使用Unity制作游戏AI

作者:Synnaxium Studio Unity官方平台 2019-10-15 4.7k
本文由独立游戏工作室Synnaxium Studio介绍游戏AI的概念和开发方法。本文中所有内容都是他们在开发《Radiant Blade》游戏的原型阶段所积累的经验。

下面是《Radiant Blade》的演示画面。

使用游戏AI的原因

首先,我们要思考为什么要给游戏添加AI?

长期以来,我们都在幻想着为游戏开发令人惊奇的AI,让AI给玩家带来印象深刻的体验。这种AI可以预料到玩家的每一个操作,几乎无法被打败。但说实话,这种AI毫无对抗的乐趣。

值得玩家去玩的游戏应该是玩家可以获得乐趣的游戏。因此,AI必须可以和玩家旗鼓相当。AI可以作为伙伴,让玩家通过特别的方法进行交互。

显然,只有乐趣的游戏不会是一个优秀的游戏。游戏也必须有炫酷的机制,深刻的含义以及精美的外观。但对AI而言,我们希望AI具有娱乐性,因此我们要进一步缩小这个概念的范围。

游戏设计

游戏中的娱乐性是什么?我们的开发团队花了一些时间思考这个问题,结论可以总结为一个词:学习,具备娱乐性的游戏是玩家可以从中学习和利用知识的游戏。

娱乐性源于小小的好奇心,在玩家看到新事物时,好奇心会占据玩家的头脑,并会不断增长,直到玩家完全理解这项新事物。也就是说,具有娱乐性的AI必须是可以被玩家学习的。

这个简单的概念形成了所有游戏中AI的广泛解读,包括:《超级玛丽》、《毁灭战士》、《魔兽世界》和《以撒的结合》。如果分析这些游戏的AI,我们会发现它们都是可以预测的。

由于加入了一些随机元素,这些游戏AI不是完全固定不变的,但仍有预测的可能。这样又出现了另一个问题:如何制作出可预测的游戏AI?

答案很简单:使用状态机

状态机

状态机是包含状态和过渡的数学工具。

基本的状态机

在确定性状态机中,我们会处于一个特定状态,在移动时,我们会随着其中一个可用过渡转变到新状态。过渡可能会受到条件限制,例如:只有在拥有特定法术时,AI才可以到达指定状态。

状态机的优点是:它们具有表现力和可预测性。假设状态包括“攻击”、“受击”、“奔跑至目标”和“逃跑”,我们可以使用一些过渡,创建出模拟AI基本行为的状态机。

下面是简单的AI示例。


我们制作开发的AI可以用下面三句话描述:

如果AI的生命值在10%以下时,它就会逃跑。

AI可以受到攻击。

玩家处在AI范围内时,AI会向玩家跑去,然后攻击玩家。

这意味着我们的AI很简单。如果无法简单地描述自己设计的AI,那么我们可能需要对自己的AI做进一步思考。

状态机与Unity

我们在Unity使用状态机大致的方法有三种:

  • 自己开发。
  • 使用Animator实现。
  • 从Asset Store资源商店获取相应资源。


状态机是游戏中很常见的工具,所以我们不建议开发者自己编写代码开发状态机。除非开发者希望学习如何通过编码实现状态机,否则我们可以获取可直接使用的状态机。

第二种方法是使用Unity的内置Animator功能,它其实是一种可以播放动画的状态机。但在Animator中,我们不一定要使用动画,如果不使用动画的话,它的工作方式和状态机一样。

Animator使用起来快捷而直观。下图是《Radiant Blade》中使用Unity Animator实现的弓箭手AI。


第三种方法是从Asset Store资源商店获取相关资源,不少资源有和Animator一样不错的效果。


Animator

或许你使用过Animator在Unity中实现标准动画,但我们会根据需求调整一些方法。

状态

通常,Animator的状态包含动画。我们没有这样使用,而是把状态关联到描述行为的代码。

为了展示这个方法,我们现在查看定义弓箭手的游戏对象。Behaviours对象的子对象是AI行为,它们其实是小型控制器,在对应状态激活时,它们会控制弓箭手。

在Shoot状态激活时,会在弓箭手上使用Shoot Behaviour脚本。


这是基于状态的对象。在完成行为后,Shoot Behaviour会通知Animator。Animator内置的蓝色进度条可能会让人迷惑,但它只在外观上起到作用。

变量

我们的AI设计是响应式系统,它会随条件而变化,条件是玩家和环境。

Animator的变量用于描述游戏的状态,以及作出已知决策。下图是弓箭手使用的变量,它们描述了形成AI的所有要素。


在以传统方法使用Animator时,大多数状态过渡会随着关联动画结束而结束。对于AI来说,状态就是行为,它会在未定义的时间内保存游戏逻辑。

我们使用了两个变量behaviour_ended和behaviour_error,作用是通知状态的结束。它们是状态的输出结果,表示状态成功结束,或是出现错误。

过渡

过渡定义了AI行为的改变过程。例如,过渡可以表示:当AI完成向目标行走的过程后,它应该要做什么。

下图是示例过渡:如果目标在近战范围内,AI会进行攻击。


对Unity的Animator,有些开发者可能不知道的是:过渡是有先后顺序的。特定过渡会被首先评估,仅在它的相关条件为假时,第二个过渡才会进行评估。

如下图所示,选中Neutral状态时,我们可以查看过渡的优先级。


这项功能很不错,它允许我们把AI设计为中心大脑,根据优先级来作出合适的选择。

在我们的弓箭手AI中,需要注意AI的顺序和中心部分。Neutral节点是决策中心,它的主要工作过程如下:

  • 如果没有玩家的话,AI停止战斗;
  • 如果玩家距离较远,AI向玩家移动,进入射击范围;
  • 如果玩家不在AI的视线方向,AI向玩家移动,从而能够进行射击;
  • 如果处于近战范围,则进行近战攻击;
  • 如果玩家过于接近AI,AI可能会向后退;
  • AI有可能随机改变和玩家的方向;
  • AI会向玩家射击。


该功能的好处是每个单独的过渡都非常简单:过渡会归结为一次测试,或甚至不进行测试。使用后续过渡的前提是之前的过渡条件必须为假。

实现方法

现在,我们开始了解具体操作。你应该会注意到,我们还未提供过任何相关代码。

这意味着我们的框架有足够高的抽象级,不必处理任何技术细节,就可以很好进行解释。在代码部分完成后,设计AI的过程非常直观。

我们需要什么

下面是实现AI的三个任务:

编写AI行为。

将Animator和可用行为关联。

为Animator更新游戏相关变量的列表。

行为

开始处理前,回顾行为的功能:

行为会和游戏的角色控制器配合使用。

行为可以被识别。

行为可以被启用。

行为可以成功完成。

行为也可以出现错误。

行为可以被中断。

现在我们知道了想要的功能,我们要把它编写为API。

  1. public abstract class AbstractAIBehaviour : MonoBehaviour {

  2.     // 角色由行为控制
  3.     [SerializeField]
  4.     protected CharController charController;

  5.     // 必须返回对应行为的Animator状态的短哈希值。
  6.     abstract public int GetBehaviourHash();

  7.     // 在行为成功结束时调用的事件。
  8.     public event Action OnBehaviourEnded;

  9.     // 在行为失败时,要调用的事件
  10.     public event Action OnBehaviourError;

  11.     // OnDisable()
  12.     // enable = true/false;
  13. }
复制代码

对于启用和禁用部分,我们会利用Unity的内置方法,这里不必自己编写方法。我们会使用简洁的API。

对于识别符,我们创建了带有特殊名称的方法:GetBehaviourHash。因为Animator状态的识别方式是:使用状态的标识符,也就是其名称的哈希值。

因此对于Shoot状态,对应的标识符是Animator.StringToHash(“Shoot”)。

为了弄清楚对象,避免再次计算相同的哈希值,我们可以把它们保存为静态变量:

  1. /**
  2. *该类是预计算哈希值的占位符。
  3. * 目的是创建Animator状态名称和AI行为之间的关联。
  4. * 下面定义的整数应该用于GetBehaviourHash中继承自AbstractAIBehaviour的类。
  5. */
  6. public class BehaviourHashes {

  7.     //该行为会让角色向目标移动。
  8.     static public readonly int OBJ_MOVETO_STATE = Animator.StringToHash("Obj MoveTo");

  9.     // 该行为会让角色什么都不做。
  10.     static public readonly int IDLE_STATE = Animator.StringToHash("Idle");

  11.     // 此时角色会漫无目的地四处移动。
  12.     static public readonly int ROAM_STATE = Animator.StringToHash("Roam");
  13.    
  14.     // ...
  15. }
复制代码

考虑到这点,AbstractAIBehaviour的实现代码如下。

  1.   // 必须返回对应行为的Animator状态的短哈希值。
  2.     public override int GetBehaviourHash()
  3.     {
  4.         // State name in the Animator is “Idle”
  5.         // Animator中的状态名称为Idle。
  6.         return BehaviourHashes.IDLE_STATE;
  7.     }
复制代码

我们将每个哈希值存到对应的脚本中,因此ROAM_STATE可以保存在RoamBehaviour类中。

唯一的问题是,由于我们暗中把每个行为关联到名称,因此打开每个行为类收集Animator状态的授权名称可能很麻烦。

现在,我们的工作是为真实行为编写实际的代码,我们需要做的是实现AbstractAIBehaviour的子类。

关联行为和Animator

我们的AI的行为可以被识别、监听、启用和禁用,现在我们要利用行为。

我们从控制器开始。由于我们有多个彼此独立的实体,因此我们需要同步它们,从而实现流畅的工作效果。该控制器的目的是确保每次只启用一个行为,并提供修改当前行为的切入点。

