作者 | 李秋键
责编 | Carol
出品 | AI科技大本营（ID:rgznai100）
如果说这几年网络上最为常见的词语，其中必然会提到的便是人工智能。
人工智能的发展已经影响到了我们的日常生活，像我们生活中的刷脸支付是用的是计算机视觉中的人脸识别；网购时商品的推荐和阅读新闻时话题的推荐也是基于用户使用记录进行搜索智能优化；以及包括电脑代替游戏玩家进行游戏等等。
而其中AI游戏常用的方法实际上并不是神经网络首当其冲，因为神经网络对于复杂游戏而言需要对电脑服务器等要求较高，且优化复杂。那么针对特定的游戏搭建机器学习算法便显得尤为重要。
在我们生活中经常会遇到机器学习搭建AI游戏的例子。其中《模拟人生》系列就是最好的例子。没错，在这个游戏中，你细致的设置过角色的星座、性格、喜好后，它会按照设定进行自我行动，配上游戏题材，几乎和人类无疑。
做到这一点，依靠的是“行为树”。行为树和此前介绍过的决策树非常相似，通过状态枚举、流程控制来设计游戏中人物的行为。只是相比决策树单纯的通过各个节点进行IF，THEN的判断，行为树中充满了条件节点、动作节点、选择节点、顺序节点等等更复杂的东西。再加上一些随机动作，行为树下的NPC几乎可以以假乱真。
如下图可见：
如上图所示，黄色矩形为执行节点，白色字体为条件节点。模拟人生人物在“吃饭”这一组合节点中，首先要判断自己是否饥饿、冰箱里是否有食物，如果结果都是“是”，就会执行做饭这一行为。
这只是针对这一个游戏而言，但是其原理是差不多的。比如我们要做的智能贪吃蛇，我们要做的就是首先判断果实的位置，然后根据蛇的头部位置可以判断出果实在哪个方位，从而决策出各种往哪个方向行动多少格即可，说白了也就是简单的加减计算而已。
介绍到这里，那么下面我们开始动手搭建我们的智能游戏。
实验前的准备
首先我们使用的python版本是3.6.5所用到的库有random，目的很明显，用来随机生成果实位置；pygame是用来搭建游戏框架实现游戏整体可运行；sys是为了方便操作电脑系统的框架，因为其中电脑需要执行动作需要有操作权限。
搭建游戏框架
1、初始化变量和导入库：
游戏框架所涉及到的必然参数有游戏窗口的大小，方向的定义、以及用来存储蛇身体长度的变量等等。详细代码如下：
代码语言：javascript复制import random
import pygame
import sys
from pygame.locals import *
# 错误码
ERR = -404
# 屏幕大小
Window_Width = 800
Window_Height = 500
# 刷新频率
Display_Clock = 17
# 一块蛇身大小
Cell_Size = 20
assert Window_Width % Cell_Size == 0
assert Window_Height % Cell_Size == 0
# 等价的运动区域大小
Cell_W = int(Window_Width/Cell_Size)
Cell_H = int(Window_Height/Cell_Size)
FIELD_SIZE = Cell_W * Cell_H
# 背景颜色
Background_Color = (0, 0, 0)
# 蛇头索引
Head_index = 0
# 运动方向
best_move = ERR
# 不同东西在矩阵里用不同的数字表示
FOOD = 0
FREE_PLACE = (Cell_W 1) * (Cell_H 1)
SNAKE_PLACE = 2 * FREE_PLACE
# 运动方向字典
move_directions = {
'left': -1,
'right': 1,
'up': -Cell_W,
'down': Cell_W
}2、游戏框架函数：
这部分函数和游戏的智能性无关，仅仅是游戏框架必要的函数。其中用到的函数为了方便调用，我们需要预先设定好。其中必然需要的是关闭界面函数；得分更新函数；获取果实位置等等功能的函数，详细代码如下：
代码语言：javascript复制# 关闭游戏界面
def close_game():
pygame.quit()
sys.exit()
# 检测玩家的按键
def Check_PressKey():
if len(pygame.event.get(QUIT)) > 0:
close_game()
KeyUp_Events = pygame.event.get(KEYUP)
if len(KeyUp_Events) == 0:
return None
elif KeyUp_Events[0].key == K_ESCAPE:
close_game()
return KeyUp_Events[0].key
# 显示当前得分
def Show_Score(score):
score_Content = Main_Font.render('得分：%s' % (score), True, (255, 255, 255))
score_Rect = score_Content.get_rect()
score_Rect.topleft = (Window_Width-120, 10)
Main_Display.blit(score_Content, score_Rect)
# 获得果实位置
def Get_Apple_Location(snake_Coords):
flag = True
while flag:
apple_location = {'x': random.randint(0, Cell_W-1), 'y': random.randint(0, Cell_H-1)}
if apple_location not in snake_Coords:
flag = False
return apple_location
# 显示果实
def Show_Apple(coord):
x = coord['x'] * Cell_Size
y = coord['y'] * Cell_Size
apple_Rect = pygame.Rect(x, y, Cell_Size, Cell_Size)
pygame.draw.rect(Main_Display, (255, 0, 0), apple_Rect)
# 显示蛇
def Show_Snake(coords):
x = coords[0]['x'] * Cell_Size
