游戏中人工智能技术-课件.ppt
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- 游戏 人工智能 技术 课件
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1、浙江大学计算机学院游戏AI的基本概念游戏中简单的AI模式游戏中常用的AI技术 有限状态机 A,模糊逻辑等实现AI引擎的要点GAME AI的描述 使得游戏表现出与人的智能行为/活动相类似,或者与玩家的思维/感知相符合的特性。GAME AI的实现 技术实现 利用充分的领域知识和常识 客观世界的运动规律(game physics)利用已有的AI技术 融合娱乐性游戏中涉及的AI技术 专家系统 用知识表示专家的经验,并在此基础上作自动推理 案例式推理 将输入与数据库中已有的案例进行比较,选取最为相近的案例,其已有的解决方法即为输出 有限状态机 基于规则的系统,有限个状态连接成一有向图,每一条边称为一个转
2、移游戏中涉及的AI技术(续)产生式系统 包含多个产生式,每一条产生式由条件和动作两部分组成,当产生式的条件满足时,系统就执行相应的动作 决策树 给定输入,从树的根部开始,将输入与当前结点相比较,选择当前结点的某一个子结点作为下一次比较的对象。当到达树的叶子时,则给出相应的决策 搜索方法 找到一列动作(或状态转移),使得最终的结果满足某一特定目标游戏中涉及的AI技术(续)规划系统 给定世界的初始状态,以及下一步可能采取的动作的精确定义,找到完成某个特定目标的最优路径 一阶谓词逻辑 谓词逻辑通过定义“物体”、“属性”、“关系”等对当前场景的状态进行推理 情景演算 用一阶逻辑计算在给定情景下AI生命
3、的反应游戏中涉及的AI技术(续)多Agent 研究在多个相互竞争相互合作的智能体之间所产生的交互智能行为 人工生命 多agent系统一种,试图将生命系统中一些普遍规律应用到虚拟世界的人工智能体上 群组行为(Flocking)人工生命的一类,研究协同移动技术,例如人工智能体如何在大量的羊群中移动游戏中涉及的AI技术(续)Robotics 让机器在自然环境下交互的工作 遗传算法 直接模拟生物进化过程,通过随机选择、杂交和突变等对程序、算法或者一系列参数进行操作 神经网络 模拟动物神经系统功能的机器学习方法 通过反复调节系统内部中各个神经元之间的连接参数,使得训练得到的系统在大多数情况下作出优或者近
4、似优的反应游戏中涉及的AI技术(续)模糊逻辑 与传统二值(对-错)逻辑不同,模糊逻辑用实数表示物体隶属于某一类的可能性 置信网络 提供建立不同现象之间内在因果关系的工具,并利用概率理论处理未知的和不完全的知识 对当前状态作出判断,并决定下一步可能的动作以及其带来的后果GAME AI技术的分类 确定型 基于领域固定领域知识,模拟简单的固定行为 行为型 基于行为模式来模拟智能行为 战术型 策略模拟 RTS(real time strategy)其他确定性算法指预先编入代码当中的可预测的行为 从最简单的算法开始例如,系统中有一颗小行星,以某一速度作匀速直线运动,它在任意时刻的位置由下列公式决定:某种
5、程度上,它们是智能的,但是这种智能是确定的,可预测的当智能体找到目标后,一心一意向其移动,而不考虑任何其他的因素,例如障碍物、另外的目标等非常机械化在每一帧中,智能体计算其到目标的前进方向,并根据其速度,前进一段距离 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 Tracking算法还可以做的更为真实一点,就像红外导弹一样:在每一帧中,智能体仍然首先计算其到目标的前进方向 这时,智能体的速度允许发生变化,并根据更新后的速度,计算下一帧的位置 速度有一个上限,超过这个上限,智能体的速度将减慢,直到重新加速为止 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 与前面的chasing算法基本相同,唯一区别是智能体沿着
6、远离物体的方向移动 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 你追我赶Game AI/chasing and avoiding demo在任一时间点,每一个智能体都按照预先设定的某种模式运动决策系统根据系统当前的状态,为每一个智能体从模式集合中选择适当的模式模式描述了智能体将在下面几帧中所采取的一系列动作特例:scripted AI,当系统到达某一特定状态(例如,每个回合的结束),系统运行的一段程序(用脚本写),决定系统下一步的动作基本模式 用一段指令定义模式 写一个解释器解释这段指令,并用于控制智能体的行为条件逻辑模式 更为灵活的控制 可以通过条件逻辑选择模式 也可以选择本身带有条件逻辑转移的模
