Keras和DDPG玩赛车游戏（自动驾驶）

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使用Keras和DDPG玩赛车游戏（自动驾驶）

 

作者 treelake 

Using Keras and Deep Deterministic Policy Gradient to play TORCS——300行python代码展示DDPG(基于Keras)——视频
可以先看新手向——使用Keras+卷积神经网络玩小鸟

为什么选择TORCS游戏

• 《The Open Racing Car Simulator》（TORCS）是一款开源3D赛车模拟游戏

• 看着AI学会开车是一件很酷的事

• 可视化并考察神经网络的学习过程，而不是仅仅看最终结果

• 容易看出神经网络陷入局部最优

• 帮助理解自动驾驶中的机器学习技术

安装运行

• 基于Ubuntu16.04，python3安装（Python2也可）

• OpenCV安装参看Installing OpenCV 3.0.0 on Ubuntu 14.04，有些包的版本变新了，根据提示改一下名称再apt-get安装就行。国内环境可能还有些问题，参看机器学习小鸟尝鲜 环境配置中的OpenCV部分，没问题就不管。

• 先安装一些包：

  sudo apt-get install xautomationsudo pip3 install numpysudo pip3 install gym

• 再下载gym_torcs源码（建议迅雷+download zip，比较快），解压压缩包。

• 然后将gym_torcs/vtorcs-RL-color/src/modules/simu/simuv2/simu.cpp 中第64行替换为if (isnan((float)(car->ctrl->gear)) || isinf(((float)(car->ctrl->gear)))) car->ctrl->gear = 0;，否则新的gcc会报错，Ubuntu14可能不用管。
  

  
  

  代码修改

• 然后cd进gym_torcs下vtorcs-RL-color目录，执行以下命令：

  sudo apt-get install libglib2.0-dev  libgl1-mesa-dev libglu1-mesa-dev  freeglut3-dev  libplib-dev  libopenal-dev libalut-dev libxi-dev libxmu-dev libxrender-dev  libxrandr-dev libpng12-dev ./configuremakesudo make installsudo make datainstall

• 检查TORCS是否正确安装：打开一个终端，输入命令torcs，然后会出现图形界面，然后依次点击Race –> Practice –> New Race –> 会看到一个蓝屏输出信息“Initializing Driver scr_server1”。此时再打开一个终端，输入命令python3 snakeoil3_gym.py可以立刻看到一个演示，则安装成功。

• 然后

  git clone https://github.com/yanpanlau/DDPG-Keras-Torcs.git #建议下载zipcd DDPG-Keras-Torcscp *.* ../gym_torcscd ../gym_torcspython3 ddpg.py

  作者使用的是python2，所以他将snakeoil3_gym.py文件做了一些修改。我用的是python3，还需要将snakeoil3_gym.py文件再改回来，应该是在上面cp命令中不要复制覆盖snakeoil3_gym.py文件就对了。如果覆盖了就将snakeoil3_gym.py文件中python2的一些语法改成python3的：如print要加个括号，except要改成except socket.error as emsg，unicode()改成str()。这样就可以成功运行了。

背景

• 在上一篇译文新手向——使用Keras+卷积神经网络玩小鸟中，展示了如何使用深度Q学习神经网络来玩耍FlapyBird。但是，深Q网络的一个很大的局限性在于它的输出（是所有动作的Q值列表）是离散的，也就是对游戏的输入动作是离散的，而像在赛车游戏中的转向动作是一个连续的过程。一个显而易见的使DQN适应连续域的方法就是简单地将连续的动作空间离散化。但是马上我们就会遭遇‘维数灾难’问题。比如说，如果你将转盘从-90度到+90度的转动划分为5度一格，然后将将从0km到300km的加速度每5km一划分，你的输出组合将是36种转盘状态乘以60种速度状态等于2160种可能的组合。当你想让机器人进行一些更为专业化的操作时情况会更糟，比如脑外科手术这样需要精细的行为控制的操作，想要使用离散化来实现需要的操作精度就太naive了。

• Google Deepmind 已经设计了一种新的算法来解决这种连续动作空间问题，它将3种技术结合在一起构成了Deep Deterministic Policy Gradients (DDPG)算法：

