【高级AI】用Unity实现一群鸟

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项目难度：★★★★    （文章结尾有工程地址）


大多数人都喜欢欣赏漂亮的动物，猫、狗、鸟、鱼、虫等等很多。其中最特别的要数鸟和鱼了，因为它们不仅可以单独欣赏，还可以观赏鸟群飞翔、鱼群集体游动的壮观景象。
游戏世界里，模拟鸟群也是开发者们梦寐以求的效果。我们希望能模拟出一个栩栩如生的鸟群，同时还能让它们按照我们的需要向着目标点移动、或者在某个地方盘旋。这篇文章将演示如何制作一个漂亮的鸟群。
一、理论基础：

鸟群本质是由一只一只的鸟组成的，每个鸟是独立行动的，只能通过视觉、听觉与外界进行有限的交互，然后做出合理的行为。有个专有名词“自主主体（Autonomous Agent）”专门描述这种自主行为的个体。虽然个体是自发行动的，但是通过遵守某些简单的规则，就可以满足群体的集体目标，比如：不发生碰撞、顺利到达目的地，或是一起在附近周旋觅食。

顺着这种思路，我们就知道了要模拟鸟群，要从每一只具体的鸟入手。让每一只鸟遵循同样的规则来实现群体效果。那么，这种规则的设计就成为了关键问题。首先，集群的模拟分为三个层次：

行为选择  Action Selection: 最高层。是移动还是盘旋还是躲避敌人呢？我们要确定整体目标以及个体目标。整体目标和个体目标可以是不完全一致的，比如整体目标是移动，个体在发现敌人时要优先进行规避。引导  Steering: 中间层。群体中个体的移动和单独个体的移动当然不一样。群体中的个体要考虑的问题多很多，他总是在判断离周围的人是否太近容易碰到？是否太远脱离了队伍？是否和大家的方向一致？是否要同时躲避敌人的攻击？每个时刻，所有的因素互相影响作用，最终得出一个引导的方向和大小。行动  Locomotion: 最底层。把引导化为实际行动。在本例中，我们是利用刚体+力这种基本的物理方法来模拟的，引导是一种力，调整行动的速度。

二、搭建Unity工程

1. 新建Unity 3D工程，将Assets Store下载的《Animals Full Pack -- Birds Pack》导入到工程中以便使用。
2. 在鸟的资源的Prefab里面找一种你喜欢的鸟，我选的是海鸥。将它拷贝到Assets目录里准备使用。动画默认是用Animation组件实现的，将它的默认动作调整为fly，还需要添加Rigidbody刚体组件才能使用力Force，参数默认即可：
3. 实现Bird脚本，是本文的主要内容，下面会详解。
三、写代码实现Bird脚本，控制每一只鸟的行为

本文对初学者来说比较有难度。建议从基本行为开始慢慢尝试，我自己写的时候也尝试了很多基本的飞行方式，最终解决了多重问题，最终才得到不错的结果。飞行方式有以下几种：
要实现集群效果，Seek、Flocking这两种行为是最必要的，其它行为可以参考工程代码和其他资料。基本数据和初始化如：
a. Seek方式
Seek的方式是最基本的，它返回一个力（向量），引导鸟飞向目标：
向量运算自行画图分析，我就不啰嗦了。这个力如何使用呢？只需要在Update的每一桢调用Seek，每一桢算一次Steering引导力即可。
然后让引导力生效即可：
第一步很简单吧？接下来看终点Flocking方式。
b. Flocking
Flocking的原理不像Seek那么直观，必须参考一些资料。总的来说，集群中的鸟：需要考虑三个基本问题，分散、统一方向、聚合：
上图摘自游戏AI的经典书籍《Programming Game AI By Example》。如图，简单来说，只看Separation分散和Cohesion聚合，你会发现其实它俩就像弹簧一样，聚合负责压紧弹簧，分散负责弹开弹簧。当离得太近，弹力就比压力大了，当离得太远，压力又比弹力大。只要合理调整这两个力的大小，就能实现一个大小合适、密度合适的群体。
而Alignment保证大家尽可能朝向一个方向。
Flocking函数全貌如下图，可以看出每一只鸟在决定自己行为之前，要先观察所有周围的鸟，这是通过把周围的鸟加入临时容器实现的。后面的Separation、Alignment、Cohesion要用到这个容器。
分散力，思路是远离所有周围的人：
聚合力，思路是尽量飞向群体的“质心”：
统一方向力，思路是只看别人的速度方向，不看大小。然后向该方向移动：
Seek和Flocking原理完成啦！只要同时应用Flocking和Seek两种力，就能实现基本的集群效果。
四、关键性调整

如果只做上面的步骤，然后简单限制一下速度，你会发现效果是这样的：
动画太一致不算什么问题，关键是鸟在原地悬停这个不能忍，又不是飞碟……所以还要做一些关键内容：
1、最关键的是，鸟是不会倒车的，鸟和飞机是靠转弯再转弯来实现掉头。所以，我们将引导力的向后的分量完全取消：
2、引导力有时会剧烈变化方向，但鸟指向的角度不要迅速变化，那样会非常假，平滑处理一下：
3、限制最大速度：
4、根据引导力的大小来控制扇动翅膀的速度，非常科学：
以上用到的参数都是猜想+试验得出的，其原理值得大家思考。再看看最终效果：
五、还未结束

以上修改，已经达到了本文演示的目的，而且效果个人觉得还挺好看的，体现了鸟类集群飞行的美感。如果你的游戏中需要用到鸟群作为装饰，稍微优化一下算法也基本够用了。
但是深究的话，余下的问题还有很多，值得思考：
1、当引导力指向后方，我们直接去掉引导力的向后分量，会导致出现很大的转弯半径，作为演示来说挺炫酷，但是不符合实际，思考飞机转弯的例子，如果能模拟鸟类急转弯，就会更好看了。
2、动画方面，鸟类会综合使用扑翼、滑翔、爬升等动作，应当根据实际调整。我们目前只实现了调整动画速度，很不完美。
相信解决了以上两个问题，鸟群的模拟效果还能再上一层楼，也更符合实际。小问题总是需要花大力气解决，魔鬼总在细节之中~~
GitHub工程地址：
mayao11/GameAIAdvanced
参考书籍：
Programming Game AI By Example,   by Mat Buckland.  译名：《游戏人工智能编程案例精粹》
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