不同的机器人臂上，Dreamer学会了直接从相机图像和稀疏的奖励中挑选和放置多个物体，从而接近人类的性能。在轮式机器人上，Dreamer学会了纯粹从相机图像导航到目标位置，从而自动解决有关机器人方向的歧义。在所有实验中使用相同的超参数，我们发现Dreamer能够在现实世界中在线学习，建立强大的基线。我们释放我们的基础架构，用于世界模型在机器人学习中的未来应用。

尽管学习环境内部模型的强化学习（RL）方法具有比没有模型的对应物更有效的样本效率，但学会从高维传感器中建模原始观察结果可能具有挑战性。先前的工作通过通过辅助目标（例如重建或价值预测）学习观察值的低维表示来解决这一挑战。但是，这些辅助目标与RL目标之间的一致性通常不清楚。在这项工作中，我们提出了一个单一的目标，该目标共同优化了潜在空间模型和政策，以实现高回报，同时保持自洽。这个目标是预期收益的下限。与基于模型的RL在策略探索或模型保证方面的先前范围不同，我们的界限直接依靠整体RL目标。我们证明，所得算法匹配或改善了最佳基于模型和无模型的RL方法的样品效率。尽管这种有效的样品方法通常在计算上是要求的，但我们的方法在较小的壁式锁定时间降低了50 \％。

End-to-end autonomous driving provides a feasible way to automatically maximize overall driving system performance by directly mapping the raw pixels from a front-facing camera to control signals. Recent advanced methods construct a latent world model to map the high dimensional observations into compact latent space. However, the latent states embedded by the world model proposed in previous works may contain a large amount of task-irrelevant information, resulting in low sampling efficiency and poor robustness to input perturbations. Meanwhile, the training data distribution is usually unbalanced, and the learned policy is hard to cope with the corner cases during the driving process. To solve the above challenges, we present a semantic masked recurrent world model (SEM2), which introduces a latent filter to extract key task-relevant features and reconstruct a semantic mask via the filtered features, and is trained with a multi-source data sampler, which aggregates common data and multiple corner case data in a single batch, to balance the data distribution. Extensive experiments on CARLA show that our method outperforms the state-of-the-art approaches in terms of sample efficiency and robustness to input permutations.

当相互作用数据稀缺时，深厚的增强学习（RL）算法遭受了严重的性能下降，这限制了其现实世界的应用。最近，视觉表示学习已被证明是有效的，并且有望提高RL样品效率。这些方法通常依靠对比度学习和数据扩展来训练状态预测的过渡模型，这与在RL中使用模型的方式不同 - 基于价值的计划。因此，学到的模型可能无法与环境保持良好状态并产生一致的价值预测，尤其是当国家过渡不是确定性的情况下。为了解决这个问题，我们提出了一种称为价值一致表示学习（VCR）的新颖方法，以学习与决策直接相关的表示形式。更具体地说，VCR训练一个模型，以预测基于当前的状态（也称为“想象的状态”）和一系列动作。 VCR没有将这个想象中的状态与环境返回的真实状态保持一致，而是在两个状态上应用$ q $ - 价值头，并获得了两个行动值分布。然后将距离计算并最小化以迫使想象的状态产生与真实状态相似的动作值预测。我们为离散和连续的动作空间开发了上述想法的两个实现。我们对Atari 100K和DeepMind Control Suite基准测试进行实验，以验证其提高样品效率的有效性。已经证明，我们的方法实现了无搜索RL算法的新最新性能。

数据驱动的模型预测控制比无模型方法具有两个关键优势：通过模型学习提高样本效率的潜力，并且作为计划增加的计算预算的更好性能。但是，在漫长的视野上进行计划既昂贵又挑战，以获得准确的环境模型。在这项工作中，我们结合了无模型和基于模型的方法的优势。我们在短范围内使用学习的面向任务的潜在动力学模型进行局部轨迹优化，并使用学习的终端值函数来估计长期回报，这两者都是通过时间差异学习共同学习的。我们的TD-MPC方法比在DMCONTROL和META-WORLD的状态和基于图像的连续控制任务上实现了卓越的样本效率和渐近性能。代码和视频结果可在https://nicklashansen.github.io/td-mpc上获得。

