使用Unity制作游戏AI

本文由独立游戏工作室Synnaxium Studio介绍游戏AI的概念和开发方法。本文中所有内容都是他们在开发《Radiant Blade》游戏的原型阶段所积累的经验。

下面是《Radiant Blade》的演示画面。

使用游戏AI的原因

首先，我们要思考为什么要给游戏添加AI？

长期以来，我们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，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一个优秀的游戏。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的范围。

游戏设计

游戏中的娱乐性是什么？我们的开发团队花了一些时间思考这个问题，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的广泛解读，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。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。

下面是简单的AI示例。

我们制作开发的AI可以用下面三句话描述：

如果AI的生命值在10%以下时，它就会逃跑。

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。

这意味着我们的AI很简单。如果无法简单地描述自己设计的AI，那么我们可能需要对自己的AI做进一步思考。

状态机与Unity

我们在Unity使用状态机大致的方法有三种：

自己开发。
使用Animator实现。
从Asset Store资源商店获取相应资源。

状态机是游戏中很常见的工具，所以我们不建议开发者自己编写代码开发状态机。除非开发者希望学习如何通过编码实现状态机，否则我们可以获取可直接使用的状态机。

第二种方法是使用Unity的内置Animator功能，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。下图是《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，不少资源有和Animator一样不错的效果。

Animator

或许你使用过Animator在Unity中实现标准动画，但我们会根据需求调整一些方法。

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。

为了展示这个方法，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

我们的AI设计是响应式系统，它会随条件而变化，条件是玩家和环境。

Animator的变量用于描述游戏的状态，以及作出已知决策。下图是弓箭手使用的变量，它们描述了形成AI的所有要素。

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behaviour_ended和behaviour_error，作用是通知状态的结束。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。例如，过渡可以表示：当AI完成向目标行走的过程后，它应该要做什么。

下图是示例过渡：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。

如下图所示，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，它允许我们把AI设计为中心大脑，根据优先级来作出合适的选择。

在我们的弓箭手AI中，需要注意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。

该功能的好处是每个单独的过渡都非常简单：过渡会归结为一次测试，或甚至不进行测试。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

现在，我们开始了解具体操作。你应该会注意到，我们还未提供过任何相关代码。

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的三个任务：

编写AI行为。

将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，回顾行为的功能：

行为会和游戏的角色控制器配合使用。

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。

现在我们知道了想要的功能，我们要把它编写为API。

public abstract class AbstractAIBehaviour : MonoBehaviour {
// 角色由行为控制
[SerializeField]
protected CharController charController;
// 必须返回对应行为的Animator状态的短哈希值。
abstract public int GetBehaviourHash();
// 在行为成功结束时调用的事件。
public event Action OnBehaviourEnded;
// 在行为失败时，要调用的事件
public event Action OnBehaviourError;
// OnDisable()
// enable = true/false;
}

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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，我们创建了带有特殊名称的方法：GetBehaviourHash。因为Animator状态的识别方式是：使用状态的标识符，也就是其名称的哈希值。

因此对于Shoot状态，对应的标识符是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：

/**
*该类是预计算哈希值的占位符。
* 目的是创建Animator状态名称和AI行为之间的关联。
* 下面定义的整数应该用于GetBehaviourHash中继承自AbstractAIBehaviour的类。
*/
public class BehaviourHashes {
//该行为会让角色向目标移动。
static public readonly int OBJ_MOVETO_STATE = Animator.StringToHash("Obj MoveTo");
// 该行为会让角色什么都不做。
static public readonly int IDLE_STATE = Animator.StringToHash("Idle");
// 此时角色会漫无目的地四处移动。
static public readonly int ROAM_STATE = Animator.StringToHash("Roam");
// ...
}

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考虑到这点，AbstractAIBehaviour的实现代码如下。

// 必须返回对应行为的Animator状态的短哈希值。
public override int GetBehaviourHash()
{
// State name in the Animator is “Idle”
// Animator中的状态名称为Idle。
return BehaviourHashes.IDLE_STATE;
}

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我们将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。

唯一的问题是手游账号购买平台，由于我们暗中把每个行为关联到名称，因此打开每个行为类收集Animator状态的授权名称可能很麻烦。

现在，我们的工作是为真实行为编写实际的代码，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。

我们从控制器开始。由于我们有多个彼此独立的实体，因此我们需要同步它们，从而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。

/**
* AIBehaviourController应该关联AI的Animator和相应行为。
*/
public class AIBehaviourController
/**
* 这部分包含可用行为
*
* 行为的关键是GetBehaviourHash方法返回的数值
*/
protected Dictionary<int, AbstractAIBehaviour> behaviours = new Dictionary<int, AbstractAIBehaviour>();
// AI的Animator
private Animator stateMachine;
// 该变量表示正在执行的行为
private AbstractAIBehaviour currentBehaviour;
// 下面是必须存在AI Animator中的触发器
public static readonly int BEHAVIOUR_ENDED = Animator.StringToHash("behaviour_ended");
public static readonly int BEHAVIOUR_ERROR = Animator.StringToHash("behaviour_error");
/**
* 强制某个行为中断正在执行的行为
*/
public void SetBehaviour(int behaviorHash)
{
// 安全地禁用当前行为
if (currentBehaviour)
currentBehaviour.enabled = false;
try
{
// 开始新的行为
currentBehaviour = behaviours[behaviorHash];
currentBehaviour.enabled = true;
}
catch (KeyNotFoundException)
{
currentBehaviour = null;
}
}
void Awake()
{
stateMachine = GetComponent<Animator>();
// 对于每个子对象
foreach (AbstractAIBehaviour behaviour in GetComponentsInChildren<AbstractAIBehaviour>())
{
// 注册行为
behaviours.Add(behaviour.GetBehaviourHash(), behaviour);
// 监听行为
behaviour.OnBehaviourEnded += OnBehaviourEnded;
behaviour.OnBehaviourError += OnBehaviourError;
}
}
/**
* 在行为结束时，通知AI的Animator
*/
private void OnBehaviourEnded()
{
stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ENDED);
}
/**
* 在行为失败时，通知AI的Animator
*/
private void OnBehaviourError()
{
stateMachine.SetTrigger(BEHAVIOUR_ERROR);
}
}

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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。我们会使用一个不常用的功能：StateMachineBehaviour。

如下图所示，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允许我们向Animator插入自定义代码。我们会在Animator的状态变化时，调用我们的AIBehaviourController。

/**
* 该类会插入AI的Animator。
*
* 它的唯一作用是监视Animator中的状态转换。
*/
public class AIStateController : StateMachineBehaviour {
/**
* 在Animator进入新状态时，通知AI控制器。
*/
override public void OnStateEnter(Animator animator, AnimatorStateInfo info, int layerIndex)
{
if (!animator.GetComponent<AIBehaviourController>().SetBehaviour(animatorStateInfo.shortNameHash))
{
// 如果状态不存在，那么把它设为决策中心。
// 强制Animator直接评估该状态。
animator.Update(0f);
}
}
}

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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，我们在框架中包含三个类，子类以及一个角色控制器，它们包含着实际的游戏逻辑。

下图是一个组合成AI框架的小型类图示。

处理游戏逻辑

总而言之，技术解决方案可以总结为三个类，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，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。