7、式非常直观 Pattern是一列数组 数组的每一项定义智能体在该帧的速度(方向大小)在模拟过程中,智能体就按照预先设定的参数在每一帧之间运动 当移动到数组末尾时,重新选择一个新的模式Chasing behavior AI demoAI的研究人员试图寻找一个通用的计算模型和方法,解决所有的问题 感知输入系统 有一个记忆模拟存储系统 推理机 行为输出系统博弈问题 有限状态机(FSM)规划和搜索状态(要采取的行为)追击 随机走动 巡逻 吃转移(发生转移的原因)时间片结束 发生某个时间 完成某个行为伐木将木头运往最近的仓库足够多木材放下木头:返回林场到仓库到林场机器 所有部件的总称状态 对于层次有限状
8、态机而言,状态包括各种子状态转移 系统从当前活动状态出发,判断下一个活动状态,改变系统当前的格局,并执行相应的操作 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 条件 定义发生转移的先决条件输入和事件 允许状态机对环境变化作出反应动作 作为状态的一部分,或者伴随转移出现 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 有向图每个结点表示系统状态模型,每条弧表示状态转移所伴随的动作行为结点可以是无穷多个有些结点之间可能没有弧相连接结点 包含查找目标终点 搜索路径的结束查找空间 所有结点的集合目标 所要到达的结点经验 在一定程度上提示下一步搜索的方向解答路径 从起始结点开始,到目标的一条有向路径将模糊逻辑和有限状态
9、机结合 状态之间的迁移不再是确定的 同时有多个状态FSM/FuFSM代码示例 隶属度演示Part of intelligence is the ability to plan-Move to a goal State将系统表示成一系列状态的集合通过操作(Operator)改变状态 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 状态 智能体在空间的位置 其他离散空间 体素 室内位置 局部区块(tile)操作 从一个位置移动到其他位置 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 必须对状态空间进行搜索,才能转移至目标状态完全性 如果目标状态存在,算法是否能够将其找到?时间复杂度空间复杂度能够找到最优解 浙江大学
10、CAD&CG 国家重点实验室 如何评价搜索算法 时间:多长时间能够找到解 找到的解是最优、次优还是其他盲目搜索 没有先验知识 仅仅知道目标状态是什么经验搜索 用经验公式表示拥有的先验知识“经验”只能作相对简单、低级的决策 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 根结点-儿子结点-孙子结点缺点:内存消耗大 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 RootRootChild1Child2RootChild1Child2GChild1GChild2GChild3GChild4(1)(2)(3)先儿子结点,后兄弟 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 RootChild1GChild1GChild2Roo
11、tChild1RootChild1GChild1(1)(2)(3)同时产生两棵搜索树 一棵从起点出发 一棵从目标出发 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 定义目标函数,反映拥有的先验知识 估计离目标的距离 估计到达目标的花费用上述估计指导路径的搜索,加快搜索过程 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 永远沿着具有最小目标函数值的路径进行搜索不一定能够找到目标可能得到局部最优解,而不是全局最优 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 考虑到贪婪搜索法不能保证找到最优解改进 目标函数由两个部分组成 从当前状态到目标状态的“花费”(估计)从初始状态到当前状态的“花费”浙江大学CAD&CG 国家重点实
