游戏AI开发实战：第3版

5星 · 超过95%的资源需积分: 50 194 浏览量更新于2024-07-17 1 收藏 55.69MB PDF 举报

"AI for Games 3rd Edition" 是一本关于将人工智能应用于游戏开发的专业书籍，由Ian Millington撰写。本书是全面的专业教程和参考指南，旨在帮助游戏行业专业人士跟上不断发展的技术进步，并为学生提供最新的游戏AI知识，以启动他们的职业生涯。第三版已更新，涵盖了新的技术和AI进步，包括新的技巧、算法、数据结构和表示方法，以在游戏中创建强大的AI。关键特点： 1. 全面覆盖：这本书提供了一个综合性的教程和参考，详细介绍了如何在实际游戏中实施人工智能。 2. 强化理解：新增练习题，读者可以测试对所学概念和实践的理解。 3. 最新技术：更新了内容以涵盖最新的AI技术和进展。 4. 完整流程：引导读者完整地经历游戏AI开发过程。 5. 代码资源：配套网站提供可下载和执行的源代码，作者会定期更新。本书详细讨论了游戏AI的多个方面，可能包括但不限于以下知识点： 1. **基础理论**：介绍AI的基础概念，如搜索算法（如A*搜索）、决策理论和机器学习的基本原理。 2. **行为建模**：讨论如何用AI来模拟游戏角色的行为，包括有限状态机（FSM）、行为树（Behavior Trees）等设计模式。 3. **智能体设计**：讲解如何构建具有自主决策能力的游戏角色或NPC，涉及路径规划、目标定位和环境感知。 4. **机器学习应用**：探讨深度学习、强化学习等机器学习方法在游戏中的应用，如自学习游戏AI和玩家行为分析。 5. **多人在线游戏（MMO）AI**：处理大规模并发玩家的挑战，如动态负载平衡和协作式AI。 6. **游戏中的数据分析**：介绍如何利用玩家数据改进AI，包括数据收集、分析和预测模型。 7. **优化与性能**：讨论如何在保持AI智能的同时，优化性能以适应各种游戏平台。 8. **道德与伦理**：随着AI在游戏中的应用增加，书中可能也会触及AI决策的道德和伦理问题。通过本书，读者不仅可以学习到AI理论，还能获得实践经验，通过提供的源代码加深理解。对于游戏开发者、AI研究人员以及对游戏AI感兴趣的学者来说，这是一份宝贵的资源。

