Learning from visual observations is a fundamental yet challenging problem in Reinforcement Learning (RL). Although algorithmic advances combined with convolutional neural networks have proved to be a recipe for success, current methods are still lacking on two fronts: (a) data-efficiency of learning and (b) generalization to new environments. To this end, we present Reinforcement Learning with Augmented Data (RAD), a simple plug-and-play module that can enhance most RL algorithms. We perform the first extensive study of general data augmentations for RL on both pixel-based and state-based inputs, and introduce two new data augmentations -random translate and random amplitude scale. We show that augmentations such as random translate, crop, color jitter, patch cutout, random convolutions, and amplitude scale can enable simple RL algorithms to outperform complex state-of-the-art methods across common benchmarks. RAD sets a new state-of-the-art in terms of data-efficiency and final performance on the DeepMind Control Suite benchmark for pixel-based control as well as Ope-nAI Gym benchmark for state-based control. We further demonstrate that RAD significantly improves test-time generalization over existing methods on several OpenAI ProcGen benchmarks. Our RAD module and training code are available at https://www.github.com/MishaLaskin/rad.

We present CURL: Contrastive Unsupervised Representations for Reinforcement Learning. CURL extracts high-level features from raw pixels using contrastive learning and performs offpolicy control on top of the extracted features. CURL outperforms prior pixel-based methods, both model-based and model-free, on complex tasks in the DeepMind Control Suite and Atari Games showing 1.9x and 1.2x performance gains at the 100K environment and interaction steps benchmarks respectively. On the DeepMind Control Suite, CURL is the first image-based algorithm to nearly match the sample-efficiency of methods that use state-based features. Our code is open-sourced and available at https://www. github.com/MishaLaskin/curl.

We propose a simple data augmentation technique that can be applied to standard model-free reinforcement learning algorithms, enabling robust learning directly from pixels without the need for auxiliary losses or pre-training. The approach leverages input perturbations commonly used in computer vision tasks to transform input examples, as well as regularizing the value function and policy. Existing model-free approaches, such as Soft Actor-Critic (SAC) [22], are not able to train deep networks effectively from image pixels. However, the addition of our augmentation method dramatically improves SAC's performance, enabling it to reach state-of-the-art performance on the DeepMind control suite, surpassing model-based [23,38,24] methods and recently proposed contrastive learning [50]. Our approach, which we dub DrQ: Data-regularized Q, can be combined with any model-free reinforcement learning algorithm. We further demonstrate this by applying it to DQN [43] and significantly improve its data-efficiency on the Atari 100k [31] benchmark. An implementation can be found at https://sites. google.com/view/data-regularized-q.

深度强化学习（DRL）代理通常对在训练环境中看不见的视觉变化敏感。为了解决此问题，我们利用RL的顺序性质来学习可靠的表示，这些表示仅根据无监督的多视图设置编码与任务相关的信息。具体而言，我们引入了时间数据的多视图信息瓶颈（MIB）目标的新颖对比版本。我们以这个辅助目标来训练RL代理，以学习可以压缩任务 - 无关的信息并预测与任务相关的动态的强大表示形式。这种方法使我们能够训练具有强大的视觉分散注意力的高性能政策，并且可以很好地推广到看不见的环境。我们证明，当背景被自然视频替换时，我们的方法可以在DeepMind Control Suite的各种视觉控制任务上实现SOTA性能。此外，我们表明我们的方法优于公认的基准，用于概括在Procgen基准上看不见的环境。我们的代码是开源的，可在https：// github上找到。 com/bu依赖-lab/dribo。

基于像素的控制的学习表示，最近在加固学习中获得了重大关注。已经提出了广泛的方法来实现高效学习，导致类似于完整状态设置中的复杂性。然而，超越仔细策划的像素数据集（以居中作物，适当的照明，清晰的背景等）仍然具有挑战性。在本文中，我们采用更困难的环境，纳入背景干扰者，作为解决这一挑战的第一步。我们提出了一种简单的基线方法，可以学习有意义的表示，没有基于度量的学习，没有数据增强，没有世界模型学习，也没有对比学习。然后，我们分析何时何种以及为什么先前提出的方法可能会失败或减少与此更难设置中的基线相同的表现，以及为什么我们应该仔细考虑扩展在井策良好环境之外的这种方法。我们的研究结果表明，基于奖励密度，问题的规划地平线，任务 - 无关组件等的规划等的粮食基准，对评估算法至关重要。基于这些观察，我们提出了在评估基准任务的算法时考虑不同的指标。我们希望在调查如何最佳地将RL应用于现实世界任务时激励研究人员对重新思考代表学习来激发研究人员。

