使用Unity製作遊戲AI

遊資網發表於2019-10-15
Unity遊戲AI
本文由獨立遊戲工作室Synnaxium Studio介紹遊戲AI的概念和開發方法。本文中所有內容都是他們在開發《Radiant Blade》遊戲的原型階段所積累的經驗。

下面是《Radiant Blade》的演示畫面。

使用遊戲AI的原因

首先，我們要思考為什麼要給遊戲新增AI？

長期以來，我們都在幻想著為遊戲開發令人驚奇的AI，讓AI給玩家帶來印象深刻的體驗。這種AI可以預料到玩家的每一個操作，幾乎無法被打敗。但說實話，這種AI毫無對抗的樂趣。

值得玩家去玩的遊戲應該是玩家可以獲得樂趣的遊戲。因此，AI必須可以和玩家旗鼓相當。AI可以作為夥伴，讓玩家通過特別的方法進行互動。

顯然，只有樂趣的遊戲不會是一個優秀的遊戲。遊戲也必須有炫酷的機制，深刻的含義以及精美的外觀。但對AI而言，我們希望AI具有娛樂性，因此我們要進一步縮小這個概念的範圍。

遊戲設計

遊戲中的娛樂性是什麼？我們的開發團隊花了一些時間思考這個問題，結論可以總結為一個詞：學習，具備娛樂性的遊戲是玩家可以從中學習和利用知識的遊戲。

娛樂性源於小小的好奇心，在玩家看到新事物時，好奇心會佔據玩家的頭腦，並會不斷增長，直到玩家完全理解這項新事物。也就是說，具有娛樂性的AI必須是可以被玩家學習的。

這個簡單的概念形成了所有遊戲中AI的廣泛解讀，包括：《超級瑪麗》、《毀滅戰士》、《魔獸世界》和《以撒的結合》。如果分析這些遊戲的AI，我們會發現它們都是可以預測的。

由於加入了一些隨機元素，這些遊戲AI不是完全固定不變的，但仍有預測的可能。這樣又出現了另一個問題：如何製作出可預測的遊戲AI？

答案很簡單：使用狀態機。

狀態機

狀態機是包含狀態和過渡的數學工具。

使用Unity製作遊戲AI
基本的狀態機

在確定性狀態機中，我們會處於一個特定狀態，在移動時，我們會隨著其中一個可用過渡轉變到新狀態。過渡可能會受到條件限制，例如：只有在擁有特定法術時，AI才可以到達指定狀態。

狀態機的優點是：它們具有表現力和可預測性。假設狀態包括“攻擊”、“受擊”、“奔跑至目標”和“逃跑”，我們可以使用一些過渡，建立出模擬AI基本行為的狀態機。

下面是簡單的AI示例。

使用Unity製作遊戲AI

我們製作開發的AI可以用下面三句話描述：

如果AI的生命值在10%以下時，它就會逃跑。

AI可以受到攻擊。

玩家處在AI範圍內時，AI會向玩家跑去，然後攻擊玩家。

這意味著我們的AI很簡單。如果無法簡單地描述自己設計的AI，那麼我們可能需要對自己的AI做進一步思考。

狀態機與Unity

我們在Unity使用狀態機大致的方法有三種：

  • 自己開發。
  • 使用Animator實現。
  • 從Asset Store資源商店獲取相應資源。


狀態機是遊戲中很常見的工具，所以我們不建議開發者自己編寫程式碼開發狀態機。除非開發者希望學習如何通過編碼實現狀態機，否則我們可以獲取可直接使用的狀態機。

第二種方法是使用Unity的內建Animator功能，它其實是一種可以播放動畫的狀態機。但在Animator中，我們不一定要使用動畫，如果不使用動畫的話，它的工作方式和狀態機一樣。

