面向環(huán)境感知的即時(shí)戰(zhàn)略游戲信息交互設(shè)計(jì)

王 慧，樊澤文，喬秀明

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100192）

0 引 言

游戲與智能體的結(jié)合是當(dāng)今學(xué)術(shù)領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新，早期智能體在游戲中扮演的是非玩家控制的角色以及怪物，1950年香農(nóng)教授在象棋博弈中使用智能體后，游戲與智能體的結(jié)合已經(jīng)走到人們眼前。早期智能體的行為由設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)定，無(wú)法產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，行為較為單一，對(duì)其進(jìn)行智能學(xué)習(xí)后智能體可以打破傳統(tǒng)的預(yù)設(shè)模式，根據(jù)當(dāng)前游戲環(huán)境狀態(tài)和自身狀態(tài)表現(xiàn)出一些自主行為。隨著不斷的學(xué)習(xí)，智能體自身的性能會(huì)不斷改善，能夠更好的在復(fù)雜多變的游戲?qū)?zhàn)環(huán)境下制定高效的作戰(zhàn)策略，并根據(jù)當(dāng)前環(huán)境適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

多數(shù)人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識(shí)智能體，越來(lái)越多的智能體博弈游戲出現(xiàn)，從棋類游戲到規(guī)則更為復(fù)雜的MOBA類游戲以及RPG游戲等。智能代理在游戲中的應(yīng)用也越來(lái)越多，比如星際爭(zhēng)霸Ⅱ，可提取游戲各種信息并保存在字典中，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多維數(shù)組對(duì)象，支持將多模態(tài)信息輸出，也可以將智能體的輸出動(dòng)作，映射到實(shí)時(shí)環(huán)境中。

智能體是機(jī)器學(xué)習(xí)研究中的一個(gè)新領(lǐng)域，其動(dòng)機(jī)在于通過(guò)嘗試模擬和實(shí)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)行為，建立起智能體的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并不斷地修改其結(jié)構(gòu)，使其自身性能不斷改善。近年來(lái)，智能體在實(shí)時(shí)游戲中的應(yīng)用越來(lái)越多，比如星際爭(zhēng)霸Ⅱ，可將多模態(tài)輸入數(shù)據(jù)表征輸入到環(huán)境代理組件，同時(shí)將環(huán)境代理組件的輸出動(dòng)作，映射到實(shí)時(shí)環(huán)境中。

星際爭(zhēng)霸系列是由暴雪娛樂(lè)制作發(fā)行的即時(shí)戰(zhàn)略游戲，自1998年以來(lái)已經(jīng)發(fā)行三版，成為近二十年來(lái)最暢銷和最杰出的游戲之一。在游戲中，玩家需要控制神族、人族、蟲族三大種族之一的勢(shì)力，去完成具有未來(lái)科幻風(fēng)格的軍事化戰(zhàn)役。玩家需要不斷開拓視野，收集資源并擴(kuò)大己方優(yōu)勢(shì)，最終摧毀對(duì)方基地，以獲得全部勝利。關(guān)于對(duì)星際爭(zhēng)霸系列游戲的研究早在2010年就已經(jīng)開始，起初研究人員主要以構(gòu)建硬編碼智能體參與競(jìng)技比賽，但是此類模型沒有學(xué)習(xí)能力，完全基于預(yù)設(shè)規(guī)則執(zhí)行動(dòng)作，這種模型雖然可以擊敗星際爭(zhēng)霸內(nèi)置AI，但還遠(yuǎn)未達(dá)到人類基本能力。直到2017年DeepMind公司聯(lián)合暴雪娛樂(lè)共同發(fā)布了星際爭(zhēng)霸Ⅱ人工智能研究環(huán)境，星際爭(zhēng)霸Ⅱ也推出了一年一度的天梯賽——StarCraft 2 AI Ladder，為更多的智能體研究人員提供了更好的測(cè)試環(huán)境和數(shù)據(jù)支持。

1 本文研究概述

本文研究游戲環(huán)境信息交互過(guò)程，如圖1所示。首先，提取出游戲中的玩家信息和環(huán)境信息，將提取出來(lái)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成多維數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以字典格式保存；其次，將智能體決策出的動(dòng)作執(zhí)行到環(huán)境，首先根據(jù)游戲需求設(shè)計(jì)動(dòng)作，將其添加到動(dòng)作集中；最后，將動(dòng)作解析成智能體能夠處理的格式，使其能夠執(zhí)行到環(huán)境中。