虽然由强化学习（RL）训练的代理商可以直接解决越来越具有挑战性的任务，但概括到新颖环境的学习技能仍然非常具有挑战性。大量使用数据增强是一种有助于改善RL的泛化的有希望的技术，但经常发现它降低样品效率，甚至可以导致发散。在本文中，我们在常见的脱离政策RL算法中使用数据增强时调查不稳定性的原因。我们识别两个问题，均植根于高方差Q-targets。基于我们的研究结果，我们提出了一种简单但有效的技术，可以在增强下稳定这类算法。我们在基于Deepmind Control Suite的基准系列和机器人操纵任务中使用扫描和视觉变压器（VIT）对基于图像的RL进行广泛的实证评估。我们的方法极大地提高了增强下的呼声集的稳定性和样本效率，并实现了在具有看不见的视野视觉效果的环境中的图像的RL的最先进方法竞争的普遍化结果。我们进一步表明，我们的方法与基于Vit的亚体系结构的RL缩放，并且数据增强在此设置中可能尤为重要。

无监督的表示学习的最新进展显着提高了模拟环境中培训强化学习政策的样本效率。但是，尚未看到针对实体强化学习的类似收益。在这项工作中，我们专注于从像素中启用数据有效的实体机器人学习。我们提出了有效的机器人学习（编码器）的对比前训练和数据增强，该方法利用数据增强和无监督的学习来从稀疏奖励中实现对实体ARM策略的样本效率培训。虽然对比预训练，数据增强，演示和强化学习不足以进行有效学习，但我们的主要贡献表明，这些不同技术的组合导致了一种简单而数据效率的方法。我们表明，只有10个示范，一个机器人手臂可以从像素中学习稀疏的奖励操纵策略，例如到达，拾取，移动，拉动大物体，翻转开关并在短短30分钟内打开抽屉现实世界训练时间。我们在项目网站上包括视频和代码：https：//sites.google.com/view/felfficited-robotic-manipulation/home

Visual reinforcement learning (RL), which makes decisions directly from high-dimensional visual inputs, has demonstrated significant potential in various domains. However, deploying visual RL techniques in the real world remains challenging due to their low sample efficiency and large generalization gaps. To tackle these obstacles, data augmentation (DA) has become a widely used technique in visual RL for acquiring sample-efficient and generalizable policies by diversifying the training data. This survey aims to provide a timely and essential review of DA techniques in visual RL in recognition of the thriving development in this field. In particular, we propose a unified framework for analyzing visual RL and understanding the role of DA in it. We then present a principled taxonomy of the existing augmentation techniques used in visual RL and conduct an in-depth discussion on how to better leverage augmented data in different scenarios. Moreover, we report a systematic empirical evaluation of DA-based techniques in visual RL and conclude by highlighting the directions for future research. As the first comprehensive survey of DA in visual RL, this work is expected to offer valuable guidance to this emerging field.

我们提出了一种新颖的方法，即在强化学习框架中使用样式转移和对抗性学习的方式学习样式反应表示。在这里，样式是指任务核算的细节，例如图像中背景的颜色，在这种情况下，在具有不同样式的环境中概括学到的策略仍然是一个挑战。我们的方法着眼于学习样式不合时宜的表示，以固有的对抗性风格的发电机产生的不同图像样式训练演员，该样式在演员和发电机之间扮演最小游戏，而无需提供数据扩展的专家知识或其他类别的课程。对抗训练的标签。我们验证我们的方法比Procgen的最先进方法和分散控制套件的基准，并进一步研究从我们的模型中提取的功能，表明该模型更好地捕获不变性，并且不分散注意力，我们的方法可以实现竞争性或更好的性能。通过移动的风格。该代码可在https://github.com/postech-cvlab/style-agnostic-rl上找到。

