GitHub - lucas-dolsan/csgo-mlp-classifier

Equipe

Lucas Dolsan

Problema

O problema deste trabalho trata-se da classificação do resultado de uma rodada de uma partida de Counter Strike: Global Offensive, sendo vitória do time "Counter-Terrorists" (CT) ou vitória do time "Terrorists" (TR).

Dataset

O dataset escolhido para o desenvolvimento deste classificador foi retirado do Kaggle, e é constituído em diversos snapshots do estado atual de uma partida de Counter Strike: Global Offensive.

Este é um screenshot de uma rodada em andamento.

Uma partida de CS:GO resulta num arquivo local na máquina de cada um dos 10 jogadores. O arquivo é um .dem (demo), que pode ser aberto em uma instância do jogo para assistir a partida jogada, ou exportado para ferramentas de terceiros para realizar parsing.

Existem diversas informações relevantes para determinar a qual time possui maior chance de vitória, aqui são algumas das colunas extraídas de uma rodada de uma partida.

Disponível em: https://www.kaggle.com/christianlillelund/csgo-round-winner-classification

Existem outras implementações de IA que conseguem prever resultados da conclusão de uma partida, alguns campeonatos frequentemente utilizam previsões em uma transmissão para dar mais informação para o público. Infelizmente não consegui encontrar muita informação a respeito da IA demonstrada abaixo:

O dataset em questão não leva em consideração uma infinidade de fatores importantes para a decisão final de uma rodada, um exemplo disto é justamente a imagem demonstrada acima, no qual a IA preveu uma chance de 5% de vitória, para o time TR, que no final das contas foi o time vitorioso desta rodada em questão.

o que é o Counter Strike:Global Offensive (CS:GO)

É um jogo online desenvolvido pela Valve. O jogo coloca duas equipes, Terroristas (TR) e Contra-Terroristas (CT), uma contra a outra em diferentes modos de jogo baseados em objetivos. O modo de jogo mais comum (contemplado por este dataset) envolve os Terroristas plantando uma bomba enquanto os Contra-Terroristas tentam detê-los.

Técnica

A técnica utilizada foi a de um classificador, implementado com uma estrutura Multi-Layer Perceptron, utilizando a biblioteca para aprendizado de machine learning Scikit Learn, implementada em Python.

O objetivo do classificador é conseguir indicar qual dos dois times (CT, TR) será o vencedor de uma rodada em questão, ou seja, o classificador desenvolvido nesse projeto é do tipo binário.

Existem inúmeras vantagens de se usar o Scikit Learn, especialmente para projetos que tem como objetivo o aprendizado na área de machine learning, pois existem inúmeras funções pré-implementadas, para pré-processamento, treinamento e métricas de avaliação, sem falar dos datasets incluídos diretamente na biblioteca.

A estrutura da rede em questão segue o seguinte modelo:

A camada de entrada possui um neurônio para cada característica de um registro do dataset, ou seja, para cada coluna do dataset, portanto são 96 neurônios de entrada.

Métricas de avaliação

    Definição binária para o classificador (relevantes para f1, especificidade, matriz de confusão, etc):
        - Resultado "positivo": Vitória do time CT
        - Resultado "negativo": Vitória do time TR

    accuracy: Acurácia
    precision: Precisão
    recall: Recall
    f1: F1 Score
    specificity: Especificidade
    cross_validation_score: Validação cruzada (kfold de 10 iterações)
    cross_validation_mean: Média da validação cruzada
    cross_validation_std: Desvio padrão da validação cruzada
    confusion_matrix_args: Matriz de confusão

Resultados obtidos

Foram realizados diversos experimentos, modificando uma série de parâmetros diferentes. O treinamento foi baseado em um conjunto de parâmetros, a maior parte deles são os valores padrões do MLPClassifier do SKLearn.

Os experimentos realizados foram feitos em grupos, nessa sequência:

Camadas ocultas
Funções de ativação
Otimizações (Solvers)
Tamanhos de lote

Ao finalizar um grupo de testes, a combinação de parâmetros que resultou nas melhores métricas, será preservada ao avançar para o próximo grupo de testes.