圖1 游戲環(huán)境信息交互過(guò)程Fig.1 Game environment information interaction process

游戲地圖中包含了屏幕信息、玩家和游戲信息等多模態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)提取特征層來(lái)提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成能夠輸入到智能體的數(shù)據(jù)表征。

將動(dòng)作執(zhí)行到環(huán)境模塊，本文設(shè)計(jì)研究的動(dòng)作均為即時(shí)戰(zhàn)略游戲中一些常見單位，士兵、戰(zhàn)斗機(jī)、坦克等的基礎(chǔ)動(dòng)作，例如：攻擊、移動(dòng)等。每個(gè)單位必要的基礎(chǔ)動(dòng)作類型，包括攻擊、移動(dòng)、停止、巡邏、原地防御以及啟用武器。

2 用戶和游戲信息的提取和轉(zhuǎn)換

游戲環(huán)境提供的觀察量共包含16大類的數(shù)據(jù)，例如：玩家信息、上次選擇的動(dòng)作信息、得分信息等。環(huán)境推進(jìn)過(guò)程中智能體的決策會(huì)利用到相關(guān)觀察量。本文將提取出游戲環(huán)境中封裝好的玩家和游戲信息，并將其轉(zhuǎn)換成多維數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.1 游戲環(huán)境的信息提取

觀察量信息及其參數(shù)已被封裝在文件中，主要包含游戲畫面信息、小地圖信息、玩家信息、可用動(dòng)作集合等共12種，部分觀察量信息見表1。本文將通過(guò)觀察者模式反射，得到玩家和游戲信息，并自動(dòng)更新。

表1 觀察量集合Tab.1 Set of observations

提取玩家和游戲信息，需要連接API接口，通過(guò)觀察者模式使所有依賴于此模式的對(duì)象都能得到自動(dòng)更新，提取玩家和游戲信息時(shí)需要傳入智能體，或者長(zhǎng)度不同的參數(shù)組合，并且匹配接口的格式。首先，匹配游戲環(huán)境中定義的觀察量規(guī)格；其次，將python數(shù)據(jù)與某些二進(jìn)制文件進(jìn)行交互，客戶端發(fā)送請(qǐng)求，獲取當(dāng)前觀察數(shù)據(jù)，使用觀察者模式將依賴于此模式的對(duì)象都得到通知并被自動(dòng)更新；最后，將提取的信息存儲(chǔ)為字符串類型的觀察數(shù)據(jù)。

2.2 用戶和游戲環(huán)境信息轉(zhuǎn)換

提取完成后，游戲的各種觀察數(shù)據(jù)將以字符串的形式保存在數(shù)組中。智能體的輸入，需要字典格式的數(shù)據(jù)類型，本文將通過(guò)轉(zhuǎn)換函數(shù)將游戲信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。智能體輸入數(shù)據(jù)時(shí)挑選所需要的數(shù)據(jù)，編碼后即可輸入。

將觀察結(jié)果轉(zhuǎn)化為智能體可處理的結(jié)果。首先，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)字典，用來(lái)存儲(chǔ)各種類型的數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是從游戲環(huán)境提取的信息，包括地圖名稱、上次的操作、單選、創(chuàng)建隊(duì)列等；判斷特征尺寸是否存在于智能體接口迷你地圖特征以及屏幕特征中，則將觀察量和智能體的接口的參數(shù)進(jìn)行指定軸的鏈接，通過(guò)指定的軸鏈接屏幕和小地圖數(shù)組特征，將數(shù)據(jù)以流的形式讀入，轉(zhuǎn)化成多維數(shù)組對(duì)象。智能體的輸入數(shù)據(jù)就可以從字典中挑選需要的數(shù)據(jù)，編碼后作為智能體的輸入數(shù)據(jù)。

輸出數(shù)組包括動(dòng)作結(jié)果、受到攻擊的張量、得分、得分類型、必要得分、玩家參數(shù)、單元向量、單選和多選、計(jì)算單元特征、匹配單位向量等數(shù)組。

游戲信息提取并完成轉(zhuǎn)化后，將其以多維數(shù)組格式存儲(chǔ)。表2為提取后的部分游戲信息，最終轉(zhuǎn)換結(jié)果為24組數(shù)據(jù)信息，可以直接從中抽取智能體輸入需要的數(shù)據(jù)，編碼即可使用。

表2 玩家和游戲信息Tab.2 Player and game information

3 動(dòng)作執(zhí)行到環(huán)境

3.1 單位動(dòng)作的設(shè)計(jì)