Animator使用起來快捷而直觀。下圖是《Radiant Blade》中使用Unity Animator實現的弓箭手AI。

使用Unity製作遊戲AI

第三種方法是從Asset Store資源商店獲取相關資源，不少資源有和Animator一樣不錯的效果。


Animator

或許你使用過Animator在Unity中實現標準動畫，但我們會根據需求調整一些方法。

狀態

通常，Animator的狀態包含動畫。我們沒有這樣使用，而是把狀態關聯到描述行為的程式碼。

為了展示這個方法，我們現在檢視定義弓箭手的遊戲物件。Behaviours物件的子物件是AI行為，它們其實是小型控制器，在對應狀態啟用時，它們會控制弓箭手。

在Shoot狀態啟用時，會在弓箭手上使用Shoot Behaviour指令碼。

使用Unity製作遊戲AI

這是基於狀態的物件。在完成行為後，Shoot Behaviour會通知Animator。Animator內建的藍色進度條可能會讓人迷惑，但它只在外觀上起到作用。

變數

我們的AI設計是響應式系統，它會隨條件而變化，條件是玩家和環境。

Animator的變數用於描述遊戲的狀態，以及作出已知決策。下圖是弓箭手使用的變數，它們描述了形成AI的所有要素。

使用Unity製作遊戲AI

在以傳統方法使用Animator時，大多數狀態過渡會隨著關聯動畫結束而結束。對於AI來說，狀態就是行為，它會在未定義的時間內儲存遊戲邏輯。

我們使用了兩個變數behaviour_ended和behaviour_error，作用是通知狀態的結束。它們是狀態的輸出結果，表示狀態成功結束，或是出現錯誤。

過渡

過渡定義了AI行為的改變過程。例如，過渡可以表示：當AI完成向目標行走的過程後，它應該要做什麼。

下圖是示例過渡：如果目標在近戰範圍內，AI會進行攻擊。

使用Unity製作遊戲AI

對Unity的Animator，有些開發者可能不知道的是：過渡是有先後順序的。特定過渡會被首先評估，僅在它的相關條件為假時，第二個過渡才會進行評估。

如下圖所示，選中Neutral狀態時，我們可以檢視過渡的優先順序。

使用Unity製作遊戲AI

這項功能很不錯，它允許我們把AI設計為中心大腦，根據優先順序來作出合適的選擇。

在我們的弓箭手AI中，需要注意AI的順序和中心部分。Neutral節點是決策中心，它的主要工作過程如下：

  • 如果沒有玩家的話，AI停止戰鬥；
  • 如果玩家距離較遠，AI向玩家移動，進入射擊範圍；
  • 如果玩家不在AI的視線方向，AI向玩家移動，從而能夠進行射擊；
  • 如果處於近戰範圍，則進行近戰攻擊；
  • 如果玩家過於接近AI，AI可能會向後退；
  • AI有可能隨機改變和玩家的方向；
  • AI會向玩家射擊。


該功能的好處是每個單獨的過渡都非常簡單：過渡會歸結為一次測試，或甚至不進行測試。使用後續過渡的前提是之前的過渡條件必須為假。

實現方法

現在，我們開始瞭解具體操作。你應該會注意到，我們還未提供過任何相關程式碼。

這意味著我們的框架有足夠高的抽象級，不必處理任何技術細節，就可以很好進行解釋。在程式碼部分完成後，設計AI的過程非常直觀。

我們需要什麼

下面是實現AI的三個任務：

編寫AI行為。

將Animator和可用行為關聯。

為Animator更新遊戲相關變數的列表。

行為

開始處理前，回顧行為的功能：

行為會和遊戲的角色控制器配合使用。

行為可以被識別。

行為可以被啟用。

行為可以成功完成。

行為也可以出現錯誤。

行為可以被中斷。

現在我們知道了想要的功能，我們要把它編寫為API。

  1. public abstract class AbstractAIBehaviour : MonoBehaviour {

  3.     // 角色由行為控制
  4.     [SerializeField]
  5.     protected CharController charController;

  7.     // 必須返回對應行為的Animator狀態的短雜湊值。
  8.     abstract public int GetBehaviourHash();

  10.     // 在行為成功結束時呼叫的事件。
  11.     public event Action OnBehaviourEnded;

  13.     // 在行為失敗時，要呼叫的事件
  14.     public event Action OnBehaviourError;

