機器人足球人工智能算法分析

前段時(shí)間做了個(gè)人機對戰的五子棋游戲，覺(jué)得人工智能非常有意思。所以最近沒(méi)事，又思考了一下機器人足球的人工智能算法。

機器人足球和五子棋游戲的主要聯(lián)系是：都需要隨時(shí)分析整個(gè)棋盤(pán)/球場(chǎng)的狀態(tài)，并作出最合適的反應；主要區別是：五子棋游戲是回合制的，而機器人足球是“即時(shí)”游戲，另外五子棋只要基于某一步棋子考慮，但機器人足球必須考慮23個(gè)人/球（棋子）。

表面看區別蠻大的，現在具體來(lái)分析一下：

1）關(guān)于機器人足球的“即時(shí)”特點(diǎn)

22個(gè)人，再加上一個(gè)足球，場(chǎng)上一共有23個(gè)物體在同時(shí)運動(dòng)。我們不可能說(shuō)機器人足球和五子棋一樣，先一個(gè)人動(dòng)，其他人站著(zhù)，第一個(gè)動(dòng)完再第二個(gè)人動(dòng)....這樣不是在踢球，而是在表演節目。如果當年《星際爭霸》這樣的即時(shí)戰略游戲，當人全部部署好之后，按一個(gè)ready鍵通知計算機，然后計算機慢慢悠悠測挨個(gè)處理它控制的坦克，那還有什么樂(lè )趣。

有人肯能會(huì )說(shuō)可以用多線(xiàn)程（我事先申明，我對多線(xiàn)程的了解，僅限于幾個(gè)簡(jiǎn)單的例程，所以一下的敘述可能有不對的地方）。沒(méi)錯，多線(xiàn)程確實(shí)可以同步處理，并且對于足球這樣的游戲，場(chǎng)上人員是確定的（不考慮被紅牌罰下的），用23個(gè)線(xiàn)程來(lái)控制人和球，似乎也沒(méi)什么不妥（）。但是如果是《星際》，造一個(gè)坦克就要新建一個(gè)進(jìn)程，打死一個(gè)大兵就要銷(xiāo)毀一個(gè)進(jìn)程....好像這樣開(kāi)銷(xiāo)比較大。更何況計算機如果造出100架坦克，外加100個(gè)大兵，消耗的資源將相當可觀(guān)。雖然我不知道《星際》是如何實(shí)現即時(shí)戰略的，但我想即使是用多線(xiàn)程，也肯定有專(zhuān)門(mén)的算法對其進(jìn)行優(yōu)化。

用得著(zhù)這么復雜么？我們再仔細分析一下即時(shí)制跟回合制之間的關(guān)系，會(huì )發(fā)現兩者其實(shí)沒(méi)有本質(zhì)的區別，更準確的說(shuō)，回合制其實(shí)是即時(shí)制的一個(gè)特例而已！我做五子棋的時(shí)候，為了讓人和計算機同步，設置了一些標志。當人下過(guò)棋后，將標志復位，計算機才可以下棋。它下過(guò)一次后將標志置位，就不能繼續下了，等待人下棋。如果我們把這些標志取消，那么計算機就會(huì )根據當前棋盤(pán)情況自顧自的下棋，你趕得上它的節奏你可能會(huì )贏(yíng)，趕不上的話(huà)，就等著(zhù)輸吧！這樣五子棋也就成了一個(gè)即時(shí)戰略的游戲了。

所以我認為，對于機器人足球，只需要輪循計算機控制的所有球員，讓每個(gè)球員針對場(chǎng)上情況作出最正確的響應就行了。計算機的速度非?？?，雖然是輪循，但幾乎不會(huì )察覺(jué)出其中的先后次序，給人的感覺(jué)就是在同時(shí)進(jìn)行。其實(shí)操作系統的多線(xiàn)程，也是這樣實(shí)現的。X86構架的cpu，多線(xiàn)程多任務(wù)程序是運行在保護模式下的，其根本思想就是將cpu時(shí)間切片，這個(gè)時(shí)間片上處理a任務(wù)，不管有沒(méi)有處理完，下一個(gè)時(shí)間片上一定處理b任務(wù)，一圈循環(huán)下來(lái)，再繼續執行未完成的a任務(wù)。

但是還有一個(gè)問(wèn)題。由于計算機的反應遠比人快，如果設計FIFA這樣的人機交互游戲，很可能計算機將它控制的所有物體都計算好多遍了，可人還沒(méi)作出反應呢。對于強調反應能力的即時(shí)制游戲，這種思維速度的差距可能無(wú)法接受。我的看法是，可以讓計算機處理完一遍所有物體后，暫時(shí)停頓一段時(shí)間，比如500ms，比如1s（具體長(cháng)度需要測試后才能得出）。而且，計算機停頓時(shí)間的長(cháng)短，也可以用來(lái)區分難度，難度越低，計算機停頓的時(shí)間也越長(cháng)。當然，我這里所說(shuō)的停頓，并不是指計算機真的停止處理任何事務(wù)。計算機仍需要按照事先設定的運動(dòng)方向和速度計算每個(gè)球員的新坐標并不斷刷新，以顯示出動(dòng)畫(huà)效果。只是每隔1s鐘，才會(huì )作出特殊反應（踢球、搶斷等），改變運動(dòng)方向和速度

