NeurlPS 2024! 扩散模型用于世界建模：视觉细节在Atari环境中至关重要| 计算机视觉 | 强化学习2

01 论文概述

论文名称：Diffusion for World Modeling: Visual Details Matter in Atari

——扩散模型用于世界建模：视觉细节在 Atari 环境中至关重要

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🌟 简介

在基于模型的强化学习（Model-Based RL）中，“世界模型”（World Model）通过在自己学习到的环境“梦境”中进行规划和学习，展现了极高的数据效率。然而，以往的世界模型（如 Dreamer）大多使用 VAE 等技术来预测未来的视觉画面，生成的图像往往模糊不清，可能会丢失对智能体决策至关重要的细节（如 Atari 游戏中的小子弹）。

为了解决这一问题，"DIAMOND" 论文首次提出使用扩散模型（Diffusion Model）来构建世界模型的视觉预测部分。其核心洞见在于：扩散模型能够生成前所未有的高保真度、高清晰度的图像。通过在“梦境”中生成更逼真、更精确的未来画面，智能体可以学习到更准确的环境动态，从而做出更优的决策，最终获得更强的性能。DIAMOND 的研究证明，在世界模型中，高质量的视觉细节至关重要。

🔍 优势

• 高保真视觉预测

  与以往的 VAE 等方法相比，基于扩散模型的视觉生成器能够产生更清晰、更锐利的未来帧预测，完美保留了 Atari 游戏中的小物体、精确位置等关键信息。

• 卓越的智能体性能

  得益于更精确的世界模型，DIAMOND 智能体在多个 Atari 游戏基准上取得了当时的最佳性能（SOTA），尤其是在那些对视觉细节要求极高的游戏中表现突出。

• 更优的表征学习

  为了生成高质量的图像，模型被迫学习到信息更丰富、语义更准确的环境隐状态（latent state）表征，这反过来也促进了策略网络（policy network）的学习。

• 范式创新

  成功地将扩散模型引入世界模型框架，为基于模型的强化学习开辟了一个新的研究方向，展示了现代生成模型在决策任务中的巨大潜力。

🛠️ 核心技术

• 基于模型的强化学习 (Model-Based Reinforcement Learning)

  整体框架遵循主流的“学习-规划”范式，智能体在由世界模型生成的“梦境”轨迹中进行学习。

• 扩散模型作为观测模型 (Diffusion as Observation Model)

  这是 DIAMOND 的核心创新。它使用一个条件扩散模型，根据预测出的下一个环境隐状态 s_t+1，来生成对应的视觉观测帧 o_t+1。

• 隐空间扩散 (Latent Diffusion)

  为了平衡生成质量与计算效率，DIAMOND 在一个预训练自编码器（VAE）的低维隐空间中执行扩散过程，而非在计算昂贵的像素空间，这使得在 RL 循环中进行高效生成成为可能。

• 循环状态空间模型 (Recurrent State-Space Model - RSSM)

  沿用了 Dreamer 系列工作的成功设计，使用 RSSM 来建模环境的时间动态，即根据当前状态和智能体动作来预测下一个状态。扩散模型则充当了 RSSM 的高质量“解码器”。

02 论文原文阅读

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• 论文复现完成后，您可基于您的思路和想法，开启论文创新。

03 一键式论文复现

Lab4AI平台上已上架了此篇复现案例，登录平台即可体验论文复现。

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🛠️ 实验部署

本实验环境已为您精心配置，开箱即用。

• 💻 代码获取：项目复现代码已存放于 codelab/diamond/code 文件夹中。
• 🧠 模型说明：codelab/diamond/model 文件夹中存放了 DIAMOND 的预训练模型权重。
• 📊 数据说明：codelab/diamond/dataset 文件夹中包含了用于实验的 Atari 环境配置。
• 🌐 环境说明：运行所需的所有依赖已预安装在 envs/diamond/ 环境中，您无需进行任何额外的环境配置。

🚀 环境与内核配置

请在终端中执行以下步骤，以确保您的开发环境（如 Jupyter 或 VS Code）能够正确使用预设的 Conda 环境。

1. 在 Jupyter Notebook/Lab 中使用您的环境

• 为了让Jupyter能够识别并使用您刚刚创建的Conda环境，您需要为其注册一个“内核”。

• 首先，在您已激活的Conda环境中，安装 ipykernel 包：

  conda activate diamond
  pip install ipykernel
  

• 然后，执行内核注册命令。

  # 为名为 diamond 的环境注册一个名为 "Python(diamond)" 的内核
  kernel_install --name diamond --display-name "Python(diamond)"
  

• 完成以上操作后，刷新您项目中的Jupyter Notebook页面。在右上角的内核选择区域，您现在应该就能看到并选择您刚刚创建的 "Python(diamond)" 内核了。

2. 在 VS Code 中使用您的环境

• VS Code 可以自动检测到您新创建的Conda环境，切换过程非常快捷。
• 第一步: 选择 Python 解释器
  • 确保VS Code中已经安装了官方的 Python 扩展。
  • 使用快捷键 Ctrl+Shift+P (Windows/Linux) 或 Cmd+Shift+P (macOS) 打开命令面板。
  • 输入并选择 Python: Select Interpreter。
• 第二步: 选择您的 Conda 环境
  • 在弹出的列表中，找到并点击您刚刚创建的环境（名为 diamond 的 Conda 环境）。
  • 选择后，VS Code 窗口右下角的状态栏会显示 diamond，表示切换成功。此后，当您在 VS Code 中打开 Jupyter Notebook (.ipynb) 文件时，它会自动或推荐您使用此环境的内核。