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你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大名，你有想過(guò)將它用于游戲AI的行為決策上嗎？其實(shí)在（2010年發(fā)布的）《最高指揮官2》中就有應(yīng)用了，今天請(qǐng)?jiān)试S我班門(mén)弄斧一番，與大家一同用C# 實(shí)現(xiàn)最經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) —— 多層感知機(jī)（Multilayer Perceptron，簡(jiǎn)稱(chēng)MLP）。
一、前言
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者深度學(xué)習(xí)，總給人一種「量子力學(xué)」的感覺(jué)，總感覺(jué)它神秘?zé)o比，又無(wú)所不能。我未學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，總以為它是某種能夠修改自身代碼的代碼，否則怎么能做到從「不會(huì)」變成「會(huì)」的呢？但在親自學(xué)習(xí)后才會(huì)明白，它并沒(méi)有做到這種地步，但依舊十分神奇。多層感知機(jī)是最基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，很多其它類(lèi)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是在這之上的變形。可以說(shuō)，學(xué)會(huì)它是邁入深度學(xué)習(xí)的第一步。
多層感知機(jī)雖說(shuō)經(jīng)典，但并不過(guò)時(shí)。提到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)人腦海里想到的大概也就是類(lèi)似這樣的圖片：
這就是一張典型的多層感知機(jī)結(jié)構(gòu)圖，看著好像很復(fù)雜，但實(shí)現(xiàn)它所需要用到的數(shù)學(xué)原理和編程知識(shí)都不難，早年間，研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)者們還用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)呢！
二、什么是多層感知機(jī)
現(xiàn)在進(jìn)入正題，我們先來(lái)簡(jiǎn)單講講MLP的原理（如果你對(duì)此十分熟悉，只是對(duì)代碼實(shí)現(xiàn)感興趣，那可以跳過(guò)這部分）。
既然叫「多層感知機(jī)」，那有單個(gè)的感知機(jī)嗎？那是自然，單個(gè)感知機(jī)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單：
它其實(shí)就是個(gè)算式（為方便理解，我將其分成兩部分）：
將傳入感知機(jī)的多個(gè)輸入x，與對(duì)應(yīng)的權(quán)重w相乘（輸入的數(shù)量與權(quán)重的數(shù)量是一樣的，且數(shù)量是任意的，本例中用了3個(gè)），再加上偏置b就可以得出一個(gè)計(jì)算值sum。再將這個(gè)計(jì)算值傳入一個(gè)函數(shù)f(x)就可得到感知機(jī)的最終輸出out。
相信你肯定能理解，只是可能對(duì)f(x)函數(shù)有些好奇，它具體內(nèi)容是什么呢？這個(gè)函數(shù)也被稱(chēng)為「激活函數(shù)」，為什么叫這個(gè)名字？這就得提感知機(jī)的另一個(gè)名字 —— 人工神經(jīng)元。其實(shí)感知機(jī)正是受神經(jīng)元結(jié)構(gòu)啟發(fā)而被提出來(lái)的：
神經(jīng)元會(huì)通過(guò)樹(shù)突接受輸入信號(hào)并匯總，而神經(jīng)元對(duì)于各個(gè)輸入刺激的響應(yīng)強(qiáng)度并不相同，所以我們給各個(gè)輸入設(shè)置了相應(yīng)權(quán)重來(lái)模擬這個(gè)現(xiàn)象。之后，將處理的信息通過(guò)軸突傳給末梢（終端）。但實(shí)際上，只有匯總的信號(hào)強(qiáng)度大于一定程度時(shí)神經(jīng)元才會(huì)向末梢傳遞信號(hào)，而模擬這個(gè)現(xiàn)象的就是「激活函數(shù)」。
那偏置b又是模擬什么的？其實(shí)它是從數(shù)學(xué)角度考慮的、方便調(diào)整輸入加權(quán)和的變量值而已。
既然感知機(jī)被稱(chēng)為「人工神經(jīng)元」，那多層感知機(jī)豈不就是「人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」？一點(diǎn)沒(méi)錯(cuò)，我們現(xiàn)在所說(shuō)的「神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」，基本都是指人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而不是真正的、生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而「神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」起初就是指多層感知機(jī)，只不過(guò)現(xiàn)在種類(lèi)多了，定義也變寬泛了。
結(jié)合我們對(duì)單個(gè)感知機(jī)的認(rèn)識(shí)，再看看多層感知機(jī)：
但這里的單個(gè)感知機(jī)（后面用「神經(jīng)元」來(lái)代稱(chēng)）怎么輸出了多個(gè)值（看標(biāo)藍(lán)色的那部分）？這種結(jié)構(gòu)圖可能會(huì)誤導(dǎo)某些人，我做個(gè)解釋?zhuān)@里的每一條線(xiàn)并不是輸出，可以看到它是有箭頭的，每條線(xiàn)表示它所指向的那個(gè)神經(jīng)元的一個(gè)權(quán)重。加上箭頭是為了表示數(shù)據(jù)傳遞的方向。
不難看出，它就是將多個(gè)感知機(jī)以層為單位進(jìn)行了組合，每層都有任意數(shù)量（每層的數(shù)量可以不同）的感知機(jī)，并將一層感知機(jī)的輸出作為下一層的輸入，依次套娃下去。像圖中，下一層神經(jīng)元的權(quán)重?cái)?shù)量 = 上一層的神經(jīng)元數(shù)量，稱(chēng)為全連接，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的連接方式，本文也只考慮這種連接方式。
這里的「輸入層」其實(shí)就是輸入的數(shù)據(jù)（是的，這一層不是神經(jīng)元），類(lèi)似之前的x0、x1、x2；「輸出層」就是用于輸出的神經(jīng)元所組成的層，有了多個(gè)感知機(jī)，我們也可以得到多個(gè)輸出；夾在「輸入層」與「輸出層」之間的就叫「隱藏層」，因?yàn)樵趯?shí)際使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就只是輸入一組數(shù)值作為「輸入層」，再看看「輸出層」得到的結(jié)果，并不關(guān)心中間的運(yùn)算。
我們常說(shuō)的「深度學(xué)習(xí)」里的「深度」指的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中「隱藏層」的層數(shù)（只不過(guò)現(xiàn)在這個(gè)詞有點(diǎn)被炒作了），當(dāng)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層超過(guò)3層時(shí)，它就是「深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」。