Todos os testes foram realizados utilizando o mesmo computador, que possui a seguinte configuração.

    OS: Debian GNU/Linux 11 (bullseye) x86_64 
    Kernel: 5.10.0-10-amd64 
    DE: Xfce 4.16 
    CPU: Intel i5-8600K (6 cores) @ 4.10GHz 
    RAM: 16GB DDR4 
    Python v3.9.2

Melhor resultado (v14-full_dataset)

A melhor versão encontrada, entre todos os grupos de teste, foi a v14-full_dataset.

Essa configuração está no primeiro grupo de testes, todos os testes realizados posteriormente,

não resultaram em nenhuma melhoria significativa.

Camadas ocultas:

Configurações utilizadas:

Uma camada oculta, com 30 neurônios (v0-full_dataset);

"accuracy": 0.77,
"precision": 0.77,
"recall": 0.79,
"f1": 0.77,
"specificity": 0.79,
"cross_validation_score": [
    0.75, 0.76, 0.75,
    0.75, 0.75, 0.76,
    0.75, 0.75, 0.76,
    0.75
],
"cross_validation_mean": 0.76,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [15657, 4115],
    [5068, 15556]
]

Uma camada oculta, com 180 neurônios (v1-full_dataset);

"accuracy": 0.81,
"precision": 0.81,
"recall": 0.81,
"f1": 0.81,
"specificity": 0.81,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.78, 0.76,
    0.77, 0.78, 0.76,
    0.76, 0.78, 0.76,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [15962, 3818],
    [3735, 16881]
]

Uma camada oculta, com 60 neurônios (v2-full_dataset);

"accuracy": 0.79,
"precision": 0.79,
"recall": 0.8,
"f1": 0.79,
"specificity": 0.8,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.76, 0.75,
    0.75, 0.76, 0.76,
    0.75, 0.77, 0.75,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.76,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [15891, 3864],
    [4623, 16018]
]

Uma camada oculta, com 120 neurônios (v3-full_dataset);

"accuracy": 0.8,
"precision": 0.8,
"recall": 0.78,
"f1": 0.79,
"specificity": 0.78,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.77, 0.78,
    0.77, 0.77, 0.76,
    0.77, 0.76, 0.76,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [15379, 4434],
    [3679, 16904]
]

Uma camada oculta, com 90 neurônios (v4-full_dataset);

"accuracy": 0.79,
"precision": 0.79,
"recall": 0.8,
"f1": 0.79,
"specificity": 0.8,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.77, 0.76,
    0.77, 0.76, 0.76,
    0.76, 0.77, 0.77,
    0.75
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [15931, 3939],
    [4353, 16173]
]

Uma camada oculta, com 180 neurônios (v5-full_dataset);

"accuracy": 0.79,
"precision": 0.8,
"recall": 0.83,
"f1": 0.8,
"specificity": 0.83,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.76, 0.77,
    0.76, 0.76, 0.76,
    0.77, 0.76, 0.78,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16416, 3333],
    [5027, 15620]
]

Uma camada oculta, com 100 neurônios (v6-full_dataset);

"accuracy": 0.78,
"precision": 0.78,
"recall": 0.79,
"f1": 0.78,
"specificity": 0.79,
"cross_validation_score": [
    0.74, 0.75, 0.76,
    0.74, 0.76, 0.75,
    0.75, 0.74, 0.76,
    0.75
],
"cross_validation_mean": 0.76,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [15589, 4194],
    [4722, 15891]
]

Duas camadas ocultas, com 30 e 30 neurônios respectivamente; (v7-full_dataset);

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.82,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.82,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.78, 0.78,
    0.77, 0.78, 0.77, 0.78,
    0.77, 0.79, 0.79
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16190, 3604],
    [3229, 17373]
]

Duas camadas ocultas, com 180 e 30 neurônios respectivamente; (v8-full_dataset);

