使用Unity制作游戏AI

只记今朝笑

本文转自Unity Connect官方文章
简介
本教程主要介绍游戏AI的概念和开发方法。虽然实现过程是面向Unity的，但整个理论方法可以应用于任何其它游戏引擎。
本文介绍的所有概念都是我们团队在开发《Radiant Blade》游戏的原型阶段学习到的，目前该游戏已经到达成品阶段。
游戏过程演示画面
使用游戏AI的原因
开始介绍技术内容前，我们首先要思考为什么要为游戏添加AI。
很长一段时间以来，我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。因此我们的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。但对我们的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。
游戏设计
什么是娱乐性？更具体来说，游戏中的娱乐性是什么？
开发团队花了一些时间思考这个问题，我们的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的广泛理解，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。例如，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。
简单的AI示例
我们制作的AI可以用下面三句话描述：

生命值在10%以下时，AI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AI很简单。简单是件好事情。如果我们无法简单地描述自己的AI，那么我们可能需要对AI做进一步思考。
状态机和Unity
我们知道状态机很厉害，那么我们是否可以在Unity使用状态机？
当然可以。
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。

由于状态机是游戏中很常见的工具，我不建议开发者自己开发状态机，因为已经有很多人实现过状态机，除非开发者希望学习怎么通过代码实现状态机，否则我们可以直接获取可以使用的状态机。
第二种方法是使用Unity的内置Animator功能。虽然这个名称不太好理解，但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。
《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。我们没有试过这个方法，但我们相信应该不少资源有和Animator一样不错的效果。
如果你使用过比Animator更好的资源，请来告诉我们。
Animator
或许你使用过Animator在Unity中实现标准动画，但我们在此会根据需求调整一些方法。
下面开始吧。
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。
为了演示这一点，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
这里的AI设计是响应式系统，它会随条件而变化，那么条件是什么呢？当然是玩家和环境。
Animator的变量用于描述游戏的状态，以及做出已知决策。
上图是弓箭手使用的变量，它们描述了形成AI的所有要素
这是一项重要的概念。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，它们的作用是通知状态的结束，即behaviour_ended和behaviour_error。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，表示：当AI完成向目标行走的过程后，它应该要做什么。
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。
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，因为它允许我们把AI设计为中心大脑，根据优先级来做出合适的选择。
是否还记得我们之前展示的弓箭手AI？请注意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。

该功能的好处在于，每个单独的过渡都非常简单：过渡会总结为一次测试，或甚至没有测试。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
从这部分开始，我们应该会开始了解具体操作。你是否注意到，到现在我还未提供过任何相关代码。
这个状态不错，因为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的任务：

编写AI行为；把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，首先回顾行为的功能。

行为会和游戏的角色控制器一起工作；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；大概就是这样。

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.     // OnEnable()
12.     // OnDisable()
13.     // enable = true/false;
14. }

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，我创建了带有特殊名称的方法：GetBehaviourHash。因为Animator状态的识别方式是：状态的识别符是其名称的哈希值。https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Animator.StringToHash.html
因此对于Shoot状态，对应的识别符是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. *
4.   * 目的是创建Animator状态名称和AI行为之间的关联。
5. * 下面定义的整数应该用于GetBehaviourHash中继承自AbstractAIBehaviour的类。
6. */
7. public class BehaviourHashes {
8.     // 我们会使用行为，让角色向目标移动。
9.     static public readonly int OBJ_MOVETO_STATE = Animator.StringToHash("Obj MoveTo");
10.     // 我们会使用行为，让角色什么都不做。
11.     static public readonly int IDLE_STATE = Animator.StringToHash("Idle");
12.     // 此时角色会漫无目的地四处移动。
13.     static public readonly int ROAM_STATE = Animator.StringToHash("Roam")
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.         // Animator中的状态名称为Idle。
5.         return BehaviourHashes.IDLE_STATE;
6.     }

复制代码

我们会把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。
唯一的问题在于：由于我们暗中把每个行为关联到名称，因此可能很难打开每个行为类，从而收集Animator状态的授权名称。
从此开始，我们的工作是为真实行为编写实际的代码，但这取决于开发者，因为这要根据自己的游戏来实现。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。     
我们要从控制器开始，由于我们有多个互相独立的实体，我们需要同步它们，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
6.     /**
7.      * Contains the available Behaviours.
8.      * 包含可用行为
9.      *
10.      * The key of a Behaviour is the value returned by its GetBehaviourHash method.
11.      * 行为的关键是GetBehaviourHash方法返回的数值
12.      */
13.     protected Dictionary<int, AbstractAIBehaviour> behaviours = new Dictionary<int, AbstractAIBehaviour>();
15.     // AI的Animator
16.     private Animator stateMachine;
18.     // 正在执行的行为
19.     private AbstractAIBehaviour currentBehaviour;   
20.    
21.     // 必须存在AI Animator中的触发器
22.     public static readonly int BEHAVIOUR_ENDED = Animator.StringToHash("behaviour_ended");
23.     public static readonly int BEHAVIOUR_ERROR = Animator.StringToHash("behaviour_error");
25.     /**
26.      * 强制某个行为中断正在执行的行为
27.      */
28.     public void SetBehaviour(int behaviorHash)
29.     {
30.         // 安全地禁用当前行为
31.         if (currentBehaviour)
32.             currentBehaviour.enabled = false;
34.         try
35.         {
36.             // 开始新的行为
37.             currentBehaviour = behaviours[behaviorHash];
38.             currentBehaviour.enabled = true;
39.         }
40.         catch (KeyNotFoundException)
41.         {
42.             currentBehaviour = null;
43.         }
44.     }
46.     void Awake()
47.     {
48.         stateMachine = GetComponent<Animator>();
50.         // 对于每个子对象
51.         foreach (AbstractAIBehaviour behaviour in GetComponentsInChildren<AbstractAIBehaviour>())
52.         {
53.             // 注册行为
54.             behaviours.Add(behaviour.GetBehaviourHash(), behaviour);
55.             // 监听行为
56.             behaviour.OnBehaviourEnded += OnBehaviourEnded;
57.             behaviour.OnBehaviourError += OnBehaviourError;
58.         }
59.     }
61.     /**
62.      * 在行为结束时，通知AI的Animator
63.      */
64.     private void OnBehaviourEnded()
65.     {
66.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ENDED);
67.     }
69.     /**
70.      * 在行为失败时，通知AI的Animator
71.      */
72.     private void OnBehaviourError()
73.     {
74.         stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ERROR);
75.     }
76. }

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。怎么连接呢？我们会使用一个不常用的功能：StateMachineBehaviour。
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的功能是什么？它允许我们向Animator插入自定义代码。我们要怎么使用它呢？
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，我们有框架的三个类部分，子类，以及角色控制器，它们包含着实际的游戏逻辑。
组合成AI框架的小型类图示
包含游戏逻辑
总而言之，技术方面的解决方法可以总结为三个类，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。
总之，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。
变量，Animator和行为都协同工作
原文链接：
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