1. Deterministic Policy-Gradient Algorithms 确定性策略梯度算法（对于非机器学习研究者来说较难）

2. Actor-Critic Methods 演员-评论家方法

3. Deep Q-Network 深度Q学习神经网络

策略网络

• 首先，我们将要定义一个策略网络来实现我们的AI-司机。这个网络将接收游戏的状态（例如，赛车的速度，赛车和赛道中轴之间的距离等）并且决定我们该做什么（方向盘向左打向右打，踩油门还是踩刹车）。它被叫做基于策略的强化学习，因为我们直接将策略参数化：

  \pi_\theta(s, a) = P [a | s, \theta]

  
  

  
  这里，s是状态，a是行为/动作，θ是策略网络的模型参数，π是常见的表示策略的符号。我们可以设想策略是我们行为的代理人，即一个从状态到动作的映射函数。

确定性VS随机策略

• 确定性策略： a=μ(s)
  

  
  

• 随机策略： π(a∣s)=P[a∣s]
  

  
  

  
  为什么在确定性策略之外我们还需要随机策略呢？理解一个确定性政策是容易的。我看到一个特定的状态输入，然后我采取特定的动作。但有时确定性策略不起作用，当你面对的第一个状态是个类似下面的白板时：
  

  
  

  
  如果你还使用相同的确定性策略，你的网络将总是把棋子放在一个“特别”的位置，这是一个非常不好的行为，它会使你的对手能够预测你。在这种情况下，一个随机策略比确定性策略更合适。

策略目标函数

所以我们怎么找到π_θ(s,a)呢？实际上，我们能够使用增强技术来解决它。例如，假设AI正在努力学习如何左转。在一开始，AI可能根本就不会转方向盘并撞上路边，获得一个负奖励（惩罚），所以神经网络将调整模型参数θ，避免下一次再撞上路边。多次尝试之后，它会发现，“啊哈，如果我把方向盘往更左打一点，我就不会这么早撞到路边了”。用数学语言来说，这就是策略目标函数。
未来的总奖励函数定义为从离散的时间t开始的每一阶段的奖励之和：
R_t = r_t + r_{t+1} + r_{t+2} ... + r_n

上面的函数其实是马后炮函数，因为事情的总奖励在事情结束之前是不会确定的，说不定有转机呢（未来的动作数一般是很多的，也可能是不确定的），所谓俗语："不到最后一刻绝不罢休"和"盖棺定论"讲得就是这个道理，而且复杂的世界中，同样的决策它的结果也可能是不一样的，总有人运气好，也有人运气差，"一个人的命运，不光要看个人的奋斗，还要考虑历史的行程"，也就是说决策的结果可能还受一个不可掌控的未知参数影响。
所以，作为一种提供给当前状态做判断的预期，我们构造一个相对简单的函数，既充分考虑又在一定程度上弱化未来的奖励（这个未来的奖励其实是基于经验得到，也就是训练的意义所在），得到未来的总折扣奖励（贴现奖励）函数：
R_t = r_t + \gamma r_{t+1} + \gamma^{2} r_{t+2} ... + \gamma^{n-t} r_n——\gamma即γ是折扣系数，一般取在(0,1)区间中

一个直观的策略目标函数将是总折扣奖励的期望：
L(\theta) = E[r_1 + \gamma r_2 + \gamma^{2} r_3 + ... | \pi_\theta(s,a)]，这里暂时取t为1，总奖励为R

L(\theta) = E_{x\sim p(x|\theta)}[R]

在这里，总奖励R的期望是在 由参数θ调整的某一概率分布p(x∣θ) 下计算的。

这时，又要用到我们的Q函数了，先回想一下上一篇译文的内容。
由上文的未来总折扣奖励R_t可以看出它能表示为递归的形式：
R_t = r_t + \gamma * R_{t+1}，将上文的R_t中的t代换为t+1代入此式即可验证