"accuracy": 0.8,
"precision": 0.8,
"recall": 0.8,
"f1": 0.8,
"specificity": 0.8,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.76, 0.76,
    0.76, 0.76, 0.75,
    0.76, 0.75, 0.76,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.76,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [15800, 3933],
    [4008, 16655]
]

Duas camadas ocultas, com 120 e 30 neurônios respectivamente; (v9-full_dataset);

"accuracy": 0.81,
"precision": 0.82,
"recall": 0.85,
"f1": 0.82,
"specificity": 0.85,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.78, 0.77, 0.775,
    0.77, 0.77, 0.77,
    0.77, 0.76, 0.76
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16928, 2980],
    [4543, 15945]
]

Duas camadas ocultas, com 90 e 30 neurônios respectivamente; (v10-full_dataset);

"accuracy": 0.81,
"precision": 0.81,
"recall": 0.79,
"f1": 0.8,
"specificity": 0.79,
"cross_validation_score": [
    0.76, 0.76, 0.77,
    0.77, 0.76, 0.77,
    0.77, 0.76, 0.76,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [15533, 4138],
    [3689, 17036]
]

Duas camadas ocultas, com 100 e 30 neurônios respectivamente; (v11-full_dataset);

"accuracy": 0.81,
"precision": 0.81,
"recall": 0.81,
"f1": 0.81,
"specificity": 0.81,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.76, 0.75,
    0.76, 0.77, 0.76,
    0.78, 0.77, 0.78,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16082, 3869],
    [3786, 16659]
]

Duas camadas ocultas, com 90 e 30 neurônios respectivamente; (v12-full_dataset);

"accuracy": 0.81,
"precision": 0.82,
"recall": 0.76,
"f1": 0.8,
"specificity": 0.76,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.77, 0.78,
    0.78, 0.77, 0.78,
    0.77, 0.78, 0.79,
    0.78
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [15059, 4857],
    [2692, 17788]
]

Duas camadas ocultas, com 150 e 50 neurônios respectivamente; (v13-full_dataset);

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.84,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.78, 0.80, 0.77,
    0.78, 0.79, 0.77,
    0.79, 0.77, 0.78,
    0.78
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16710, 3134],
    [3605, 16947]
]

Duas camadas ocultas, com 150 e 80 neurônios respectivamente; (v14-full_dataset);

Esta foi a melhor configuração encontrada.

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.84,
"f1": 0.84,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.78, 0.78,
    0.78, 0.79, 0.79,
    0.79, 0.77, 0.77,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16654, 3077],
    [3422, 17243]
]

Duas camadas ocultas, com 120 e 30 neurônios respectivamente; (v15-full_dataset);

"accuracy": 0.82,
"precision": 0.82,
"recall": 0.82,
"f1": 0.81,
"specificity": 0.82,
"cross_validation_score": [
    0.78, 0.77, 0.78,
    0.77, 0.77, 0.76,
    0.78, 0.78, 0.75,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16221, 3463],
    [3945, 16767]
]

Duas camadas ocultas, com 120 e 50 neurônios respectivamente; (v16-full_dataset);

"accuracy": 0.82,
"precision": 0.82,
"recall": 0.82,
"f1": 0.82,
"specificity": 0.82,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.78, 0.77,
    0.76, 0.77, 0.79,
    0.79, 0.77, 0.77,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16419, 3488],
    [3652, 16837]
]

Duas camadas ocultas, com 165 e 45 neurônios respectivamente; (v17-full_dataset);

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.84,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.78, 0.78, 0.79,
    0.78, 0.78, 0.77,
    0.78, 0.78, 0.77,
    0.78
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16483, 3229],
    [3288, 17396]
]

A melhor configuração de camadas ocultas encontrada foi a configuração utilizada na versão v14-full_dataset.

Funções de ativação

A melhor configuração encontrada no grupo de testes anterior, será definida como base para o próximo grupo de testes.