2）機器人足球計算機考慮的點(diǎn)比五子棋多

場(chǎng)上有23個(gè)物體需要計算機處理，情況似乎比五子棋復雜的多了。但真的需要無(wú)差別的處理23個(gè)物體嗎？

我們來(lái)看看真實(shí)的足球。我不是很喜歡足球，對足球規則和各種戰術(shù)也不了解。我只談?wù)勎业母杏X(jué)。

對于球來(lái)說(shuō)，雖然它隨時(shí)都在運動(dòng)，但抽象看來(lái)，它在場(chǎng)上的情況非常簡(jiǎn)單：向某個(gè)方向運動(dòng)，運動(dòng)速度如何，目前所在的坐標，就這么三個(gè)要素。其他的什么由哪方控制，誰(shuí)踢了一腳，都不需要也不應該考慮（這符合oop思想）。

再來(lái)看看22個(gè)運動(dòng)員。其實(shí)我們可以發(fā)現，往往只有離球最近的球員，才會(huì )作出相應的反應（包括盤(pán)帶/踢球、傳球、接球、搶斷、射門(mén)等，都只有靠近球的隊員才會(huì )作出，甚至防守的時(shí)候，也往往是防守有球的球員，歸根到底還是離球非常近）。沒(méi)見(jiàn)過(guò)球在前場(chǎng)，隊員卻在后場(chǎng)拼搶的（當然不考慮小動(dòng)作:)）。所以離球較遠的球員，只需向球跑動(dòng)甚至暫時(shí)停止不前（這個(gè)可以用隨即函數來(lái)控制。影響隨機值的是球員的積極性和離球的遠近。積極的球員更加主動(dòng)的奔跑，離球稍近的奔跑更主動(dòng)）。只有離球近的球員，才會(huì )作出特殊的處理。這樣細細劃分后，整體算法思路就比較清晰了。

通過(guò)上面的分析，現在來(lái)總結一下：

設計機器人足球的時(shí)候，可以使用輪循的方法，挨個(gè)處理22個(gè)隊員和1個(gè)球。一般情況下，處理方法也就是：通過(guò)原來(lái)的坐標和事先確定的方向、速度，計算新的坐標。當計算完所有物體的新坐標后，刷新屏幕，以顯示出動(dòng)畫(huà)效果。

每隔一段時(shí)間（或者若干次后），允許計算機對每個(gè)物件作出特殊操作（踢球、傳球等），這些特殊操作的本質(zhì)就是改變23個(gè)物體的速度和方向，使接下來(lái)一段時(shí)間物體的運動(dòng)軌跡產(chǎn)生變化。

做特殊操作時(shí)，可以按照球員序號遍歷。針對每個(gè)球員需要做的事情是：

1.計算這個(gè)球員離球有多遠。超過(guò)一定距離，就隨意處理（比如上面提到的，用隨即函數確定這個(gè)人是向球跑還是停止）

2.離球近的話(huà)，再查詢(xún)球周?chē)袥](méi)有離球更近的球員（考慮到時(shí)間復雜度，不推薦真的去遍歷整個(gè)球場(chǎng)，而是維護一張表，用來(lái)記錄每個(gè)球員當前和球的距離）

3.如果有對方球員離球更近，則可選的操作有：更加靠近、搶斷、等等（我不太懂足球，不知道還有什么操作）?？梢杂秒S機數來(lái)確定執行的操作

4.如果有己方球員離球更近，則可以斷定此人正在帶球，此時(shí)可選的操作是：向他移動(dòng)準備接應、向對方球門(mén)移動(dòng)準備接傳球進(jìn)攻

5.如果當前沒(méi)有其他球員離球更近，那此時(shí)可以斷定該球員正在帶球。此時(shí)需要考察周?chē)踩嚯x內有沒(méi)有對方球員，有沒(méi)有己方球員，離球門(mén)多遠等等問(wèn)題，并作出傳球、射門(mén)、盤(pán)帶等等操作（沒(méi)必要真的計算其他人跟自己的距離。由于此時(shí)離球近，可以忽略不計。完全可以用其他人離球的距離來(lái)代表。具體原理，踢場(chǎng)球就知道了:)）。這些操作比較簡(jiǎn)單，只要用一些選擇語(yǔ)句就可以了。有多種操作可供選擇的時(shí)候，可以用隨機數來(lái)確定。球員的各種屬性都可以影響隨機數的取值。

除此之外，還有一些例外操作：比如當出現運動(dòng)員跑著(zhù)跑著(zhù)出線(xiàn)、相撞、碰到球等情況，此時(shí)即使還沒(méi)有到例行的處理特殊操作的時(shí)候，但也必須立即針對涉及的球員執行特殊操作，否則不真實(shí)、不合理的。

最后我們來(lái)談一下球員和球的數據結構

球員：
{
方向/速度/當前坐標....
傳球()/踢球()/射門(mén)()/接球()/搶斷()....../跑動(dòng)()
計算新坐標()
}

足球：
{
方向/速度/當前坐標....
計算新坐標()
friend:
球員::傳球()/踢球()...... //或者做一個(gè)改變方向/速度的接口，讓球員中的函數能調用這個(gè)接口

}

除此之外，還需要一些表，維護諸如每個(gè)球員離球的距離等信息，方便各種處理。另外還有一些細節，可能是做游戲必須的，但由于相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，所以在這里就不多分析了。

由于精力有限，我工作、學(xué)習的壓力比較大，所以上述算法并沒(méi)有實(shí)現。我寫(xiě)這篇文章，是試圖分析出即時(shí)戰略游戲的一般設計方法。當然，我只是一個(gè)編程的初學(xué)者，所有的分析又都是我的個(gè)人看法（沒(méi)有看過(guò)相關(guān)文章）；并且我不是專(zhuān)門(mén)做游戲的，不可能將機器人足球的人工智能分析的如同EA的開(kāi)發(fā)人員那么徹底。所以我的分析可能很粗糙，甚至有很多錯誤。如果能對大家有一點(diǎn)啟發(fā)，我非常欣慰。當然，我更希望大家指出我的錯誤看法，讓我能逐步提高自己的水平。