而我们的Q函数（在s状态下选择动作a的最大贴现奖励）是
Q(s_t, a_t) = max R_{t+1}

这里等式左边的t和右边的t+1可能看上去有些错位，因为它是按下面这个图走的，不用太纠结。

但是接下来我们并没有和Q-learning采取同样的Q值更新策略，重点来了：
我们采用了SARSA —— State-Action-Reward-State-Action代表了状态-动作-奖励-状态-动作。在SARSA中，我们开始于状态1，执行动作1，然后得到奖励1，于是我们到了状态2，在返回并更新在状态1下执行动作1的Q值之前，我们又执行了另一个动作（动作2）然后得到奖励2。相反，在Q-learning中，我们开始于状态1，执行动作1，然后得到奖励1，接着就是查看在状态2中无论做出任一动作的最大可能奖励，并用这个值来更新状态1下执行动作1的Q值。所以不同的是未来奖励被发现的方式。在Q-learning中它只是在状态2下最可能采取的最有利的动作的最大预期值，而在SARSA中它就是实际执行的动作的奖励值。
这意味着SARSA考虑到了赛车（游戏代理）移动的控制策略（由控制策略我们连续地执行了两步），并集成到它的动作值的更新中，而Q-learning只是假设一个最优策略被执行。不考虑所谓的最优而遵循一定的策略有时会是好事。
于是乎，在连续的情况下，我们使用了SARSA，Q值公式去掉了max，它还是递归的，只是去掉了'武断'的max，而包含了控制策略，不过它并没有在这个Q值公式里表现出来，在更新公式的迭代中可以体现出来：
Q(s_t, a_t) = R_{t+1}

Q值的更新公式从Q-learning的

Q-learning更新公式

变为

SARSA更新公式

所以，接着我们可以写出确定性策略a=μ(s)的梯度：
\frac{\partial L(\theta)}{\partial \theta} = E_{x\sim~p(x|\theta)}[\frac{\partial Q}{\partial \theta}]

然后应用高数中的链式法则：

它已经被证明（Silver el at. 2014）是策略梯度，即只要你按照上述的梯度公式来更新你的模型参数，你就会得到最大期望奖励。

补充

• Alberta大学课件Sarsa Q-Learning

• 一篇不错的国人博客： 增强学习——时间差分学习(Q learning, Sarsa learning)

• 区别辨析，直观易懂：Reinforcement Learning part 2: SARSA vs Q-learning

演员-评论家算法

演员-评论家算法本质上是策略梯度算法和值函数方法的混合算法。策略函数被称为演员，而价值函数被称为评论家。本质上，演员在当前环境的给定状态s下产生动作a，而评论家产生一个信号来批评演员做出的动作。这在人类世界中是相当自然的，其中研究生（演员）做实际工作，导师（评论家）批评你的工作来让你下一次做得更好：）。在我们的TORCS例子中，我们使用了SARSA作为我们的评论家模型，并使用策略梯度算法作为我们的演员模型。它们的关系如图：

关系图

回到之前的公式，我们将Q做近似代换，其中w是神经网络的权重。所以我们得到深度策略性梯度公式(DDPG)：
\frac{\partial L(\theta)}{\partial \theta} = \frac{\partial Q(s,a,w)}{\partial a}\frac{\partial a}{\partial \theta}

其中策略参数θ可以通过随机梯度上升来更新。
此外，还有我们的损失函数，与SARSA的Q函数迭代更新公式一致：
Loss = [r + \gamma Q (s^{'},a^{'}) - Q(s,a)]^{2}

Q值用于估计当前演员策略的值。
下图是演员-评论家模型的结构图：

演员-评论家结构图

Keras代码说明

演员网络

首先我们来看如何在Keras中构建演员网络。这里我们使用了2个隐藏层分别拥有300和600个隐藏单元。输出包括3个连续的动作。

1. 转方向盘。是一个单元的输出层，使用tanh激活函数（输出-1意味着最大右转，+1表示最大左转）

2. 加速。是一个单元的输出层，使用sigmoid激活函数（输出0代表不加速，1表示全加速）。

3. 刹车。是一个单元的输出层，也使用sigmoid激活函数（输出0表示不制动，1表示紧急制动）。

    def create_actor_network(self, state_size,action_dim):        print("Now we build the model")       S = Input(shape=[state_size])         h0 = Dense(HIDDEN1_UNITS, activation='relu')(S)       h1 = Dense(HIDDEN2_UNITS, activation='relu')(h0)       Steering = Dense(1,activation='tanh',init=lambda shape, name: normal(shape, scale=1e-4, name=name))(h1)         Acceleration = Dense(1,activation='sigmoid',init=lambda shape, name: normal(shape, scale=1e-4, name=name))(h1)         Brake = Dense(1,activation='sigmoid',init=lambda shape, name: normal(shape, scale=1e-4, name=name))(h1)         V = merge([Steering,Acceleration,Brake],mode='concat')                 model = Model(input=S,output=V)        print("We finished building the model")       return model, model.trainable_weights, S