Tangente hiperbólica tanh (v18-full_dataset)

f(x) = tanh(x)

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.82,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.82,
"cross_validation_score": [
    0.78, 0.79, 0.79,
    0.79, 0.78, 0.79,
    0.79, 0.78, 0.78,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [16226, 3541],
    [3330, 17299]
]

Função identidade (sem ativação) identity (v19-full_dataset)

f(x) = x

"accuracy": 0.75,
"precision": 0.75,
"recall": 0.75,
"f1": 0.75,
"specificity": 0.75,
"cross_validation_score": [
    0.74, 0.74, 0.74,
    0.74, 0.74, 0.75,
    0.75, 0.74, 0.74,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.75,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [14903, 4859],
    [5253, 15381]
]

Função sigmoide logistic (v20-full_dataset)

f(x) = 1 / (1 + exp(-x))

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.83,
"f1": 0.82,
"specificity": 0.83,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.77, 0.76,
    0.77, 0.76, 0.76,
    0.75, 0.76, 0.76,
    0.76
],
"cross_validation_mean": 0.77,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16453, 3383],
    [3602, 16958]
]

ReLU relu (v14-full_dataset);

f(x) = max(0, x)

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.84,
"f1": 0.84,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.78, 0.78,
    0.78, 0.79, 0.79,
    0.79, 0.77, 0.77,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16654, 3077],
    [3422, 17243]
]

Em todos os testes realizados, marginalmente, o melhor resultado foi com a função reLU, que é a função de ativação padrão, utilizada anteriormente. Portanto, a versão v14-full_dataset manteve-se a melhor.

Otimizações (Solvers)

Limited-memory BFGS lbfgs (v21-full_dataset.aborted)

Mostrou-se extremamente lento para solução desse problema em específico, inviabilizando seu uso.
Treinamento foi abortado após um período de aproximadamente 3 horas, nenhuma métrica foi obtida.

Stochastic Gradient Descent sgd (v22-full_dataset)

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.83,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.83,
"cross_validation_score": [
    0.77, 0.78, 0.77,
    0.77, 0.77, 0.76,
    0.78, 0.78, 0.78,
    0.77
],
"cross_validation_mean": 0.78,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16509, 3325],
    [3678, 16884]
]

Stochastic Gradient Descent with Adaptive Moment Estimation adam (v14-full_dataset);

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.84,
"f1": 0.84,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.78, 0.78,
    0.78, 0.79, 0.79,
    0.79, 0.77, 0.77,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16654, 3077],
    [3422, 17243]
]

Em todos os testes realizados, marginalmente, o melhor resultado foi com o solver adam, que é o solver padrão, utilizada anteriormente. Portanto, a versão v14-full_dataset permance como a melhor.

Tamanhos de lote

batch-size = 500

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.81,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.81,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.79, 0.78,
    0.79, 0.78, 0.79,
    0.77, 0.78, 0.78,
    0.78
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16066, 3678],
    [2925, 17727]
]

batch-size = 100

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.86,
"f1": 0.84,
"specificity": 0.86,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.79, 0.79,
    0.79, 0.79, 0.78,
    0.79, 0.79, 0.78,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [16937, 2722],
    [3799, 16938]
]

batch-size = 350

"accuracy": 0.83,
"precision": 0.83,
"recall": 0.77,
"f1": 0.82,
"specificity": 0.77,
"cross_validation_score": [
    0.79, 0.79, 0.79,
    0.78, 0.79, 0.78,
    0.79, 0.79, 0.79,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [15261, 4449],
    [2422, 18264]
]

batch-size = 200

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.83,
"f1": 0.83,
"specificity": 0.83,
"cross_validation_score": [
    0.78, 0.78, 0.78,
    0.78, 0.78, 0.79,
    0.78, 0.78, 0.79,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.0,
"confusion_matrix_args": [
    [16443, 3352],
    [3197, 17404]
]

batch-size = 50

"accuracy": 0.84,
"precision": 0.84,
"recall": 0.84,
"f1": 0.84,
"specificity": 0.84,
"cross_validation_score": [
    0.81, 0.79, 0.78,
    0.78, 0.79, 0.79,
    0.78, 0.80, 0.78,
    0.79
],
"cross_validation_mean": 0.79,
"cross_validation_std": 0.01,
"confusion_matrix_args": [
    [16610, 3226],
    [3148, 17412]
]

Em todos os testes realizados, os resultados variaram marginalmente, portanto conclui-se que, nas configurações atuais, e para este problema específico, o tamanho de lote não implica em nenhuma mudança significativa no aprendizado do classificador.