通過(guò)改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)或者調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏置，我們可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似任何的函數(shù)、甚至是一些摸不著頭腦的規(guī)律。
比如影響小明今天玩不玩網(wǎng)游的因素有：今日作業(yè)量、心情、本月剩余流量、今天是星期幾，但我們并不知道這些因素與小明玩不玩的具體數(shù)學(xué)關(guān)系，只能大概地推斷：今天小明作業(yè)多，不會(huì)玩游戲；又或者今天是星期六，雖然作業(yè)還有很多，但他還是會(huì)玩游戲……可一旦知道具體數(shù)學(xué)關(guān)系，我們就可以通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)確預(yù)測(cè)小明是否會(huì)玩游戲，就像我們知道了牛頓力學(xué)公式，就可以根據(jù)物體的質(zhì)量和被射出的力來(lái)計(jì)算它的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣。
所以我們所關(guān)心的、實(shí)際所使用的都是這種已經(jīng)設(shè)置好正確權(quán)重和偏置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，像在與GPT聊天時(shí)怕「污染數(shù)據(jù)庫(kù)」這類(lèi)事就不用操心了。
要如何為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)神經(jīng)元的各個(gè)權(quán)重設(shè)置正確的值，使它能夠輸出我們預(yù)期的結(jié)果呢？手動(dòng)調(diào)肯定不現(xiàn)實(shí)，所以我們會(huì)運(yùn)用一些數(shù)學(xué)知識(shí)讓程序自行調(diào)整權(quán)重，這個(gè)過(guò)程就是「訓(xùn)練/學(xué)習(xí)」。
我們會(huì)給出一些輸入以及該輸入所對(duì)應(yīng)的正確輸出，比如我們可以記錄小明上個(gè)學(xué)期玩網(wǎng)游時(shí)的各因素值以及不玩時(shí)的各因素值，這些作為「訓(xùn)練集」。然后設(shè)計(jì)一個(gè)「損失函數(shù)」評(píng)判當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與正確輸出之間的差距。而程序就是不斷地調(diào)節(jié)各個(gè)權(quán)重，使差距越來(lái)越小，這種調(diào)節(jié)的根據(jù)是「導(dǎo)數(shù)」，但在這里我就不展開(kāi)了?？傊?，如果訓(xùn)練得當(dāng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失就會(huì)越來(lái)越小，直到停在一個(gè)值附近，這就是「收斂」。
篇幅所限，我刻意沒(méi)有講相關(guān)的數(shù)學(xué)原理，如果你對(duì)此感興趣，又或者對(duì)MLP的運(yùn)作仍有困惑，可以看看以下兩個(gè)視頻。如果準(zhǔn)備好了，下面就進(jìn)入代碼實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)吧。
視頻1：
https://www.bilibili.com/video/BV1bx411M7Zx/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=c9a1131d04faacd4a397411965ea21f4
視頻2：
https://www.bilibili.com/video/BV1o64y1i7yw/?spm_id_from=333.788&vd_source=c9a1131d04faacd4a397411965ea21f4
三、代碼實(shí)現(xiàn)
1. 相關(guān)數(shù)學(xué)
關(guān)于數(shù)學(xué)部分，我只進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，不講它們的數(shù)學(xué)原理，也不過(guò)多注釋。如果你只是想將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到游戲中，那這部分完全可以不必深究原理，弄清它們應(yīng)用的場(chǎng)合即可。
a. 初始化權(quán)重函數(shù)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的初始化十分重要，它會(huì)影響你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后能否訓(xùn)練成功。這里實(shí)現(xiàn)了3種典型的初始化方法：
隨機(jī)初始化（std = 0.01）：是比較普通的方法，深度學(xué)習(xí)新手接觸的第一個(gè)初始化方式。
Xavier初始化：適用于激活函數(shù)為Sigmoid和Tanh的場(chǎng)合。
He初始化：適用于激活函數(shù)為ReLU及其衍生函數(shù)，如Leaky ReLU的場(chǎng)合。
這里我還用了枚舉，方便在編輯時(shí)切換初始化的方法（后續(xù)幾類(lèi)數(shù)學(xué)函數(shù)也會(huì)用這種方法）：
using System;namespaceJufGame.AI.ANN
{
publicstaticclassInitWFunc
{
publicenum Type
{
Random, Xavier, He, None
}
public static void InitWeights(Type initWFunc, Neuron neuron)
{
switch(initWFunc)
{
case Type.Xavier:
XavierInitWeights(neuron.Weights);
break;
case Type.He:
HeInitWeights(neuron.Weights);
break;
case Type.Random:
RandomInitWeights(neuron.Weights);
break;
default:
break;
}
}
private static void RandomInitWeights(float[] weightsList)
{
var rand = new Random();
for (int i = 0; i < weightsList.Length; ++i)
{
//使用較小的標(biāo)準(zhǔn)差，適合普通的隨機(jī)初始化
weightsList[i] = (float)(rand.NextGaussian() * 0.01);
}
}
private static void XavierInitWeights(float[] weightsList)
{
var rand = new Random();
var scale = 1f / MathF.Sqrt(weightsList.Length);
for (int i = 0; i < weightsList.Length; ++i)
{
weightsList[i] = (float)(rand.NextDouble() * 2 * scale - scale);
}
}
private static void HeInitWeights(float[] weightsList)
{
var rand = new Random();
var stdDev = MathF.Sqrt(2f / weightsList.Length); //計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差
for (int i = 0; i < weightsList.Length; ++i)
{
//生成服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，并乘以標(biāo)準(zhǔn)差