我们使用了一个Keras函数Merge来合并三个输出层(concat参数是将待合并层输出沿着最后一个维度进行拼接)，为什么我们不使用如下的传统的定义方式呢：

V = Dense(3,activation='tanh')(h1)

使用3个不同的Dense()函数允许每个连续动作有不同的激活函数，例如，对加速使用tanh激活函数的话是没有意义的，tanh的输出是[-1,1]，而加速的范围是[0,1]。
还要注意的是，在输出层我们使用了μ = 0，σ = 1e-4的正态分布初始化来确保策略的初期输出接近0。

评论家网络

评论家网络的构造和上一篇的小鸟深Q网络非常相似。唯一的区别是我们使用了2个300和600隐藏单元的隐藏层。此外，评论家网络同时接受了状态和动作的输入。根据DDPG的论文，动作输入直到网络的第二个隐藏层才被使用。同样我们使用了Merge函数来合并动作和状态的隐藏层。

    def create_critic_network(self, state_size,action_dim):        print("Now we build the model")       S = Input(shape=[state_size])       A = Input(shape=[action_dim],name='action2')           w1 = Dense(HIDDEN1_UNITS, activation='relu')(S)       a1 = Dense(HIDDEN2_UNITS, activation='linear')(A)       h1 = Dense(HIDDEN2_UNITS, activation='linear')(w1)       h2 = merge([h1,a1],mode='sum')           h3 = Dense(HIDDEN2_UNITS, activation='relu')(h2)       V = Dense(action_dim,activation='linear')(h3)         model = Model(input=[S,A],output=V)       adam = Adam(lr=self.LEARNING_RATE)       model.compile(loss='mse', optimizer=adam)        print("We finished building the model")       return model, A, S

目标网络

有一个众所周知的事实，在很多环境（包括TORCS）下，直接利用神经网络来实现Q值函数被证明是不稳定的。Deepmind团队提出了该问题的解决方法——使用一个目标网络，在那里我们分别创建了演员和评论家网络的副本，用来计算目标值。这些目标网络的权重通过 让它们自己慢慢跟踪学习过的网络 来更新：
\theta^{'} \leftarrow \tau \theta + (1 - \tau) \theta^{'}

\tau即τ << 1。这意味着目标值被限制为慢慢地改变，大大地提高了学习的稳定性。
在Keras中实现目标网络时非常简单的：

    def target_train(self):       actor_weights = self.model.get_weights()       actor_target_weights = self.target_model.get_weights()        for i in xrange(len(actor_weights)):           actor_target_weights[i] = self.TAU * actor_weights[i] + (1 - self.TAU)* actor_target_weights[i]        self.target_model.set_weights(actor_target_weights)

主要代码

在搭建完神经网络后，我们开始探索ddpg.py主代码文件。
它主要做了三件事：

1. 接收数组形式的传感器输入

2. 传感器输入将被馈入我们的神经网络，然后网络会输出3个实数（转向，加速和制动的值）

3. 网络将被训练很多次，通过DDPG（深度确定性策略梯度算法）来最大化未来预期回报。

传感器输入

在TORCS中有18种不同类型的传感器输入，详细的说明在这篇文章中Simulated Car Racing Championship : Competition Software Manual。在试错后得到了有用的输入：

名称	范围 (单位)	描述
ob.angle	[-π,+π] (rad)	汽车方向和道路轴方向之间的夹角
ob.track	(0, 200) (m)	19个测距仪传感器组成的矢量，每个传感器返回200米范围内的车和道路边缘的距离
ob.trackPos	(-oo, +oo)	车和道路轴之间的距离，这个值用道路宽度归一化了：0表示车在中轴上，大于1或小于-1表示车已经跑出道路了
ob.speedX	(-oo, +oo) (km/h)	沿车纵向轴线的车速度(good velocity)
ob.speedY	(-oo, +oo) (km/h)	沿车横向轴线的车速度
ob.speedZ	(-oo, +oo) (km/h)	沿车的Z-轴线的车速度
ob.wheelSpinVel	(0,+oo) (rad/s)	4个传感器组成的矢量，表示车轮的旋转速度
ob.rpm	(0,+oo) (rpm)	汽车发动机的每分钟转速