  16.     // OnDisable()
  17.     // enable = true/false;
  18. }
複製程式碼

對於啟用和禁用部分，我們會利用Unity的內建方法，這裡不必自己編寫方法。我們會使用簡潔的API。

對於識別符，我們建立了帶有特殊名稱的方法：GetBehaviourHash。因為Animator狀態的識別方式是：使用狀態的識別符號，也就是其名稱的雜湊值。

因此對於Shoot狀態，對應的識別符號是Animator.StringToHash(“Shoot”)。

為了弄清楚物件，避免再次計算相同的雜湊值，我們可以把它們儲存為靜態變數：

  1. /**
  2. *該類是預計算雜湊值的佔位符。
  3. * 目的是建立Animator狀態名稱和AI行為之間的關聯。
  4. * 下面定義的整數應該用於GetBehaviourHash中繼承自AbstractAIBehaviour的類。
  5. */
  6. public class BehaviourHashes {

  8.     //該行為會讓角色向目標移動。
  9.     static public readonly int OBJ_MOVETO_STATE = Animator.StringToHash("Obj MoveTo");

  11.     // 該行為會讓角色什麼都不做。
  12.     static public readonly int IDLE_STATE = Animator.StringToHash("Idle");

  14.     // 此時角色會漫無目的地四處移動。
  15.     static public readonly int ROAM_STATE = Animator.StringToHash("Roam");
  16.    
  17.     // ...
  18. }
複製程式碼

考慮到這點，AbstractAIBehaviour的實現程式碼如下。

  1.   // 必須返回對應行為的Animator狀態的短雜湊值。
  2.     public override int GetBehaviourHash()
  3.     {
  4.         // State name in the Animator is “Idle”
  5.         // Animator中的狀態名稱為Idle。
  6.         return BehaviourHashes.IDLE_STATE;
  7.     }
複製程式碼

我們將每個雜湊值存到對應的指令碼中，因此ROAM_STATE可以儲存在RoamBehaviour類中。

唯一的問題是，由於我們暗中把每個行為關聯到名稱，因此開啟每個行為類收集Animator狀態的授權名稱可能很麻煩。

現在，我們的工作是為真實行為編寫實際的程式碼，我們需要做的是實現AbstractAIBehaviour的子類。

關聯行為和Animator

我們的AI的行為可以被識別、監聽、啟用和禁用，現在我們要利用行為。

我們從控制器開始。由於我們有多個彼此獨立的實體，因此我們需要同步它們，從而實現流暢的工作效果。該控制器的目的是確保每次只啟用一個行為，並提供修改當前行為的切入點。

一些開發者可能不知道應該何時給遊戲新增新控制器的類。好的習慣是把控制器看作用來同步多個較小功能的程式碼。

  1. /**
  2. * AIBehaviourController應該關聯AI的Animator和相應行為。
  3. */
  4. public class AIBehaviourController

  6.     /**
  7.      * 這部分包含可用行為
  8.      *
  9.      * 行為的關鍵是GetBehaviourHash方法返回的數值
  10.      */
  11.     protected Dictionary<int, AbstractAIBehaviour> behaviours = new Dictionary<int, AbstractAIBehaviour>();

  13.     // AI的Animator
  14.     private Animator stateMachine;

  16.     // 該變數表示正在執行的行為
  17.     private AbstractAIBehaviour currentBehaviour;   
  18.    
  19.     // 下面是必須存在AI  Animator中的觸發器
  20.     public static readonly int BEHAVIOUR_ENDED = Animator.StringToHash("behaviour_ended");
  21.     public static readonly int BEHAVIOUR_ERROR = Animator.StringToHash("behaviour_error");

  23.     /**
  24.      * 強制某個行為中斷正在執行的行為
  25.      */
  26.     public void SetBehaviour(int behaviorHash)
  27.     {
  28.         // 安全地禁用當前行為
  29.         if (currentBehaviour)
  30.             currentBehaviour.enabled = false;

  32.         try
  33.         {
  34.             // 開始新的行為
  35.             currentBehaviour = behaviours[behaviorHash];
  36.             currentBehaviour.enabled = true;
  37.         }
  38.         catch (KeyNotFoundException)
  39.         {
  40.             currentBehaviour = null;
  41.         }
  42.     }