weightsList[i] = (float)(rand.NextGaussian() * stdDev);
}
}
// 用于生成服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)的輔助方法
private static double NextGaussian(this Random rand)
{
double u1 = 1.0 - rand.NextDouble(); // 生成 [0, 1) 之間的隨機(jī)數(shù)
double u2 = 1.0 - rand.NextDouble();
// 使用 Box-Muller 變換生成正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)
return Math.Sqrt(-2.0 * Math.Log(u1)) * Math.Sin(2.0 * Math.PI * u2);
}
}
}
b. 激活函數(shù)
一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中所有隱藏層都使用同一種激活函數(shù)，輸出層根據(jù)問(wèn)題需求可能會(huì)使用和隱藏層不一樣的激活函數(shù)。激活函數(shù)都有非線(xiàn)性且可導(dǎo)的特點(diǎn)，我也實(shí)現(xiàn)了一些典型的激活函數(shù)：
直接輸出（Identify）：不做處理直接輸出，用于輸出層。
Sigmoid：早期的主流，現(xiàn)在一般用于輸出層需要將輸出值限制在0~1的場(chǎng)合，或者是只有兩個(gè)輸出的二分問(wèn)題。
Tanh：相當(dāng)于Sigmoid的改造，將輸出限制在了-1~1。
ReLU：當(dāng)今的主流激活函數(shù)，長(zhǎng)得十分友好，甚至不用加減運(yùn)算。一般選它準(zhǔn)沒(méi)錯(cuò)。
Leaky ReLU：ReLU的改造，使得對(duì)負(fù)數(shù)輸入也有響應(yīng)，但并沒(méi)有說(shuō)它一定好于ReLU。如果你用ReLU訓(xùn)練出現(xiàn)問(wèn)題，可以換這個(gè)試試。
Softmax：把一系列輸出轉(zhuǎn)為總和為1的小數(shù)，并且維持彼此的大小關(guān)系，相當(dāng)于把輸出結(jié)果轉(zhuǎn)為了概率。適用于多分類(lèi)問(wèn)題，但一定要搭配交叉熵?fù)p失函數(shù)使用。
using System;
namespaceJufGame.AI.ANN
{
publicstaticclassActivationFunc
{
private delegate float FuncCalc(float x);
privatestatic FuncCalc curAcFunc;
publicenum Type
{
Identify, Softmax, Tanh, Sigmoid, ReLU, LeakyReLU
}
//按層使用激活函數(shù)計(jì)算
public static void Calc(Type funcType, Layer layer)
{
if(funcType == Type.Softmax)
{
Softmax_Calc(layer);
}
else
{
curAcFunc = funcType switch
{
Type.Sigmoid => Sigmoid_Calc,
Type.Tanh => Tanh_Calc,
Type.ReLU => ReLU_Calc,
Type.LeakyReLU => LeakyReLU_Calc,
_ => Identify_Calc,
};
for(int i = 0; i < layer.Neurons.Length; ++i)
{
layer.Output[i] = curAcFunc(layer.Neurons[i].Sum);
}
}
}
//根據(jù)傳入下標(biāo)index選取層中神經(jīng)元，并進(jìn)行求導(dǎo)
public static float Diff(Type funcType, Layer layer, int index)
{
return funcType switch
{
Type.Softmax => Softmax_Diff(layer, index),
Type.Sigmoid => Sigmoid_Diff(layer, index),
Type.Tanh => Tanh_Diff(layer, index),
Type.ReLU => ReLU_Diff(layer, index),
Type.LeakyReLU => LeakyReLU_Diff(layer, index),
_ => Identify_Diff(),
};
}
#region 直接輸出
private static float Identify_Calc(float x)
{
return x;
}
private static float Identify_Diff()
{
return1;
}
#endregion
#region Softmax
private static void Softmax_Calc(Layer layer)
{
var neurons = layer.Neurons;
var expSum = 0.0f;
for(int i = 0; i < neurons.Length; ++i)
{
layer.Output[i] = MathF.Exp(neurons[i].Sum);
expSum += layer.Output[i];
}
for(int i = 0; i < neurons.Length; ++i)
{
layer.Output[i] /= expSum;
}
}
private static float Softmax_Diff(Layer outLayer, int index)
{
return outLayer.Output[index] * (1 - outLayer.Output[index]);
}
#endregion
#region Sigmoid
private static float Sigmoid_Calc(float x)
{
return1.0f / (1.0f + MathF.Exp(-x));
}
private static float Sigmoid_Diff(Layer outLayer, int index)
{
return outLayer.Output[index] * (1 - outLayer.Output[index]);
}
#endregion
#region Tanh
private static float Tanh_Calc(float x)
{
var expVal = MathF.Exp(-x);
return (1.0f - expVal) / (1.0f + expVal);
}
private static float Tanh_Diff(Layer outLayer, int index)
{
return1.0f - MathF.Pow(outLayer.Output[index], 2.0f);
}
#endregion
#region ReLU
public static float ReLU_Calc(float x)
{
return x > 0 ? x : 0;
}
public static float ReLU_Diff(Layer outLayer, int index)
{
return outLayer.Neurons[index].Sum > 0 ? 1 : 0;
}
#endregion#region LeakyReLU
private static float LeakyReLU_Calc(float x)
{
return x > 0 ? x : 0.01f * x;
}
private static float LeakyReLU_Diff(Layer outLayer, int index)
{
return outLayer.Neurons[index].Sum > 0 ? 1 : 0.01f;
}
#endregion
}
}
c. 更新權(quán)重函數(shù)