钢筋学习的最新进展证明了其在超级人类水平上解决硬质孕代环境互动任务的能力。然而，由于大多数RL最先进的算法的样本低效率，即，需要大量培训集，因此在实际和现实世界任务中的应用目前有限。例如，在Dota 2中击败人类参与者的Openai五种算法已经训练了数千年的游戏时间。存在解决样本低效问题的几种方法，可以通过更好地探索环境来提供更有效的使用或旨在获得更相关和多样化的经验。然而，为了我们的知识，没有用于基于模型的算法的这种方法，其在求解具有高维状态空间的硬控制任务方面的高采样效率。这项工作连接了探索技术和基于模型的加强学习。我们设计了一种新颖的探索方法，考虑了基于模型的方法的特征。我们还通过实验证明我们的方法显着提高了基于模型的算法梦想家的性能。

积极推论是一种统一的感知和行动理论，依赖于通过最小化自由能量来维持世界的内部模型。从行为的角度来看，有效推论代理商可以被视为自我证明的生命，以满足他们的乐观预测，即优选的结果或目标。相比之下，加固学习需要人工设计的奖励来完成任何期望的结果。尽管有效推理可以提供更自然的自我监控目标的控制，但其适用性因其在复杂环境中缩放方法的缺点而受到限制。在这项工作中，我们提出了对比主动推断的对比目标，这强烈降低了学习代理商的生成模式和规划未来行动的计算负担。我们的方法在基于图像的任务中的基于似的主动推断的情况下表现出显着优于基于似的主动推断，同时也是计算地更便宜，更容易训练。我们与能够获得人类设计奖励功能的加强学习代理，表明我们的方法与其表现完全符合。最后，我们还表明，在环境中的牵引力的情况下，对比方法显着更好地表现出明显更好，并且我们的方法能够将目标概括为背景中的变化。

从视觉感觉数据中控制人造代理是一项艰巨的任务。强化学习（RL）算法可以在这方面取得成功，但需要代理与环境之间进行大量相互作用。为了减轻该问题，无监督的RL建议采用自我监督的互动和学习，以更快地适应未来的任务。但是，目前的无监督策略是否可以改善概括能力，尤其是在视觉控制设置中。在这项工作中，我们为数据有效的视觉控制设计了有效的无监督RL策略。首先，我们表明，使用无监督的RL收集的数据预先训练的世界模型可以促进适应未来的任务。然后，我们与我们的混合计划者分析了一些设计选择，以有效地适应了代理的预训练组件，并在想象中学习和计划，并与我们的混合计划者一起使用，我们将其dub dyna-mpc进行了。通过结合一项大规模实证研究的发现，我们建立了一种方法，该方法强烈改善了无监督的RL基准测试的性能，需要20美元$ \ times $ $ $ $ $ \少于数据以符合监督方法的性能。该方法还表明了在现实词的RL基准测试上的稳健性能，暗示该方法概括为嘈杂的环境。

Deep reinforcement learning algorithms require large amounts of experience to learn an individual task. While in principle meta-reinforcement learning (meta-RL) algorithms enable agents to learn new skills from small amounts of experience, several major challenges preclude their practicality. Current methods rely heavily on on-policy experience, limiting their sample efficiency. The also lack mechanisms to reason about task uncertainty when adapting to new tasks, limiting their effectiveness in sparse reward problems. In this paper, we address these challenges by developing an offpolicy meta-RL algorithm that disentangles task inference and control. In our approach, we perform online probabilistic filtering of latent task variables to infer how to solve a new task from small amounts of experience. This probabilistic interpretation enables posterior sampling for structured and efficient exploration. We demonstrate how to integrate these task variables with off-policy RL algorithms to achieve both metatraining and adaptation efficiency. Our method outperforms prior algorithms in sample efficiency by 20-100X as well as in asymptotic performance on several meta-RL benchmarks.

Deep reinforcement learning is poised to revolutionise the field of AI and represents a step towards building autonomous systems with a higher level understanding of the visual world. Currently, deep learning is enabling reinforcement learning to scale to problems that were previously intractable, such as learning to play video games directly from pixels. Deep reinforcement learning algorithms are also applied to robotics, allowing control policies for robots to be learned directly from camera inputs in the real world. In this survey, we begin with an introduction to the general field of reinforcement learning, then progress to the main streams of value-based and policybased methods. Our survey will cover central algorithms in deep reinforcement learning, including the deep Q-network, trust region policy optimisation, and asynchronous advantage actor-critic. In parallel, we highlight the unique advantages of deep neural networks, focusing on visual understanding via reinforcement learning. To conclude, we describe several current areas of research within the field.