  44.     void Awake()
  45.     {
  46.         stateMachine = GetComponent<Animator>();

  48.        // 對於每個子物件
  49.         foreach (AbstractAIBehaviour behaviour in GetComponentsInChildren<AbstractAIBehaviour>())
  50.         {
  51.             // 註冊行為
  52.             behaviours.Add(behaviour.GetBehaviourHash(), behaviour);

  54.             // 監聽行為
  55.             behaviour.OnBehaviourEnded += OnBehaviourEnded;
  56.             behaviour.OnBehaviourError += OnBehaviourError;
  57.         }
  58.     }

  60.     /**
  61.      * 在行為結束時，通知AI的Animator
  62.      */
  63.     private void OnBehaviourEnded()
  64.     {
  65.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ENDED);
  66.     }

  68.     /**
  69.      * 在行為失敗時，通知AI的Animator
  70.      */
  71.     private void OnBehaviourError()
  72.     {
  73.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ERROR);
  74.     }
  75. }
複製程式碼

這個類比較長，但是程式碼其實很簡單：

  • 字典包含我們已知的行為。
  • 方法可以啟用特定行為。
  • 兩個事件用於在行為結束時通知Animator。


有了切入點，我們可以把它和Animator連線起來。我們會使用一個不常用的功能：StateMachineBehaviour。

如下圖所示，選中Animator時，如果在空白處單擊左鍵，我們會聚焦Animator本身，並顯示Animator的隱藏檢視視窗。

使用Unity製作遊戲AI

StateMachineBehaviour允許我們向Animator插入自定義程式碼。我們會在Animator的狀態變化時，呼叫我們的AIBehaviourController。

  1. /**
  2. * 該類會插入AI的Animator。
  3. *
  4. * 它的唯一作用是監視Animator中的狀態轉換。
  5. */
  6. public class AIStateController : StateMachineBehaviour {
  7.    
  8.     /**
  9.      * 在Animator進入新狀態時，通知AI控制器。
  10.      */
  11.     override public void OnStateEnter(Animator animator, AnimatorStateInfo info, int layerIndex)
  12.     {
  13.         if (!animator.GetComponent<AIBehaviourController>().SetBehaviour(animatorStateInfo.shortNameHash))
  14.         {
  15.             // 如果狀態不存在，那麼把它設為決策中心。
  16.             // 強制Animator直接評估該狀態。
  17.             animator.Update(0f);
  18.         }
  19.     }
  20. }
複製程式碼

這些程式碼非常直觀，它會處理Unity的一個特別之處：Animator無法在每幀處理多個狀態，因此在我們遍歷決策中心時，會造成短暫的延遲。

幸運的是，解決方法很簡單，我們可以強行執行Update方法，強制Animator處理狀態。

通過使用我們的新類，我們可以把功能結合起來，只要把該指令碼新增到AI的Animator即可。現在進入新狀態時，我們的AI Animator會呼叫AIBehaviourController。

使用Unity製作遊戲AI

最後，我們在框架中包含三個類，子類以及一個角色控制器，它們包含著實際的遊戲邏輯。

下圖是一個組合成AI框架的小型類圖示。

使用Unity製作遊戲AI

處理遊戲邏輯

總而言之，技術解決方案可以總結為三個類，每個類都非常簡潔。

我們還需要什麼呢？當然是遊戲本身了。但這個部分必須由開發者自己製作，實現自己的AI需要的內容如下：

一個角色控制器，負責角色和其渲染的實際邏輯。

變數以及讓變數與Animator保持同步的程式碼。

自定義行為，例如：攻擊，移動。

此時我們要處理的都是常見的Unity標準程式碼。

使用Unity製作遊戲AI

小結

如何在Unity中製作遊戲AI的方法為大家介紹到這裡，行動起來，在你的遊戲中，實現自定義行為的AI吧。

作者：Synnaxium Studio  
來源：Unity官方平臺
原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/hkBmBAn7YMOnfjLygz-4Jw

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