權(quán)重的更新涉及一些「超參數(shù)」，比如學(xué)習(xí)率、最大迭代次數(shù)等。這些參數(shù)是程序不會(huì)進(jìn)行更新的，只能人工提前設(shè)置好。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)率的值很重要，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練費(fèi)時(shí)；過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)發(fā)散而不能正確進(jìn)行。但好在后面人們想出來(lái)更好的權(quán)重更新函數(shù)，它們對(duì)「超參數(shù)」的依賴(lài)會(huì)減小很多。我們所實(shí)現(xiàn)的有：
SGD：隨機(jī)梯度下降，最簡(jiǎn)單的一種更新方法，但有時(shí)并不是這么高效，容易陷入局部最優(yōu)解。
Movement：基于物理上的動(dòng)量概念，它會(huì)在更新權(quán)重的過(guò)程中考慮先前的更新步驟，需要為每個(gè)權(quán)重設(shè)置額外參數(shù)（用m表示）來(lái)記錄「動(dòng)量」。
AdaGrad：運(yùn)用了學(xué)習(xí)率衰減的技巧，為每個(gè)權(quán)重適當(dāng)?shù)卣{(diào)整學(xué)習(xí)率，相當(dāng)于給每個(gè)權(quán)重都設(shè)置了獨(dú)立的學(xué)習(xí)率，也需要額外參數(shù)（用v表示）記錄。
Adam：將Movment與AdaGrad結(jié)合了起來(lái)，通過(guò)組合二者的優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)參數(shù)空間的高效搜索。
當(dāng)然，上述4個(gè)方法各有優(yōu)劣，可以?xún)?yōu)先考慮SGD和Adam。
順帶一提，權(quán)重的更新都是建立在「梯度」之上的，「梯度」可以理解為對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整體權(quán)重的變化趨勢(shì)。你想，有這么多權(quán)重要更新，有時(shí)訓(xùn)練一個(gè)樣本A后，會(huì)要求權(quán)重w0+ = 0.01、w1- = 0.05以減小誤差，但訓(xùn)練下一個(gè)樣本B時(shí)，又要求w0- = 0.02、w1+ = 0.04，一個(gè)訓(xùn)練集有這么多樣本，要以哪個(gè)樣本訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的權(quán)重變化為準(zhǔn)呢？
答案是累加每個(gè)樣本帶來(lái)的誤差并取平均值。如果覺(jué)得還不清楚，可以看看這個(gè)視頻：
https://www.bilibili.com/video/BV16x411V7Qg/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=c9a1131d04faacd4a397411965ea21f4
還有一點(diǎn)，偏置b也是隨著權(quán)重更新的，它可以視為一個(gè)輸入始終為1，權(quán)重為b的權(quán)重。在后續(xù)的實(shí)現(xiàn)中，我將偏置放在儲(chǔ)存權(quán)重的列表的最后一位。（但后來(lái)才知道不提倡這種寫(xiě)法。）
using System;
namespaceJufGame.AI.ANN
{
publicstaticclassUpdateWFunc
{
privateconstfloat MinDelta = 1e-7f;
privateconstfloat beta1 = 0.9f;
privateconstfloat beta2 = 0.999f;
private delegate void UpdateLayer(Neuron curNeuron, float learningRate, int curEpochs, int samplesCount);
publicenum Type
{
SGD, Momentum, AdaGrad, Adam
}
public static void UpdateNetWeights(Type type, NeuralNet net, int samplesCount)
{
UpdateLayer updateLayerFunc = type switch
{
Type.Momentum => Momentum_UpdateW,
Type.AdaGrad => AdaGrad_UpdateW,
Type.Adam => Adam_UpdateW,
_ => SGD_UpdateW,
};
var curLayer = net.OutLayer;
for(int j = 0; j < curLayer.Neurons.Length; ++j)
{
updateLayerFunc(curLayer.Neurons[j], net.LearningRate, net.CurEpochs ,samplesCount);
}
for(int i = 0; i < net.HdnLayers.Length; ++i)
{
curLayer = net.HdnLayers[i];
for(int j = 0; j < curLayer.Neurons.Length; ++j)
{
updateLayerFunc(curLayer.Neurons[j], net.LearningRate, net.CurEpochs, samplesCount);
}
}
}
#region 各參數(shù)損失貢獻(xiàn)計(jì)算
//計(jì)算各參數(shù)對(duì)損失的貢獻(xiàn)程度（也是各參數(shù)的變化的值）
public static void CalcDelta(NeuralNet net, float[] input)
{
var lastInput = input;
for(int i = 0; i < net.HdnLayers.Length; ++i)
{
var curLayer = net.HdnLayers[i];
CalcLayerDelta(curLayer, lastInput);
lastInput = curLayer.Output;
}
CalcLayerDelta(net.OutLayer, lastInput);
}
private static void CalcLayerDelta(Layer curLayer, float[] lastInput)
{
for(int j = 0, k; j < curLayer.Neurons.Length; ++j)
{
var curNeuron = curLayer.Neurons[j];
for(k = 0; k < lastInput.Length; ++k)
{
//通過(guò)反向傳播時(shí)神經(jīng)元的損失，計(jì)算每個(gè)權(quán)重的貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)并累加
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] += curNeuron.Params["Error"] * lastInput[k];
}
//同理計(jì)算偏置的損失貢獻(xiàn)
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] += curNeuron.Params["Error"];
}
}
#endregion
#region SGD
private static void SGD_UpdateW(Neuron curNeuron, float learningRate, int curEpochs, int samplesCount)
{
for(int k = 0; k < curNeuron.Weights.Length; ++k)
{
var gradient = curNeuron.WeightParams["Delta"][k] / samplesCount;
curNeuron.Weights[k] -= learningRate * gradient;
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] = 0;