我们研究自我监督学习（SSL）是否可以从像素中改善在线增强学习（RL）。我们扩展了对比度增强学习框架（例如卷曲），该框架共同优化了SSL和RL损失，并进行了大量的实验，并具有各种自我监督的损失。我们的观察结果表明，现有的RL的SSL框架未能在使用相同数量的数据和增强时利用图像增强来实现对基准的有意义的改进。我们进一步执行进化搜索，以找到RL的多个自我监督损失的最佳组合，但是发现即使是这种损失组合也无法有意义地超越仅利用精心设计的图像增强的方法。通常，在现有框架下使用自制损失降低了RL性能。我们在多个不同环境中评估了该方法，包括现实世界的机器人环境，并确认没有任何单一的自我监督损失或图像增强方法可以主导所有环境，并且当前的SSL和RL联合优化框架是有限的。最后，我们从经验上研究了SSL + RL的预训练框架以及使用不同方法学到的表示的特性。

在许多控制问题中，包括视觉，可以从场景中对象的位置推断出最佳控制。可以使用特征点表示该信息，该特征点是输入图像的学习特征映射中的空间位置列表。以前的作品表明，使用无监督的预培训或人类监督学习的功能要点可以为控制任务提供良好的功能。在本文中，我们表明，可以在结束于结束的情况下学习有效的特征点表示，而无需无监督的预训练，解码器或额外损失。我们所提出的架构包括一个可怜的特征点提取器，其将估计的特征点的坐标直接馈送到软演员 - 批评者代理。所提出的算法对深度控制套件任务的最先进的算法产生了竞争力。

离线强化学习在利用大型预采用的数据集进行政策学习方面表现出了巨大的希望，使代理商可以放弃经常廉价的在线数据收集。但是，迄今为止，离线强化学习的探索相对较小，并且缺乏对剩余挑战所在的何处的了解。在本文中，我们试图建立简单的基线以在视觉域中连续控制。我们表明，对两个基于最先进的在线增强学习算法，Dreamerv2和DRQ-V2进行了简单的修改，足以超越事先工作并建立竞争性的基准。我们在现有的离线数据集中对这些算法进行了严格的评估，以及从视觉观察结果中进行离线强化学习的新测试台，更好地代表现实世界中离线增强学习问题中存在的数据分布，并开放我们的代码和数据以促进此方面的进度重要领域。最后，我们介绍并分析了来自视觉观察的离线RL所独有的几个关键Desiderata，包括视觉分散注意力和动态视觉上可识别的变化。

How to learn an effective reinforcement learning-based model for control tasks from high-level visual observations is a practical and challenging problem. A key to solving this problem is to learn low-dimensional state representations from observations, from which an effective policy can be learned. In order to boost the learning of state encoding, recent works are focused on capturing behavioral similarities between state representations or applying data augmentation on visual observations. In this paper, we propose a novel meta-learner-based framework for representation learning regarding behavioral similarities for reinforcement learning. Specifically, our framework encodes the high-dimensional observations into two decomposed embeddings regarding reward and dynamics in a Markov Decision Process (MDP). A pair of meta-learners are developed, one of which quantifies the reward similarity and the other quantifies dynamics similarity over the correspondingly decomposed embeddings. The meta-learners are self-learned to update the state embeddings by approximating two disjoint terms in on-policy bisimulation metric. To incorporate the reward and dynamics terms, we further develop a strategy to adaptively balance their impacts based on different tasks or environments. We empirically demonstrate that our proposed framework outperforms state-of-the-art baselines on several benchmarks, including conventional DM Control Suite, Distracting DM Control Suite and a self-driving task CARLA.

Transformer在学习视觉和语言表示方面取得了巨大的成功，这在各种下游任务中都是一般的。在视觉控制中，可以在不同控制任务之间转移的可转移状态表示对于减少训练样本量很重要。但是，将变压器移植到样品有效的视觉控制仍然是一个具有挑战性且未解决的问题。为此，我们提出了一种新颖的控制变压器（CTRLFORMER），具有先前艺术所没有的许多吸引人的好处。首先，CTRLFORMER共同学习视觉令牌和政策令牌之间的自我注意事项机制，在不同的控制任务之间可以学习和转移多任务表示无灾难性遗忘。其次，我们仔细设计了一种对比的增强学习范式来训练Ctrlformer，从而使其能够达到高样本效率，这在控制问题中很重要。例如，在DMControl基准测试中，与最近的高级方法不同，该方法在使用100K样品转移学习后通过在“ Cartpole”任务中产生零分数而失败，CTRLFORMER可以在维持100K样本的同时获得最先进的分数先前任务的性能。代码和模型已在我们的项目主页中发布。