通过提供丰富的训练信号来塑造代理人的潜国空间，建模世界可以使机器人学习受益。然而，在诸如图像之类的高维观察空间上的无约束环境中学习世界模型是具有挑战性的。一个难度来源是存在无关但难以模范的背景干扰，以及不重要的任务相关实体的视觉细节。我们通过学习经常性潜在的动态模型来解决这个问题，该模型对比预测下一次观察。即使使用同时的相机，背景和色调分散，这种简单的模型也会导致令人惊讶的鲁棒机器人控制。我们优于替代品，如双刺激方法，这些方法施加来自未来奖励或未来最佳行为的不同性措施。我们在分散注意力控制套件上获得最先进的结果，是基于像素的机器人控制的具有挑战性的基准。

基于模型的增强学习（RL）是一种通过利用学习的单步动力学模型来计划想象中的动作来学习复杂行为的样本效率方法。但是，计划为长马操作计划的每项行动都是不切实际的，类似于每个肌肉运动的人类计划。相反，人类有效地计划具有高级技能来解决复杂的任务。从这种直觉中，我们提出了一个基于技能的RL框架（SKIMO），该框架能够使用技能动力学模型在技能空间中进行计划，该模型直接预测技能成果，而不是预测中级状态中的所有小细节，逐步。为了准确有效的长期计划，我们共同学习了先前经验的技能动力学模型和技能曲目。然后，我们利用学到的技能动力学模型准确模拟和计划技能空间中的长范围，这可以有效地学习长摩盛，稀疏的奖励任务。导航和操纵域中的实验结果表明，Skimo扩展了基于模型的方法的时间范围，并提高了基于模型的RL和基于技能的RL的样品效率。代码和视频可在\ url {https://clvrai.com/skimo}上找到

有效的探索仍然是强化学习中有挑战性的问题，特别是对于来自环境的外在奖励稀疏甚至完全忽视的任务。基于内在动机的重要进展显示了在简单环境中的有希望的结果，但通常会在具有多式联运和随机动力学的环境中陷入困境。在这项工作中，我们提出了一种基于条件变分推理的变分动力模型来模拟多模和随机性。通过在当前状态，动作和潜在变量的条件下产生下一个状态预测，我们考虑作为条件生成过程的环境状态动作转换，这提供了更好地了解动态并在勘探中引发更好的性能。我们派生了环境过渡的负面日志可能性的上限，并使用这样一个上限作为勘探的内在奖励，这使得代理通过自我监督的探索来学习技能，而无需观察外在奖励。我们在基于图像的仿真任务和真正的机器人操纵任务中评估所提出的方法。我们的方法优于若干基于最先进的环境模型的勘探方法。

We adapt the ideas underlying the success of Deep Q-Learning to the continuous action domain. We present an actor-critic, model-free algorithm based on the deterministic policy gradient that can operate over continuous action spaces. Using the same learning algorithm, network architecture and hyper-parameters, our algorithm robustly solves more than 20 simulated physics tasks, including classic problems such as cartpole swing-up, dexterous manipulation, legged locomotion and car driving. Our algorithm is able to find policies whose performance is competitive with those found by a planning algorithm with full access to the dynamics of the domain and its derivatives. We further demonstrate that for many of the tasks the algorithm can learn policies "end-to-end": directly from raw pixel inputs.

深度强化学习（DRL）和深度多机构的强化学习（MARL）在包括游戏AI，自动驾驶汽车，机器人技术等各种领域取得了巨大的成功。但是，众所周知，DRL和Deep MARL代理的样本效率低下，即使对于相对简单的问题设置，通常也需要数百万个相互作用，从而阻止了在实地场景中的广泛应用和部署。背后的一个瓶颈挑战是众所周知的探索问题，即如何有效地探索环境和收集信息丰富的经验，从而使政策学习受益于最佳研究。在稀疏的奖励，吵闹的干扰，长距离和非平稳的共同学习者的复杂环境中，这个问题变得更加具有挑战性。在本文中，我们对单格和多代理RL的现有勘探方法进行了全面的调查。我们通过确定有效探索的几个关键挑战开始调查。除了上述两个主要分支外，我们还包括其他具有不同思想和技术的著名探索方法。除了算法分析外，我们还对一组常用基准的DRL进行了全面和统一的经验比较。根据我们的算法和实证研究，我们终于总结了DRL和Deep Marl中探索的公开问题，并指出了一些未来的方向。