}
}
#endregion
#region Momentum
private static void Momentum_UpdateW(Neuron curNeuron, float learningRate, int curEpochs, int samplesCount)
{
for(int k = 0; k < curNeuron.Weights.Length; ++k)
{
var gradient = curNeuron.WeightParams["Delta"][k] / samplesCount;
curNeuron.WeightParams["m"][k] = beta1 * curNeuron.WeightParams["m"][k] - learningRate * gradient;
curNeuron.Weights[k] += curNeuron.WeightParams["m"][k];
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] = 0;
}
}
#endregion
#region AdaGrad
private static void AdaGrad_UpdateW(Neuron curNeuron, float learningRate, int curEpochs, int samplesCount)
{
for(int k = 0; k < curNeuron.Weights.Length; ++k)
{
var gradient = curNeuron.WeightParams["Delta"][k] / samplesCount;
curNeuron.WeightParams["v"][k] += gradient * gradient;
curNeuron.Weights[k] -= learningRate * gradient / MathF.Sqrt(curNeuron.WeightParams["v"][k] + MinDelta);
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] = 0;
}
}
#endregion#region Adam
private static void Adam_UpdateW(Neuron curNeuron, float learningRate, int curEpochs, int samplesCount)
{
for(int k = 0; k < curNeuron.Weights.Length; ++k)
{
var gradient = curNeuron.WeightParams["Delta"][k] / samplesCount;
curNeuron.WeightParams["m"][k] = beta1 * curNeuron.WeightParams["m"][k] + (1 - beta1) * gradient;
curNeuron.WeightParams["v"][k] = beta2 * curNeuron.WeightParams["v"][k] + (1 - beta2) * gradient * gradient;
var mHat = curNeuron.WeightParams["m"][k] / (1 - MathF.Pow(beta1, curEpochs));
var vHat = curNeuron.WeightParams["v"][k] / (1 - MathF.Pow(beta2, curEpochs));
curNeuron.Weights[k] -= learningRate * mHat / (MathF.Sqrt(vHat) + MinDelta);
curNeuron.WeightParams["Delta"][k] = 0;
}
}
#endregion
}
}
d. 損失函數(shù)
損失函數(shù)用來(lái)衡量輸出與正確值之間的差距，這里實(shí)現(xiàn)的是最常用的兩個(gè)損失函數(shù)：
均方差函數(shù)：簡(jiǎn)單實(shí)用，形式如下：
交叉熵函數(shù)：主要用在多分類(lèi)問(wèn)題上，配合Softmax使用：
using System;
namespaceJufGame.AI.ANN
{
publicstaticclassLossFunc
{
privateconstfloat MinDelta = 1e-7f;
publicenum Type
{
MeanSqurad, CrossEntropy,
}
public static float Calc(Type type, float[] targetOut, Layer outLayer)
{
return type switch
{
Type.MeanSqurad => MeanSquradErr_Calc(targetOut, outLayer),
_ => CrossEntropy_Calc(targetOut, outLayer),
};
}
public static void Diff(Type type, float[] targetOut, Layer outLayer)
{
switch(type)
{
case Type.MeanSqurad:
MeanSquradErr_Diff(targetOut, outLayer);
break;
case Type.CrossEntropy:
CrossEntropy_Diff(targetOut, outLayer);
break;
};
}
private static float MeanSquradErr_Calc(float[] targetOut, Layer outLayer)
{
var errSum = 0.0f;
for(int i = 0; i < targetOut.Length; ++i)
{
errSum += MathF.Pow(outLayer.Output[i] - targetOut[i], 2);
}
return errSum / (2 * targetOut.Length);
}
private static void MeanSquradErr_Diff(float[] targetOut, Layer outLayer)
{
for(int i = 0; i < targetOut.Length; ++i)
{
var curNeuron = outLayer.Neurons[i];
curNeuron.Params["Error"] = outLayer.Output[i] - targetOut[i];
}
}private static float CrossEntropy_Calc(float[] targetOut, Layer outLayer)
{
var errSum = 0.0f;
for(int i = 0; i < targetOut.Length; ++i)
{
//加上一個(gè)極小值再取log，放置出現(xiàn)log(0)報(bào)錯(cuò)
errSum -= targetOut[i] * MathF.Log(outLayer.Output[i] + MinDelta);
}
return errSum;
}
private static void CrossEntropy_Diff(float[] targetOut, Layer outLayer)
{
for(int i = 0; i < targetOut.Length; ++i)
{
var curNeuron = outLayer.Neurons[i];
//用Output[i]的前提：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出經(jīng)過(guò)了softmax處理
curNeuron.Params["Error"] = outLayer.Output[i] - targetOut[i];
}
}
}
}
2. 感知機(jī)（神經(jīng)元）
簡(jiǎn)單地對(duì)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，只是神經(jīng)元在訓(xùn)練時(shí)，需要為自身或者自身的權(quán)重記錄一些額外信息，所以多了WeightParams和Params備以記錄。
為什么不記錄激活函數(shù)的計(jì)算結(jié)果out?