Conclusão

Por coincidência ou por mérito dos desenvolvedores do sklearn, ou ambos - os parâmetros padrão definidos para o MLPClassifier mostraram-se em grande parte, os melhores encontrados para o problema em questão, com exceção da configuração de camadas ocultas, encontrada na 14ª iteração da primeira bateria de testes. O restante das permutações de parâmetros realizadas nas baterias de testes subsequentes obtiveram resultados piores, ou extremamente similares aos resultados encontrado pela combinação de parâmetros da versão 14.

A respeito do problema em questão: CS:GO é um jogo que pode ser levado a um alto nível de complexidade estratégica e técnica, mas que não deixa de seguir premissas muito simples. O dataset, apesar de possuir 96 colunas com características diferentes para uma rodada em questão, não leva em consideração uma infinidade de outros fatores, em especial os fatores da habilidade e sorte de cada jogador, e o quão grande é a influência de um único indivíduo é para uma partida, quem dirá para uma única rodada.

Isto posto, concluo que minha implementação sem dúvida não encontrou o melhor resultado possível, e que uma combinação de diferentes parâmetros, ou outro método inteiramente diferente de um MLP resultariam em um modelo com melhor desempenho para o dataset utilizado. Porém, com o dataset selecionado, não acredito que os resultados seriam substancialmente melhores, devido as características inerentes do problema em questão.

Instruções de uso do software

Instale as dependências:

Instale o Python (versão utilizada durante o desenvolvimento: Python 3.9.2)
Instale o pip (Versão utilizada durante o desenvolvimento: Pip 20.3.4)
Instale as bibliotecas utilizadas: pip install pandas numpy matplotlib sklearn

Para treinar/testar um classificador, execute o comando: python3 src/main.py

Os modelos treinados serão escritos para o diretório versions/ dentro de um diretório com o nome da versão em questão, que por sua vez contém:

um arquivo .pkl, que é uma versão serializada do modelo treinado;
um arquivo parameters.json, que contém a combinação de parâmetros usados no treinamento do modelo;
e um arquivo metrics.json, que contém os resultados do desempenho do modelo em questão.

Treinamento

O arquivo src/config.py define configurações amplas para a execução do sistema, cada parâmetro contigo neste artigo contém um comentário acima descrevendo seu uso.
O arquivo src/default_training_parameters.py define os parâmetros padrão do MLPClassifier, especificados pela documentação do SKLearn
O arquivo src/training/training_parameters.py define quais são os parâmetros de treinamento que sejam diferentes dos parâmetros padrão.
O arquivo src/training/training_plan.py define uma combinação de diferentes parâmetros de treinamento, modificando apenas os parametros especificados em cada dict do array, o restante, permanecerão com os mesmos parâmetros, definidos no arquivo src/training/training_parameters.py
```
from training.training_parameters import parameters

training_plan = [
{
    **parameters,
    "hidden_layers": (100, 50),
},
    {
    **parameters,
    "hidden_layers": (50, 50),
}
```
Dataset

Atualmente existem três versões diferentes do dataset original baixado do Kaggle:
- small_dataset.csv: Uma versão curta do dataset original;
- medium_dataset.csv: Uma versão média do dataset original;
- full_dataset.csv: O Próprio dataset original;
Todos os resultados encontrados na implementação desse trabalho foram encontrados usando o dataset original.

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Name		Name	Last commit message	Last commit date
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datasets		datasets
experiments		experiments
screenshots		screenshots
src		src
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.gitignore		.gitignore
README.md		README.md

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