基于模型的强化学习的关键承诺之一是使用世界内部模型拓展到新颖的环境和任务中的预测。然而，模型的代理商的泛化能力尚不清楚，因为现有的工作在基准测试概括时专注于无模型剂。在这里，我们明确测量模型的代理的泛化能力与其无模型对应物相比。我们专注于Muzero（Schrittwieser等，2020），强大的基于模型的代理商的分析，并评估其在过程和任务泛化方面的性能。我们确定了一个程序概括规划，自我监督代表学习和程序数据分集的三个因素 - 并表明通过组合这些技术，我们实现了普通的最先进的概括性和数据效率（Cobbe等人。，2019）。但是，我们发现这些因素并不总是为Meta-World中的任务泛化基准提供相同的益处（Yu等人，2019），表明转移仍然是一个挑战，可能需要不同的方法而不是程序泛化。总的来说，我们建议建立一个推广的代理需要超越单任务，无模型范例，并朝着在丰富，程序，多任务环境中培训的基于自我监督的模型的代理。

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。

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。

本文介绍了一些最先进的加强学习算法的基准研究，用于解决两个模拟基于视觉的机器人问题。本研究中考虑的算法包括软演员 - 评论家（SAC），近端政策优化（PPO），内插政策梯度（IPG），以及与后敏感体验重播（她）的变体。将这些算法的性能与Pybullet的两个仿真环境进行比较，称为KukadiverseObjectenV和raceCarzedgymenv。这些环境中的状态观察以RGB图像的形式提供，并且动作空间是连续的，使得它们难以解决。建议许多策略提供在基本上单目标环境的这些问题上实施算法所需的中级后敏感目标。另外，提出了许多特征提取架构在学习过程中纳入空间和时间关注。通过严格的模拟实验，建立了这些组分实现的改进。据我们所知，这种基准测试的基础基础是基于视觉的机器人问题的基准研究，使其成为该领域的新贡献。

众所周知，从像素观察中进行的非质量增强学习（RL）是不稳定的。结果，许多成功的算法必须结合不同领域的实践和辅助损失，以在复杂的环境中学习有意义的行为。在这项工作中，我们提供了新颖的分析，表明这些不稳定性是通过卷积编码器和低质量奖励进行时间差异学习而产生的。我们表明，这种新的视觉致命三合会导致不稳定的训练和过早的融合归化解决方案，这是一种现象，我们将灾难性的自相传为。基于我们的分析，我们提出了A-LIX，这是一种为编码器梯度提供适应性正则化的方法，该梯度明确防止使用双重目标防止灾难性的自我抗辩发生。通过应用A-LIX，我们在DeepMind Control和Atari 100K基准测试方面显着优于先前的最先进，而无需任何数据增强或辅助损失。

Learning generalizable policies that can adapt to unseen environments remains challenging in visual Reinforcement Learning (RL). Existing approaches try to acquire a robust representation via diversifying the appearances of in-domain observations for better generalization. Limited by the specific observations of the environment, these methods ignore the possibility of exploring diverse real-world image datasets. In this paper, we investigate how a visual RL agent would benefit from the off-the-shelf visual representations. Surprisingly, we find that the early layers in an ImageNet pre-trained ResNet model could provide rather generalizable representations for visual RL. Hence, we propose Pre-trained Image Encoder for Generalizable visual reinforcement learning (PIE-G), a simple yet effective framework that can generalize to the unseen visual scenarios in a zero-shot manner. Extensive experiments are conducted on DMControl Generalization Benchmark, DMControl Manipulation Tasks, Drawer World, and CARLA to verify the effectiveness of PIE-G. Empirical evidence suggests PIE-G improves sample efficiency and significantly outperforms previous state-of-the-art methods in terms of generalization performance. In particular, PIE-G boasts a 55% generalization performance gain on average in the challenging video background setting. Project Page: https://sites.google.com/view/pie-g/home.