因?yàn)樵谟?xùn)練過(guò)程中常常要以層為單位統(tǒng)一處理激活函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，故而將out都記錄在層中了。（實(shí)際上Python中許多深度學(xué)習(xí)框架庫(kù)都是以層為最小單位構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，這有利于進(jìn)行矩陣運(yùn)算，但在我們的實(shí)現(xiàn)中，一來(lái)沒(méi)用到矩陣運(yùn)算，二來(lái)是希望能讓大家更直接地看到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、計(jì)算的細(xì)節(jié)，所以我們以單個(gè)神經(jīng)元作為最小的單位。）
為什么沒(méi)有激活函數(shù)f(x)？
因?yàn)槲覀冎罢f(shuō)過(guò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層都是使用同一種激活函數(shù)，頂多輸出層用的不太一樣。也就是說(shuō)我們只需要記錄兩個(gè)函數(shù)的類(lèi)型，所以讓后續(xù)實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)記下就行了，沒(méi)必要每個(gè)神經(jīng)元都記錄，浪費(fèi)空間。
using System;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;namespaceJufGame.AI.ANN
{
[Serializable] // 方便在編輯器頁(yè)面查看
publicclassNeuron
{
//神經(jīng)元權(quán)重列表，末位放置偏置b
publicfloat[] Weights => weights;
//加權(quán)和
publicfloat Sum => sum;
//為各個(gè)權(quán)重分配的額外參數(shù)
public Dictionary WeightParams{ get; privateset; }
//為神經(jīng)元本身分配的額外參數(shù)
public Dictionary Params{ get; privateset; }
[SerializeField]privatefloat[] weights;
privatefloat sum;
public Neuron(int weightCount)
{
weights = newfloat[weightCount + 1];//末尾放偏置
}
///
/// 初始化訓(xùn)練所需參數(shù)列表，僅在訓(xùn)練時(shí)調(diào)用
///
public void InitCache()
{
Params = new Dictionary
{
["Error"] = 0,//該值用來(lái)記錄，每次更新時(shí)的累計(jì)損失
};
WeightParams = new Dictionary
{
//記錄權(quán)重待變化值
["Delta"] = newfloat[weights.Length],
//Momentum和Adam中，用于記錄權(quán)重變化的「動(dòng)量」
["m"] = newfloat[weights.Length],
//AdaGrad和Adam中，用于記錄權(quán)重獨(dú)立學(xué)習(xí)率
["v"] = newfloat[weights.Length],
};
}
//計(jì)算Sum
public float CalcSum(float[] input)
{
int i;
sum = 0;
for(i = 0; i < input.Length; ++i)
{
sum += weights[i] * input[i];//加權(quán)和
}
sum += weights[i];//加上權(quán)重
return Sum;
}
}
}
3. 層
沒(méi)有太多必要說(shuō)的，就是嵌套調(diào)用了包含的各神經(jīng)元的函數(shù)，比如層的計(jì)算就是各個(gè)神經(jīng)元的計(jì)算，其它同理。
using System;
using UnityEngine;namespaceJufGame.AI.ANN
{
[Serializable]
publicclassLayer
{
public Neuron[] Neurons => neurons;//存儲(chǔ)神經(jīng)元
publicfloat[] Output => output;//存儲(chǔ)各神經(jīng)元激活函數(shù)輸出
[SerializeField] private Neuron[] neurons;
[SerializeField] privatefloat[] output;
public Layer(int neuronCount)
{
output = newfloat[neuronCount];
neurons = new Neuron[neuronCount];
}
//對(duì)層中的每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)重進(jìn)行初始化
public void InitWeights(int weightCount, InitWFunc.Type initType)
{
for(int i = 0; i < neurons.Length; ++i)
{
neurons[i] = new Neuron(weightCount);
InitWFunc.InitWeights(initType, neurons[i]);
}
}
//初始化層中每個(gè)神經(jīng)元的額外參數(shù)
public void InitCache()
{
for(int i = 0; i < neurons.Length; ++i)
{
neurons[i].InitCache();
}
}
//計(jì)算該層，實(shí)際上就是計(jì)算所有神經(jīng)元的加權(quán)和，并求出激活函數(shù)的輸出
public float[] CalcLayer(float[] inputData, ActivationFunc.Type acFuc)
{
for(int i = 0; i < neurons.Length; ++i)
{
neurons[i].CalcSum(inputData);
}
ActivationFunc.Calc(acFuc, this);
return output;
}
}
}
4. 多層感知機(jī)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也一樣，是對(duì)層的各個(gè)功能的再度包裝，只是多了些超參數(shù)成員變量。
為什么沒(méi)有輸入層？
因?yàn)檩斎雽悠鋵?shí)就只是輸入的數(shù)值，沒(méi)必要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)層（Python中許多深度學(xué)習(xí)框架也是這樣的）。
怎么讀取輸出？
直接讀取輸出層的輸出列表即可。
using System;
using UnityEngine;
namespaceJufGame.AI.ANN
{
[Serializable]
publicclassNeuralNet
{
publicfloat TargetError = 0.0001f;//預(yù)期誤差，當(dāng)損失函數(shù)的結(jié)果小于它時(shí)，就停止訓(xùn)練
publicfloat LearningRate = 0.01f;//學(xué)習(xí)率
publicint CurEpochs;//記錄當(dāng)前迭代的次數(shù)
public ActivationFunc.Type hdnAcFunc;//隱藏層激活函數(shù)類(lèi)型
public ActivationFunc.Type outAcFunc;//輸出層激活函數(shù)類(lèi)型
public Layer[] HdnLayers => hdnLayers;//隱藏層
public Layer OutLayer => outLayer;//輸出層
[SerializeField] private Layer[] hdnLayers;