请注意，对于某些值我们归一化后再馈入神经网络，并且有些传感器输入并没有暴露在gym_torcs中。高级用户需要修改gym_torcs.py来改变参数。（查看函数make_observaton()）

策略选择

现在我们可以使用上面的输入来馈入神经网络。代码很简单：

    for j in range(max_steps):       a_t = actor.model.predict(s_t.reshape(1, s_t.shape[0]))       ob, r_t, done, info = env.step(a_t[0])

然而，我们马上遇到两个问题。首先，我们如何确定奖励？其次，我们如何在连续的动作空间探索？

奖励设计

在原始论文中，他们使用的奖励函数，等于投射到道路轴向的汽车速度，即Vx*cos(θ)，如图：

但是，我发现训练正如原始论文中说的那样并不是很稳定。有些时候可以学到合理的策略并成功完成任务，有些时候则不然，并不能习得明智的策略。
我相信原因是，在原始的策略中，AI会尝试拼命踩油门油来获得最大的奖励，然后它会撞上路边，这轮非常迅速地结束。因此，神经网络陷入一个非常差的局部最小中。新提出的奖励函数如下：
R_t = V_x cos(\theta) - V_y sin(\theta) - V_x \mid trackPos \mid

简单说来，我们想要最大化轴向速度（第一项），最小化横向速度（第二项），并且我们惩罚AI如果它持续非常偏离道路的中心（第三项）。
这个新的奖励函数大幅提高了稳定性，降低了TORCS学习时间。

探索算法的设计

另一个问题是在连续空间中如何设计一个正确的探索算法。在上一篇文章中，我们使用了ε贪婪策略，即在某些时间片，我们尝试一个随机的动作。但是这个方法在TORCS中并不有效，因为我们有3个动作（转向，加速，制动）。如果我只是从均匀分布的动作中随机选取，会产生一些无聊的组合（例如：制动的值大于加速的值，车子根本就不会动）。所以，我们使用奥恩斯坦 - 乌伦贝克（Ornstein-Uhlenbeck）过程添加噪声来做探索。

Ornstein-Uhlenbeck处理

简单说来，它就是具有均值回归特性的随机过程。
dx_t = \theta (\mu - x_t)dt + \sigma dW_t

这里，θ反应变量回归均值有多快。μ代表平衡或均值。σ是该过程的波动程度。有趣的事，奥恩斯坦 - 乌伦贝克过程是一种很常见的方法，用来随机模拟利率，外汇和大宗商品价格。（也是金融定量面试的常见问题）。下表展示了在代码中使用的建议值。

Action	θ	μ	σ
steering	0.6	0.0	0.30
acceleration	1.0	[0.3-0.6]	0.10
brake	1.0	-0.1	0.05

基本上，最重要的参数是加速度μ，你想要让汽车有一定的初始速度，而不要陷入局部最小（此时汽车一直踩刹车，不再踩油门）。你可以随意更改参数来实验AI在不同组合下的行为。奥恩斯坦的 - 乌伦贝克过程的代码保存在OU.py中。
AI如果使用合理的探索策略和修订的奖励函数，它能在一个简单的赛道上在200回合左右学习到一个合理的策略。

经验回放

类似于深Q小鸟，我们也使用了经验回放来保存所有的阶段(s, a, r, s')在一个回放存储器中。当训练神经网络时，从其中随机小批量抽取阶段情景，而不是使用最近的，这将大大提高系统的稳定性。

        buff.add(s_t, a_t[0], r_t, s_t1, done)       # 从存储回放器中随机小批量抽取N个变换阶段 (si, ai, ri, si+1)        batch = buff.getBatch(BATCH_SIZE)       states = np.asarray([e[0] for e in batch])       actions = np.asarray([e[1] for e in batch])       rewards = np.asarray([e[2] for e in batch])       new_states = np.asarray([e[3] for e in batch])       dones = np.asarray([e[4] for e in batch])       y_t = np.asarray([e[1] for e in batch])       target_q_values = critic.target_model.predict([new_states, actor.target_model.predict(new_states)])    #Still using tf        for k in range(len(batch)):            if dones[k]:               y_t[k] = rewards[k]            else:               y_t[k] = rewards[k] + GAMMA*target_q_values[k]