y = coords[0]['y'] * Cell_Size
Snake_head_Rect = pygame.Rect(x, y, Cell_Size, Cell_Size)
pygame.draw.rect(Main_Display, (0, 80, 255), Snake_head_Rect)
Snake_head_Inner_Rect = pygame.Rect(x 4, y 4, Cell_Size-8, Cell_Size-8)
pygame.draw.rect(Main_Display, (0, 80, 255), Snake_head_Inner_Rect)
for coord in coords[1:]:
x = coord['x'] * Cell_Size
y = coord['y'] * Cell_Size
Snake_part_Rect = pygame.Rect(x, y, Cell_Size, Cell_Size)
pygame.draw.rect(Main_Display, (0, 155, 0), Snake_part_Rect)
Snake_part_Inner_Rect = pygame.Rect(x 4, y 4, Cell_Size-8, Cell_Size-8)
pygame.draw.rect(Main_Display, (0, 255, 0), Snake_part_Inner_Rect)
# 画网格
def draw_Grid():
# 垂直方向
for x in range(0, Window_Width, Cell_Size):
pygame.draw.line(Main_Display, (40, 40, 40), (x, 0), (x, Window_Height))
# 水平方向
for y in range(0, Window_Height, Cell_Size):
pygame.draw.line(Main_Display, (40, 40, 40), (0, y), (Window_Width, y))
# 显示开始界面
def Show_Start_Interface():
title_Font = pygame.font.Font('simkai.ttf', 100)
title_content = title_Font.render('贪吃蛇', True, (255, 255, 255), (0, 0, 160))
angle = 0
while True:
Main_Display.fill(Background_Color)
rotated_title = pygame.transform.rotate(title_content, angle)
rotated_title_Rect = rotated_title.get_rect()
rotated_title_Rect.center = (Window_Width/2, Window_Height/2)
Main_Display.blit(rotated_title, rotated_title_Rect)
pressKey_content = Main_Font.render('按任意键开始游戏！', True, (255, 255, 255))
pressKey_Rect = pressKey_content.get_rect()
pressKey_Rect.topleft = (Window_Width-200, Window_Height-30)
Main_Display.blit(pressKey_content, pressKey_Rect)
if Check_PressKey():
# 清除事件队列
pygame.event.get()
return
pygame.display.update()
Snake_Clock.tick(Display_Clock)
angle -= 5
# 显示结束界面
def Show_End_Interface():
title_Font = pygame.font.Font('simkai.ttf', 100)
title_game = title_Font.render('Game', True, (233, 150, 122))
title_over = title_Font.render('Over', True, (233, 150, 122))
game_Rect = title_game.get_rect()
over_Rect = title_over.get_rect()
game_Rect.midtop = (Window_Width/2, 70)
over_Rect.midtop = (Window_Width/2, game_Rect.height 70 25)
Main_Display.blit(title_game, game_Rect)
Main_Display.blit(title_over, over_Rect)
pygame.display.update()
pygame.time.wait(500)
while True:
for event in pygame.event.get():
if event.type == QUIT:
close_game()
elif event.type == KEYDOWN:
if event.key == K_ESCAPE:
close_game()
# 判断该位置是否为空
def Is_Cell_Free(idx, psnake):
location_x = idx % Cell_W
location_y = idx // Cell_W
idx = {'x': location_x, 'y': location_y}
return (idx not in psnake)
游戏智能性设计
1、根据果实位置判断执行方向：
代码语言：javascript复制# 检查位置idx是否可以向当前move方向运动
def is_move_possible(idx, move_direction):
flag = False
if move_direction == 'left':
if idx�ll_W > 0:
flag = True
else:
flag = False
elif move_direction == 'right':