[SerializeField] private Layer outLayer;public NeuralNet(int hdnLayerCount, int[] neuronsOfLayers, int outCount,
ActivationFunc.Type hdnAcFnc, ActivationFunc.Type outAcFnc,
float targetError = 0.0001f, float learningRate = 0.01f)
{
outLayer = new Layer(outCount);
hdnLayers = new Layer[hdnLayerCount];
for(int i = 0, j = 0; i < hdnLayerCount; ++i)
{
hdnLayers[i] = new Layer(neuronsOfLayers[j]);
}
hdnAcFunc = hdnAcFnc;
outAcFunc = outAcFnc;
TargetError = targetError;
LearningRate = learningRate;
}
//初始化各神經(jīng)元權(quán)重
public void InitWeights(int inputDataCount, InitWFunc.Type initType)
{
int neuronNum = inputDataCount;
for(int i = 0; i < HdnLayers.Length; ++i)
{
hdnLayers[i].InitWeights(neuronNum, initType);
neuronNum = HdnLayers[i].Neurons.Length;
}
outLayer.InitWeights(neuronNum, initType);
}
//初始化各神經(jīng)元額外參數(shù)列表
public void InitCache()
{
for(int i = 0; i < HdnLayers.Length; ++i)
{
hdnLayers[i].InitCache();
}
outLayer.InitCache();
}
//計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
public float[] CalcNet(float[] inputData)
{
var curInput = inputData;
for(int j = 0; j < hdnLayers.Length; ++j)
{
curInput = hdnLayers[j].CalcLayer(curInput, hdnAcFunc);
}
return outLayer.CalcLayer(curInput, outAcFunc);
}
}
}
至此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就搭建完成了，并沒(méi)有想象的那么復(fù)雜。
5. 訓(xùn)練器
先實(shí)現(xiàn)一個(gè)訓(xùn)練器的基類(lèi)……等等，明明就一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為什么還要有基類(lèi)，直接寫(xiě)不好嗎？
其實(shí)最初是打算實(shí)現(xiàn)多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，但后來(lái)考試臨近，不得不轉(zhuǎn)移重心，最終只實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的MLP。Unity本身也已經(jīng)可以導(dǎo)入ONNX模型，如果要在游戲里想實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別這類(lèi)復(fù)雜功能的話(huà)，導(dǎo)入模型似乎更方便，所以實(shí)現(xiàn)更多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的必要性就值得考慮了。當(dāng)然，這些文末會(huì)再進(jìn)行討論。
先來(lái)看看這個(gè)基類(lèi)有哪些東西：
using UnityEngine;
namespaceJufGame.AI.ANN
{
publicabstractclassTraining
{
public NeuralNet TrainingNet;//需要訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
publicfloat[][] InputSet => inputSet;//訓(xùn)練輸入集
/*沒(méi)有「訓(xùn)練輸出集」是因?yàn)椴⒎撬蓄?lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都需要「訓(xùn)練輸出」
所以它不是基類(lèi)必需的，當(dāng)然，這些就是題外話(huà)了*/
protectedfloat[][] inputSet;
[SerializeField] protectedint maxEpochs;//最大迭代次數(shù)
public Training(NeuralNet initedNet, int maxEpochs)
{
this.maxEpochs = maxEpochs;
TrainingNet = initedNet;
}
public void SetInput(float[][] inputSet)//設(shè)置訓(xùn)練輸入集
{
this.inputSet = inputSet;
}
public abstract bool IsTrainEnd();//是否訓(xùn)練完成
public abstract void Train(); //不斷訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
public abstract void Train_OneTime();//訓(xùn)練（迭代）一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)//打印神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的結(jié)果，調(diào)試用的
public static void DebugNetRes(NeuralNet net, float[][] testInput)
{
for(int i = 0; i < testInput.GetLength(0); ++i)
{
var res = net.CalcNet(testInput[i]);
for(int j = 0; j < res.Length; ++j)
{
Debug.Log("檢驗(yàn)結(jié)果 " + i + " = " + res[j]);
}
}
}
}
}
最后，就是真正用來(lái)訓(xùn)練的類(lèi)了，我們將采用最常見(jiàn)梯度下降法進(jìn)行訓(xùn)練。其中涉及前向傳播和反向傳播，我稍作解釋?zhuān)?/p>
前向傳播（Forward Propagation）：傳入訓(xùn)練輸入樣本計(jì)算出當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出，并進(jìn)一步計(jì)算損失（損失函數(shù)的計(jì)算結(jié)果其實(shí)在反向傳播中并沒(méi)有用，只是給開(kāi)發(fā)者看的，用來(lái)判斷當(dāng)前訓(xùn)練情況）。
反向傳播（Backward Propagation）：從損失函數(shù)開(kāi)始，用鏈?zhǔn)角髮?dǎo)法則，反向（輸出層?隱藏層?輸入層）計(jì)算每個(gè)神經(jīng)元的損失（下圖中的δ、代碼中的Params["Error"]）。通過(guò)神經(jīng)元的損失，可以計(jì)算出神經(jīng)元的每個(gè)參數(shù)（權(quán)重、偏置）的損失貢獻(xiàn)（權(quán)重更新函數(shù)代碼中的WeightParams["Delta"]）并一直累加，直到訓(xùn)練集被讀取完。這時(shí)，我們就說(shuō)完成了一次訓(xùn)練迭代。
完成一次迭代后（不是訓(xùn)練完一個(gè)樣本后），將累加的損失除以訓(xùn)練樣本數(shù)取得均值，再用權(quán)重更新函數(shù)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行更新。