一些开发者可能不知道应该何时给游戏添加新控制器的类。好的习惯是把控制器看作用来同步多个较小功能的代码。

  1. /**
  2. * AIBehaviourController应该关联AI的Animator和相应行为。
  3. */
  4. public class AIBehaviourController

  5.     /**
  6.      * 这部分包含可用行为
  7.      *
  8.      * 行为的关键是GetBehaviourHash方法返回的数值
  9.      */
  10.     protected Dictionary<int, AbstractAIBehaviour> behaviours = new Dictionary<int, AbstractAIBehaviour>();

  11.     // AI的Animator
  12.     private Animator stateMachine;

  13.     // 该变量表示正在执行的行为
  14.     private AbstractAIBehaviour currentBehaviour;   
  15.    
  16.     // 下面是必须存在AI  Animator中的触发器
  17.     public static readonly int BEHAVIOUR_ENDED = Animator.StringToHash("behaviour_ended");
  18.     public static readonly int BEHAVIOUR_ERROR = Animator.StringToHash("behaviour_error");

  19.     /**
  20.      * 强制某个行为中断正在执行的行为
  21.      */
  22.     public void SetBehaviour(int behaviorHash)
  23.     {
  24.         // 安全地禁用当前行为
  25.         if (currentBehaviour)
  26.             currentBehaviour.enabled = false;

  27.         try
  28.         {
  29.             // 开始新的行为
  30.             currentBehaviour = behaviours[behaviorHash];
  31.             currentBehaviour.enabled = true;
  32.         }
  33.         catch (KeyNotFoundException)
  34.         {
  35.             currentBehaviour = null;
  36.         }
  37.     }

  38.     void Awake()
  39.     {
  40.         stateMachine = GetComponent<Animator>();

  41.        // 对于每个子对象
  42.         foreach (AbstractAIBehaviour behaviour in GetComponentsInChildren<AbstractAIBehaviour>())
  43.         {
  44.             // 注册行为
  45.             behaviours.Add(behaviour.GetBehaviourHash(), behaviour);

  46.             // 监听行为
  47.             behaviour.OnBehaviourEnded += OnBehaviourEnded;
  48.             behaviour.OnBehaviourError += OnBehaviourError;
  49.         }
  50.     }

  51.     /**
  52.      * 在行为结束时,通知AI的Animator
  53.      */
  54.     private void OnBehaviourEnded()
  55.     {
  56.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ENDED);
  57.     }

  58.     /**
  59.      * 在行为失败时,通知AI的Animator
  60.      */
  61.     private void OnBehaviourError()
  62.     {
  63.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ERROR);
  64.     }
  65. }
复制代码

这个类比较长,但是代码其实很简单:

  • 字典包含我们已知的行为。
  • 方法可以激活特定行为。
  • 两个事件用于在行为结束时通知Animator。


有了切入点,我们可以把它和Animator连接起来。我们会使用一个不常用的功能:StateMachineBehaviour。

如下图所示,选中Animator时,如果在空白处单击左键,我们会聚焦Animator本身,并显示Animator的隐藏检视窗口。


StateMachineBehaviour允许我们向Animator插入自定义代码。我们会在Animator的状态变化时,调用我们的AIBehaviourController。

  1. /**
  2. * 该类会插入AI的Animator。
  3. *
  4. * 它的唯一作用是监视Animator中的状态转换。
  5. */
  6. public class AIStateController : StateMachineBehaviour {
  7.    
  8.     /**
  9.      * 在Animator进入新状态时,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.             // 如果状态不存在,那么把它设为决策中心。
  16.             // 强制Animator直接评估该状态。
  17.             animator.Update(0f);
  18.         }
  19.     }
  20. }
复制代码

这些代码非常直观,它会处理Unity的一个特别之处:Animator无法在每帧处理多个状态,因此在我们遍历决策中心时,会造成短暂的延迟。

幸运的是,解决方法很简单,我们可以强行执行Update方法,强制Animator处理状态。

通过使用我们的新类,我们可以把功能结合起来,只要把该脚本添加到AI的Animator即可。现在进入新状态时,我们的AI Animator会调用AIBehaviourController。


最后,我们在框架中包含三个类,子类以及一个角色控制器,它们包含着实际的游戏逻辑。

下图是一个组合成AI框架的小型类图示。


处理游戏逻辑

总而言之,技术解决方案可以总结为三个类,每个类都非常简洁。

我们还需要什么呢?当然是游戏本身了。但这个部分必须由开发者自己制作,实现自己的AI需要的内容如下:

一个角色控制器,负责角色和其渲染的实际逻辑。

变量以及让变量与Animator保持同步的代码。

自定义行为,例如:攻击,移动。

此时我们要处理的都是常见的Unity标准代码。


小结

如何在Unity中制作游戏AI的方法为大家介绍到这里,行动起来,在你的游戏中,实现自定义行为的AI吧。

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

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