if idx�ll_W < Cell_W-1:
flag = True
else:
flag = False
elif move_direction == 'up':
if idx > Cell_W-1:
flag = True
else:
flag = False
elif move_direction == 'down':
if idx < FIELD_SIZE - Cell_W:
flag = True
else:
flag = False
return flag2、最短路径的选择：
到达果实的位置道路是千万条的，我们需要做的是最有效的方法，即需要找到最短的路径。
详细定义函数如下：
代码语言：javascript复制# 从蛇头周围4个领域点中选择最短路径
def choose_shortest_safe_move(psnake, pboard):
best_move = ERR
min_distance = SNAKE_PLACE
for move_direction in ['left', 'right', 'up', 'down']:
idx = psnake[Head_index]['x'] psnake[Head_index]['y']*Cell_W
if is_move_possible(idx, move_direction) and (pboard[idx move_directions[move_direction]]<min_distance):
min_distance = pboard[idx move_directions[move_direction]]
best_move = move_direction
return best_move
# 找到移动后蛇头的位置
def find_snake_head(snake_Coords, direction):
if direction == 'up':
newHead = {'x': snake_Coords[Head_index]['x'],
'y': snake_Coords[Head_index]['y']-1}
elif direction == 'down':
newHead = {'x': snake_Coords[Head_index]['x'],
'y': snake_Coords[Head_index]['y'] 1}
elif direction == 'left':
newHead = {'x': snake_Coords[Head_index]['x']-1,
'y': snake_Coords[Head_index]['y']}
elif direction == 'right':
newHead = {'x': snake_Coords[Head_index]['x'] 1,
'y': snake_Coords[Head_index]['y']}
return newHead3、决策优化：
当蛇身过长等问题出现时可能会导致程序找不到合适的解决方案，故我们需要对此进行处理，即找不到合适的行为吃到果实。代码如下：
代码语言：javascript复制# 如果蛇和食物间有路径
# 则需要找一条安全的路径
def find_safe_way(psnake, pboard, pfood):
safe_move = ERR
real_snake = psnake[:]
real_board = pboard[:]
v_psnake, v_pboard = virtual_move(psnake, pboard, pfood)
# 如果虚拟运行后，蛇头蛇尾间有通路，则选最短路运行
if is_tail_inside(v_psnake, v_pboard, pfood):
safe_move = choose_shortest_safe_move(real_snake, real_board)
else:
safe_move = follow_tail(real_snake, real_board, pfood)
return safe_move
# 各种方案均无效时，随便走一步
def any_possible_move(psnake, pboard, pfood):
best_move = ERR
reset_board = board_reset(psnake, pboard, pfood)
pboard = reset_board
result, refresh_board = board_refresh(psnake, pfood, pboard)
pboard = refresh_board
min_distance = SNAKE_PLACE
for move_direction in ['left', 'right', 'up', 'down']:
idx = psnake[Head_index]['x'] psnake[Head_index]['y']*Cell_W
if is_move_possible(idx, move_direction) and (pboard[idx move_directions[move_direction]]<min_distance):
min_distance = pboard[idx move_directions[move_direction]]
best_move = move_direction
return best_move游戏运行
调用主函数初始化运行即可：
代码语言：javascript复制# 主函数
def main():
global Main_Display, Main_Font, Snake_Clock
pygame.init()
Snake_Clock = pygame.time.Clock()
Main_Display = pygame.display.set_mode((Window_Width, Window_Height))
Main_Font = pygame.font.Font('simkai.ttf', 18)
pygame.display.set_caption('AI_snake')
Show_Start_Interface()
while True:
Run_Game()
Show_End_Interface()
if __name__ == '__main__':
main()最终效果图如下可见：