CONTENTS xv

7.8 Articial Neural Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642

7.8.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643

7.8.2 e Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646

7.8.3 e Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647

7.8.4 Pseudo-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651

7.8.5 Data Structures and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

7.8.6 Implementation Caveats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

7.8.7 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

7.8.8 Other Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

7.9 Deep Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660

7.9.1 What is Deep Learning? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660

7.9.2 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

CHAPTER

PROCEDURAL CONTENT GENERATION 669

8.1 Pseudorandom Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670

8.1.1 Numeric Mixing and Game Seeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671

8.1.2 Halton Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672

8.1.3 Phyllotaxic Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675

8.1.4 Poisson Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676

8.2 Lindenmayer Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

8.2.1 Simple L-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

8.2.2 Adding Randomness to L-systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684

8.2.3 Stage-Specic Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686

8.3 Landscape Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687

8.3.1 Modiers and Height-Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688

8.3.2 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689

8.3.3 Perlin Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689

8.3.4 Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692

8.3.5 ermal Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694

8.3.6 Hydraulic Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696

8.3.7 Altitude Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701

8.4 Dungeons and Maze Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705

8.4.1 Mazes by Depth First Backtracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705

8.4.2 Minimum Spanning Tree Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716

8.4.3 Recursive Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721

8.4.4 Generate and Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727

8.5 Shape Grammars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727

8.5.1 Running the Grammar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730

8.5.2 Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733

xvi CONTENTS

CHAPTER

BOARD GAMES 741

9.1 Game eory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

9.1.1 Types of Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

9.1.2 e Game Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744

9.2 Minimaxing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

9.2.1 e Static Evaluation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

9.2.2 Minimaxing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749

9.2.3 e Minimaxing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750

9.2.4 Negamaxing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753

9.2.5 AB Pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755

9.2.6 e AB Search Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759

9.2.7 Negascout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761

9.3 Transposition Tables and Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764

9.3.1 Hashing Game States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764

9.3.2 What to Store in the Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767

9.3.3 Hash Table Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768

9.3.4 Replacement Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769

9.3.5 A Complete Transposition Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770

9.3.6 Transposition Table Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771

9.3.7 Using Opponent’s inking Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771

9.4 Memory-Enhanced Test Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772

9.4.1 Implementing Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772

9.4.2 e MTD Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774

9.4.3 Pseudo-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775

9.5 Monte Carlo Tree Search (MCTS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776

9.5.1 Pure Monte Carlo Tree Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776

9.5.2 Adding Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782

9.6 Opening Books and Other Set Plays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783

9.6.1 Implementing an Opening Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783

9.6.2 Learning for Opening Books . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784

9.6.3 Set Play Books . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785

9.7 Further Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785

9.7.1 Iterative Deepening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786

9.7.2 Variable Depth Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787

9.8 Game Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788

9.8.1 Creating a Static Evaluation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791

9.8.2 Learning the Static Evaluation Function . . . . . . . . . . . . . . . . 794

9.9 Turn-Based Strategy Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797

9.9.1 Impossible Tree Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798

9.9.2 Real-Time AI in a Turn-Based Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799

CONTENTS xvii

PART III

Supporting Technologies 801

CHAPTER

EXECUTION MANAGEMENT 803

10.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804

10.1.1 e Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804

10.1.2 Interruptible Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811

10.1.3 Load-Balancing Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814

10.1.4 Hierarchical Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816

10.1.5 Priority Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818

10.2 Anytime Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820

10.3 Level of Detail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821

10.3.1 Graphics Level of Detail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821

10.3.2 AI LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822

10.3.3 Scheduling LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823

10.3.4 Behavioral LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824

10.3.5 Group LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829

10.3.6 In Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833

CHAPTER

WORLD INTERFACING 835

11.1 Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836

11.1.1 Polling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836

11.1.2 Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837

11.1.3 Determining Which Approach to Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838

11.2 Event Managers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838

11.2.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841

11.2.2 Event Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843

11.2.3 Inter-Agent Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846

11.3 Polling Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846

11.3.1 Pseudo-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847

11.3.2 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848

11.3.3 Implementation Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848

11.3.4 Abstract Polling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848

11.4 Sense Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849

11.4.1 Faking It . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850

11.4.2 What Do We Know? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851

11.4.3 Sensory Modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852

11.4.4 Region Sense Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857

11.4.5 Finite Element Model Sense Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865

xviii CONTENTS

CHAPTER

TOOLS AND CONTENT CREATION 875

12.0.1 Toolchains Limit AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876

12.0.2 Where AI Knowledge Comes From . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876

12.1 Knowledge for Pathnding and Waypoints . . . . . . . . . . . . . . . 877

12.1.1 Manually Creating Region Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877

12.1.2 Automatic Graph Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880

12.1.3 Geometric Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880

12.1.4 Data Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884

12.2 Knowledge for Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886

12.2.1 Obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886

12.2.2 High-Level Staging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888

12.3 Knowledge for Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

12.3.1 Object Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

12.3.2 Concrete Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

12.4 e Toolchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890

12.4.1 Integrated Game Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890

12.4.2 Custom Data-Driven Editors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893

12.4.3 AI Design Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894

12.4.4 Remote Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895

12.4.5 Plug-Ins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896

CHAPTER

PROGRAMMING GAME AI 901

13.1 Implementation Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902

13.1.1 C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903

13.1.2 C# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904

13.1.3 Swi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905

13.1.4 Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906

13.1.5 JavaScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908

13.2 Scripted AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909

13.2.1 What Is Scripted AI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910

13.2.2 What Makes a Good Scripting Language? . . . . . . . . . . . . . . . 911

13.2.3 Embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913

13.2.4 Choosing an Open Source Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913

13.2.5 A Language Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914

13.3 Creating a Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919

13.3.1 Rolling Your Own . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921

CONTENTS xix

PART IV

Designing Game AI 927

CHAPTER

DESIGNING GAME AI 929

14.1 e Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929

14.1.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931

14.1.2 Evaluating the Behaviors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931

14.1.3 Selecting Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934

14.1.4 e Scope of One Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936

14.2 Shooters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937

14.2.1 Movement and Firing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937

14.2.2 Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 939

14.2.3 Perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 940

14.2.4 Pathnding and Tactical AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941

14.2.5 Shooter-Like Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942

14.2.6 Melee Combat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943

14.3 Driving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946

14.3.1 Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946

14.3.2 Pathnding and Tactical AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949

14.3.3 Driving-Like Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950

14.4 Real-Time Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950

14.4.1 Pathnding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950

14.4.2 Group Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951

14.4.3 Tactical and Strategic AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952

14.4.4 Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953

14.4.5 MOBAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954

14.5 Sports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955

14.5.1 Physics Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956

14.5.2 Playbooks and Content Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956

14.6 Turn-Based Strategy Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956

14.6.1 Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957

14.6.2 Helping the Player . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 958

CHAPTER

AI-BASED GAME GENRES 959

15.1 Teaching Characters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960

15.1.1 Representing Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960

15.1.2 Representing the World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961

15.1.3 Learning Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961

15.1.4 Predictable Mental Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963

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游戏AI开发实战：第3版

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