12、验室 贪婪搜索法 对可能的后继状态n,计算其到目标状态的“花费”h(n),并置于一个优先队列中A*对可能的后继状态n,计算其目标函数f(n),并置于优先队列中 f(n)=g(n)+h(n),其中g(n)是从初始状态到n的“花费”浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 选择下一步状态n,使得f(n)是队列中最小的如果h(n)估计准确的话,方法是可行的 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 A*算法结束条件是:当且仅当目标状态被从优先队列中挑选出来 1 h=3 1 1 h=7 h=2 1 7 h=1 7 h=0 S A B C G D 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 优先队列PQ 初始为空V(
13、一系列三元组(状态,f,回溯指针)集合,表示访问过的结点)初始为空将初始结点S置于PQ中,V中放入(S,f(s),NULL)算法:如果V为空,退出程序,没有解 否则,从PQ中取出第一项,记为n 如果n就是目标结点,则搜索结束 否则,产生n的后继结点 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 对n的每一个后继结点n 计算f=g(n)+h(n)=g(n)+cost(n,n)+h(n)如果n未被访问过,或者n曾经被访问过,但是记录的f(n)f,或者n已经在PQ队列中,但是记录的f(n)f 放置/更新n于优先队列中,使其对应的目标函数值为f 添加(n,f,n)至V当中 否则忽略n 浙江大学CAD&CG 国
14、家重点实验室 否 S A G h=6 1 3 h=0 1 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 令h*(n)=从目标到n最小花费真实值.经验h称为可行的当且仅当对所有的状态n,h(n)=h*(n).可行经验确保永不过估计结点到目标的花费具有可行经验的A*算法一定收敛到最优解比较费内存当不存在解时,算法失败 避免对全空间进行搜索 作双向搜索A star demo 最短路经 战术最短路经 暴露时间 有效火力 视野物群的行为 物群聚集在一起飞行,遇到另一物群时,他们将避开和分散,必要时分成多群 分开后,将寻找伙伴,形成新的物群,并最终恢复原来的物群 物群能够对付突发行为,能否对不断变化的环境做出实时
15、的反应,并作为一个整体行动。物群模拟的简单规则 分离(separation):同物群中的其他成员若即若离。列队(alignment):与物群中的其他成员保持相同的航向 内聚(cohesion):不掉队 避开(avoidance):避开障碍物和天敌 生存(survival):必要时进行捕食或者逃脱被吃.游戏中的物群行为 RTS游戏的部队的编队模拟 RPG游戏中的群体行为模拟行为模拟的实现 无状态 不纪录任何信息 每次将重新评估其环境示例 前进方向不确定,但整体行动 避开障碍物 飞行动物 老鹰:飞行速度快,视野广,吃麻雀 麻雀:飞行速度一般,视野一般,吃昆虫 昆虫:飞行速度慢,视野小,不捕食,能繁
16、殖 物群的喂养 饿吃试图接近猎物 昆虫不能灭绝演示:flocking demo传统逻辑把思维过程绝对化,从而达到精确、严格的目的举例:一个被讨论的对象X,要么属于某一个集合A,要么不属于该集合,两者比居其一,而且两者仅居其一,决不模棱两可对于命题:张三的性格稳重,如何判断这一命题的真假?对于上述的例子,模糊逻辑允许我们用一个0,1的实数表示X属于A的隶属程度。传统逻辑即隶属程度只能从0和1之间选择的情况对于“性格稳重”这个模糊概念,我们能够用“一点而也不稳重”、“不太稳重”、“不好说”、“有点稳重”、“挺稳重”、“很稳重”等没有明确界限的词语形容将重心转移至物体属于某个集合的隶属程度上在AI领
17、域的主要应用为 决策 行为选择 输入、输出过滤 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 设A,B,C均为U中的模糊集 模糊并 若对8x2U,均有c=max(A(x),B(x),则称C为A与B的模糊并 模糊交 若对8x2U,均有c=min(A(x),B(x),则称C为A与B的模糊交 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 1 5 feet 6 feet 7 feet 1 5 feet 6 feet 7 feet 大约6英尺长的高的人 1 5 feet 6 feet 7 feet 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 1 5 feet 6 feet 7 feet
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