游戏AI之决策结构—行为树

游戏AI的决策部分是比较重要的部分,游戏程序的老前辈们留下了两种经过考验的用于AI决策的结构:

  • 有限状态机
  • 行为树

在以前,游戏AI的实现基本都是有限状态机,
随着游戏的进步,游戏AI的复杂性要求越来越高,传统的有限状态机实现很难维护越来越复杂的AI需求。
现代游戏AI都比较偏向采用行为树作为决策结构。

有限状态机


有限状态机的一般实现是将每个状态写成类,再用一个载体(也就是所谓的状态机)管理这些状态的切换。

关于状态机设计模式的具体介绍,可参考我的另一篇博文:https://www.cnblogs.com/KillerAery/p/9680303.html

有限状态机的缺陷:

  • 各个状态类之间互相依赖很严重,耦合度很高。
  • 结构不灵活,可扩展性不高,难以脚本化/可视化。

行为树


可以看到,行为树由一个个节点组成

  • 结构:树状结构
  • 运行流程:从根节点开始自顶向下往下遍历,每经过一个节点就执行节点对应的功能。

我们规定,每个节点都提供自己的excute函数,返还执行失败/成功结果。
然后根据不同节点的执行结果,遍历的路径随之改变,而这个过程中遍历到什么节点就执行excute函数。

//节点类(基类)
class Node{
  //...
public:
  virtual bool excute() = 0;      //执行函数,返还 成功/失败
  //...
};

主流的行为树实现,将节点主要分为四种类型。
下面列举四种节点类型及其对应excute函数的行为:

  • 控制节点(非叶节点),行为是控制遍历路径的走向。
  • 条件节点(叶节点),行为是提供条件的判断结果。
  • 行为节点(叶节点):行为是执行智能体的行为。
  • 装饰节点 :行为是修饰(辅助)其他三类节点。

行为树 控制节点


控制节点是用于控制如何执行子节点(控制遍历路径的走向)。

由于非叶节点的特性,其需要提供容纳子节点的容器和添加子节点的函数。
所以先写好非叶节点的类:

class NonLeafNode : public Node {
	std::vector<Node*> children;    //子节点群
public:
	void addChild(Node*);           //添加子节点
	virtual bool excute() = 0;      //执行函数,返还 成功/失败
};

下面列出一些控制节点的介绍:

选择节点(Selector)

按顺序执行多个子节点,若成功执行一个子节点,则不继续执行下一个子节点。

举例:实现要不攻击,要不防御,要不逃跑。
用一个选择节点,按顺序添加<攻击节点>和<防御节点>和<逃跑节点>作为子节点。

class SelectorNode : public NonLeafNode{
public:
  virtual bool excute()override{
  	for(auto child : children){
  		//如果有一个子节点执行成功,则跳出
  		if(child->excute() == true){break;}
  	}
  	return true;
  }
};

顺序节点(Sequence)

按顺序执行多个子节点,若遇到一个子节点不能执行,则不继续执行下一个子节点。

举例:实现先开门再移动到房子里。
用一个顺序节点,按顺序添加<开门节点>和<移动节点>作为子节点。

class SequenceNode : public NonLeafNode{
public:
  virtual bool excute()override{
  	for(auto child : children){
  		//如果有一个子节点执行失败,则跳出
  		if(child->excute() == false){break;}
  	}
  	return true;
  }
};

并行节点(Parallel)

同时执行多个节点。

举例:一边说话和一边走路。
用一个并行节点,添加<说话节点>和<走路节点>作为子节点。

class ParallelNode : public NonLeafNode{
public:
  virtual bool excute()override{
  	//执行所有子节点
  	for(auto child : children){
  		child->excute();
  	}
  	return true;
  }
};

常用的控制节点一般是<并行节点><选择节点><并行节点>。当然还有其他更多控制节点种类(不常用):

  • 随机选择节点(随机执行一个子节点)。例如偶尔闲逛,偶尔停下来发呆。
  • 随机顺序节点(随机顺序执行若干个子节点)
  • 次数限制节点(只允许执行若干次)
  • 权值选择节点(执行权值最高的子节点)
  • 等等..

可能到这里,有想到还有个问题:为什么控制节点也需要提供(执行成功/执行失败)两种执行结果。
答:这样做就可以做到决策的复合——控制节点不仅可以控制行为节点,也能控制控制节点。

行为树 条件节点


前提条件

执行节点不会总是一帆风顺的,有成功也总会有失败的结果。
这就是引入前提条件的作用——
满足前提条件,才能成功执行行为,返还执行成功结果。否则不能执行行为,返还执行失败结果。

但是每个节点的前提总会不同,或有些没有前提(换句话说总是能满足前提)。

一个可行的做法是:让行为节点含有bool函数对象(或函数接口)。这样对于不同的逻辑条件,就可以写成不同的bool函数,绑定给相应的行为节点。

	std::function<bool()> condition;	//前提条件

现在比较成熟的做法是把前提条件抽象分离成新的节点类型,称之为条件节点
将其作为叶节点混入行为树,提供条件的判断结果,交给控制节点决策。

它相当模块化,更加方便适用。

这里的Sequence节点是上面控制节点的一种:能够让其所有子节点依次运行,若运行到其中一个子节点失败则不继续往下运行。
这样可以实现出不满足条件则失败的效果。

class ConditionNode : public Node {
	std::function<bool()> condition; 	//前提条件
public:
		virtual bool excute()override {
		return condition();
	}
};

行为树 行为节点


行为节点是代表智能体行为的叶节点,其执行函数一般位该节点代表的行为。

行为节点的类型是比较多的,毕竟一个智能体的行为是多种多样的,而且都得根据自己的智能体模型定制行为节点类型。
这里列举一些行为:站立,射击,移动,跟随,远离,保持距离....