這一迭代過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到損失函數(shù)計(jì)算的誤差達(dá)到可容許范圍（也就是小于預(yù)期損失）或達(dá)到最大訓(xùn)練次數(shù)，詳情可看《解讀反向傳播算法（圖與公式結(jié)合）》[1]（但注意！該文章為了方便講解，訓(xùn)練完一個(gè)樣本就開(kāi)始更新權(quán)重了），實(shí)現(xiàn)如下：
using UnityEngine;namespaceJufGame.AI.ANN
{
[System.Serializable]
publicclassBPNN : Training
{
publicfloat[][] OutputSet => outputSet;
[SerializeField] privatefloat meanError = float.MaxValue;
[SerializeField] private LossFunc.Type errorFunc;
[SerializeField] private UpdateWFunc.Type updateWFunc;
privatefloat[][] outputSet;
public BPNN(NeuralNet initedNet, LossFunc.Type errorFunc, UpdateWFunc.Type updateWFunc, int maxEpochs): base(initedNet,maxEpochs)
{
this.errorFunc = errorFunc;
this.updateWFunc = updateWFunc;
}
public void SetOutput(float[][] outputSet)
{
this.outputSet = outputSet;
}
public override bool IsTrainEnd()//判斷是否訓(xùn)練完成
{
return meanError < TrainingNet.TargetError
|| maxEpochs < TrainingNet.CurEpochs;
}
public override void Train()
{
meanError = float.MaxValue;
while(!IsTrainEnd())
{
Train_OneTime();
}
}
public override void Train_OneTime()
{
int samplesCount = inputSet.GetLength(0);//記下樣本數(shù)量
++TrainingNet.CurEpochs;//更新迭代次數(shù)
meanError = 0;
for(int i = 0; i < samplesCount; ++i)
{
ForWard(i);
Backpropagation();
UpdateWFunc.CalcDelta(TrainingNet, inputSet[i]);
}
UpdateWFunc.UpdateNetWeights( updateWFunc, TrainingNet, samplesCount);
meanError /= samplesCount;//取樣本誤差均值作為本次迭代的誤差
#if UNITY_EDITOR
Debug.Log($"誤差：{meanError}");//調(diào)試時(shí)用的
#endif
}
private void ForWard(int trainIndex)
{
var outLayer = TrainingNet.OutLayer;
TrainingNet.CalcNet(inputSet[trainIndex]);
meanError = LossFunc.Calc(errorFunc, outputSet[trainIndex], outLayer);
/*這里圖省事，將反向傳播的第一步一并計(jì)算了*/
LossFunc.Diff(errorFunc, outputSet[trainIndex], outLayer);//損失函數(shù)求導(dǎo)
for(int i = 0; i < outLayer.Neurons.Length; ++i)//輸出層激活函數(shù)求導(dǎo)
{
outLayer.Neurons[i].Params["Error"] *= ActivationFunc.Diff(TrainingNet.outAcFunc, outLayer, i);
}
}
private void Backpropagation()
{
var lastLayer = TrainingNet.OutLayer;
for(int i = TrainingNet.HdnLayers.Length - 1; i > -1; --i)
{
var curLayer = TrainingNet.HdnLayers[i];
for(int j = 0; j < curLayer.Neurons.Length; ++j)
{
var curNeuron = curLayer.Neurons[j];
//每次計(jì)算損失時(shí)要清零，避免上次迭代結(jié)果產(chǎn)生的干擾
curNeuron.Params["Error"] = 0;
for(int k = 0; k < lastLayer.Neurons.Length; ++k)
{
var lastNeuron = lastLayer.Neurons[k];
curNeuron.Params["Error"] += lastNeuron.Params["Error"] * lastNeuron.Weights[j];
}
curNeuron.Params["Error"] *= ActivationFunc.Diff(TrainingNet.hdnAcFunc, curLayer, j);
}
lastLayer = curLayer;
}
}
}
}
四、使用教程
一切都準(zhǔn)備就緒了，那要怎么運(yùn)轉(zhuǎn)這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)呢？我們創(chuàng)建一個(gè)繼承了MonoBehavior的腳本，并聲明下面三個(gè)公開(kāi)的字段：
using UnityEngine;
using JufGame.AI.ANN;public class TrainANN : MonoBehaviour
{
public int inputCount;
public BPNN bp;
public InitWFunc.Type initW;
}
將它掛載在場(chǎng)景的任一物體上，不出意外的話(huà)，你可以在編輯器看到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)的許多關(guān)鍵變量都可以顯示出來(lái)（如果你的沒(méi)有，就要注意是否遺漏[System.Serializable]或設(shè)置成了私有類(lèi)）：
我們?cè)偻晟葡履_本，設(shè)置好訓(xùn)練輸入和輸出（以「異或」運(yùn)算為例），使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在Unity運(yùn)行時(shí)逐幀訓(xùn)練：
public classTrainANN : MonoBehaviour
{
publicint inputCount;
public BPNN bp;
public InitWFunc.Type initW;
privatefloat[][] inSet = //異或運(yùn)算的輸入
{
newfloat[]{1, 0},
newfloat[]{1, 1},
newfloat[]{0, 0},
newfloat[]{0, 1},
};
privatefloat[][] outSet = //異或運(yùn)算的輸出
{
newfloat[]{1},
newfloat[]{0},
newfloat[]{0},
newfloat[]{1},
};
private void Awake()
{
...
特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶(hù)上傳并發(fā)布，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
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