请注意，当计算了target_q_values时我们使用的是目标网络的输出，而不是模型自身。使用缓变的目标网络将减少Q值估测的振荡，从而大幅提高学习的稳定性。

训练

神经网络的实际训练非常简单，只包含了6行代码：

        loss += critic.model.train_on_batch([states,actions], y_t)       a_for_grad = actor.model.predict(states)       grads = critic.gradients(states, a_for_grad)        actor.train(states, grads)       actor.target_train()       critic.target_train()

首先，我们最小化损失函数来更新评论家。
L = \frac{1}{N} \displaystyle\sum_{i} (y_i - Q(s_i,a_i | \theta^{Q}))^{2}

然后演员策略使用一定样本的策略梯度来更新
\nabla_\theta J = \frac{\partial Q^{\theta}(s,a)}{\partial a}\frac{\partial a}{\partial \theta}

回想一下，a是确定性策略：a=μ(s∣θ)
因此，它能被写作：
\nabla_\theta J = \frac{\partial Q^{\theta}(s,a)}{\partial a}\frac{\partial \mu(s|\theta)}{\partial \theta}

最后两行代码更新了目标网络
\theta^{Q^{'}} \leftarrow \tau \theta^{Q} + (1 - \tau) \theta^{Q^{'}} \theta^{\mu^{'}} \leftarrow \tau \theta^{\mu} + (1 - \tau) \theta^{\mu^{'}}

结果

为了测试策略，选择一个名为Aalborg的稍微困难的赛道，如下图：

Aalborg

神经网络被训练了2000个回合，并且令奥恩斯坦 - 乌伦贝克过程在100000帧中线性衰变。（即没有更多的开发在100000帧后被应用）。然后测试一个新的赛道（3倍长）来验证我们的神经网络。在其它赛道上测试是很重要的，这可以确认AI是否只是简单地记忆住了赛道（过拟合），而非学习到通用的策略。

Alpine

测试结果视频，赛道：Aalborg 与 Alpine。
结果还不错，但是还不理想，因为它还没太学会使用刹车。

学习如何刹车

事实证明，要求AI学会如何刹车比转弯和加速难多了。原因在于当刹车的时候车速降低，因此，奖励也会下降，AI根本就不会热心于踩刹车。另外， 如果允许AI在勘探阶段同时踩刹车和加速，AI会经常急刹，我们会陷入糟糕的局部最小解（汽车不动，不会受到任何奖励）。
所以如何去解决这个问题呢？不要急刹车，而是试着感觉刹车。我们在TORCS中添加随机刹车的机制：在勘探阶段，10%的时间刹车（感觉刹车），90%的时间不刹车。因为只在10%的时间里刹车，汽车会有一定的速度，因此它不会陷入局部最小（汽车不动），而同时，它又能学习到如何去刹车。
“随机刹车”使得AI在直道上加速很快，在快拐弯时适当地刹车。这样的行为更接近人类的做法。

总结和进一步的工作

我们成功地使用 Keras和DDPG来玩赛车游戏。尽管DDPG能学习到一个合理的策略，但和人学会开车的复杂机制还是有很大区别的，而且如果是开飞机这种有更多动作组合的问题，事情会复杂得多。
不过，这个算法还是相当给力的，因为我们有了一个对于连续控制的无模型算法，这对于机器人是很有意义的。

杂项

1. 要更换赛道，需要命令行输入 sudo torcs –> Race –> Practice –> Configure Race。

2. 关闭声音，需要命令行输入sudo torcs –> Options –> Sound –> Disable sound。

3. snakeoil3_gym.py是与TORCS服务器沟通的脚本。

参考

[1] Lillicrap, et al. Continuous control with Deep Reinforcement Learning
[2] @karpathy的Deep Reinforcement Learning: Pong from Pixels——理解策略梯度

其它

• Deep Learning Episode 3: Supercomputer vs Pong

作者的致谢

I thank to Naoto Yoshida, the author of the gym_torcs and his prompt reply on various TORCS setup issue. I also thank to @karpathy his great post Deep Reinforcement Learning: Pong from Pixels which really helps me to understand policy gradient. I thank to @hardmaru and @flyyufelix for their comments and suggestions.