持续行为

一些行为是可以瞬间执行完的(例如转身?),
而另外一些动作则是执行持续一段时间才能完成的(例如攻击从启动攻击行为到攻击结算要1秒左右的时间)。

因此,这些持续行为节点的excute函数里,应先启动智能体的持续行为,然后挂起该行为树(更通俗地说是暂停行为树),等到持续时间结束才允许退出excute函数并继续遍历该行为树。
为了支持挂起行为树而不影响其他CPU代码执行,我们往往需要利用协程等待该其行为完成而不产生CPU阻塞,而且开销远低于真正的线程。
此外,一般是一个行为树对应维护一个协程。

不了解协程是什么,可以参考下我的Unity协程笔记:Unity C#笔记 协程 - KillerAery - 博客园

行为节点示例实现

//行为节点类(基类)
class BehaviorNode : public Node{
public:
	virtual bool excute() = 0;			//执行节点
};
//举例:移动行为节点
class MoveTo : public BehaviorNode{
public:
	virtual bool excute()override{
		...  //让智能体启动移动行为
    ...  //协程暂时挂起直到持续时间结束
		return true;
	}
};

行为树 装饰节点


装饰节点,顾名思义,是用来修饰(辅助)的节点。

例如执行结果取反/并/或,重复执行若干次等辅助修饰节点的作用,均可做成装饰节点。

//取反节点
class InvertNode : public OneChildNonLeafNode{
public:
  virtual bool excute()override{
  		return !child->excute();
  }
};
//重复执行次数节点
class CountNode : public OneChildNonLeafNode{
  int count;
public:
  virtual bool excute()override{
      while(--count){
        if(child->excute() == false)return false;
      }
  		return true;
  }
};

OneChildNonLeafNode是指最多可拥有一个子节点的非叶节点类,这里就不做具体实现。

总结


到这里,我们可以看到行为树的本质:

  • 把所有行为(走,跑,打,站等等)分离出来作为各种行为节点
  • 然后以不同的控制节点,条件节点,装饰节点将这些行为复合在一起,组合成一套复杂的AI。

相比较传统的有限状态机:

  • 易脚本化/可视化的决策逻辑
  • 逻辑和实现的低耦合,可复用的节点
  • 可以迅速而便捷的组织较复杂的行为决策

这里并不是说有限状态机一无所用:

  • 状态机可以搭配行为树:状态机负责智能体的身体状态,行为树则负责智能体的智能决策。这样在行为树做决策前,得考虑状态机的状态。
  • 状态机适用于简单的AI:对于区区需两三个状态的智能,状态机解决绰绰有余。
  • 状态机运行效率略高于行为树:因为状态机的运行总是在当前状态开始,而行为树的运行总在根开始,这样就额外多了一些要遍历的节点(也就多了一些运行开销)。

在《杀手:赦免》的人群系统里,人群的状态机AI只有简单的3种状态,由于人群的智能体数量较多,若采取行为树AI,则会大大影响性能。

简而言之:行为树是适合复杂AI的解决方案。

  • 对于Unity用户,Unity商店现在已经有一个比较完善的行为树设计(Behavior Designer)插件可供购买使用。

Unity官方商店插件购买地址:Behavior Designer - Behavior Trees for Everyone - Asset Store

  • Unreal4用户则可以免费使用引擎自带的行为树

额外


  • 可让根节点记录该AI要操控的智能体引用(指针),每次进行决策,传给子节点当前要操控的智能体引用。这样就可以使AI行为树容易改变寄主。
    (例如1个丧尸死了被释放内存了,寄生它的AI行为树不必释放并标记为可用。一旦产生新的丧尸,就可以给这个行为树根节点更换新的寄主,标记再改回来)

  • 得益于树状结构,重复执行次数节点(或其他类似的节点),可以让它执行完相应的次数后,解开与父节点的连接,释放自己以及自己的子节点。

  • 共享节点型行为树是可供多个智能体共用的一种行为树,是节省内存的一种设计:http://www.aisharing.com/archives/563

  • LOD优化技术:LOD原本是3D渲染的优化技术。对于远处的物体,渲染面数可以适当减少,对于近处的物体,则需要适当增加细节渲染面数。
    同样的可以用于AI上,对于远处的AI,不需要精准每帧执行,可以适当延长到每若干帧执行。

一个武装小队队员的AI行为树示例:


游戏AI 系列文章:https://www.cnblogs.com/KillerAery/category/1229106.html

posted @ 2018-12-04 10:11  KillerAery  阅读(7866)  评论(0编辑  收藏  举报