星際爭(zhēng)霸Ⅱ游戲中每個(gè)兵種都有自己獨(dú)特的動(dòng)作類型，但每個(gè)兵種共有的基礎(chǔ)動(dòng)作相同，包括攻擊、移動(dòng)、停止、巡邏、原地防御5種，不同單位這5種動(dòng)作的基本細(xì)節(jié)不同。每個(gè)單位的攻擊方式不同，移動(dòng)速度不同，巡邏地點(diǎn)與范圍也有差異。本文設(shè)計(jì)兩種動(dòng)作類型，一是簡(jiǎn)單動(dòng)作，只涉及到單位自身的動(dòng)作，如移動(dòng)；另一種類型是組合動(dòng)作，涉及到多個(gè)單位，或者說(shuō)有觸發(fā)的前提條件，如攻擊。

3.2 動(dòng)作執(zhí)行到環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)星際爭(zhēng)霸Ⅱ的動(dòng)作調(diào)查，玩家可以對(duì)游戲做出相應(yīng)動(dòng)作與控制，包括視野，選中單位等，使得玩家可以對(duì)兵種單位進(jìn)行控制。玩家可以對(duì)地圖和單位做出下列操作：為動(dòng)作原型選擇動(dòng)作空間、移動(dòng)攝像頭等。一個(gè)游戲中會(huì)包括許多基本動(dòng)作，而基本動(dòng)作組合后成為組合動(dòng)作，組合動(dòng)作所衍生的動(dòng)作空間很大，需要使用組合動(dòng)作函數(shù)，每一個(gè)函數(shù)都帶有一定的參數(shù)，共13個(gè)，這樣可以簡(jiǎn)化游戲的動(dòng)作空間。

執(zhí)行動(dòng)作根據(jù)游戲需要設(shè)計(jì)動(dòng)作類型，例如：攻擊、移動(dòng)等，本實(shí)驗(yàn)使用代理組件庫(kù)中提供的動(dòng)作格式設(shè)計(jì)動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換成智能體可以處理的格式，最后根據(jù)動(dòng)作實(shí)際執(zhí)行效果，人為驗(yàn)證動(dòng)作是否合理可用。

3.3 動(dòng)作執(zhí)行到環(huán)境具體實(shí)現(xiàn)

智能體將動(dòng)作作用到環(huán)境。首先，分別取出一個(gè)觀測(cè)空間的維度和一個(gè)動(dòng)作空間的維度，并取出智能體；其次，使用相關(guān)函數(shù)初始化，關(guān)聯(lián)動(dòng)作空間和觀測(cè)空間。對(duì)智能體的所有環(huán)境初始化，取出其中的所有動(dòng)作，對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，直到達(dá)到最后一幀，將智能體動(dòng)作傳送到環(huán)境中，完成動(dòng)作映射。通過(guò)判斷動(dòng)作是否可用，參數(shù)數(shù)量以及參數(shù)是否有效，決定動(dòng)作是否執(zhí)行成功。

4 測(cè)試與分析

本文測(cè)試是基于銀河編輯器為模型人為添加動(dòng)作，故無(wú)法保證每個(gè)動(dòng)作的正確性和可行性，需要根據(jù)游戲邏輯返回不同函數(shù)，根據(jù)實(shí)際游戲動(dòng)作人為認(rèn)證效果是否正確。為設(shè)計(jì)好的動(dòng)作搭建測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行編碼測(cè)試，測(cè)試主要采用了前后端分離的方式，前端基于已有的銀河編輯器，在GUI界面進(jìn)行游戲環(huán)境的設(shè)計(jì)，提供一個(gè)相對(duì)完善的游戲環(huán)境，玩家可以在指定區(qū)域內(nèi)自行放置單位，并且設(shè)置單位的生命值、移動(dòng)速度、搭載的武器、射程范圍、單位所有動(dòng)作等屬性；后端利用環(huán)境代理庫(kù)中的決策函數(shù)，以游戲環(huán)境觀察量以及單位和單位所有動(dòng)作為基礎(chǔ)，隨機(jī)決策出一個(gè)動(dòng)作，作用于環(huán)境，人為觀察動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程與執(zhí)行結(jié)果，測(cè)試動(dòng)作結(jié)果見表3。

表3 測(cè)試動(dòng)作列表Tab.3 Test action list

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)的描述了面向環(huán)境感知的實(shí)時(shí)游戲數(shù)據(jù)交互的全部實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在環(huán)境代理庫(kù)中尋找到游戲環(huán)境信息的表示后，通過(guò)判斷游戲屏幕和小地圖特征圖層的信息，提取特征層、游戲信息并轉(zhuǎn)換為智能體的輸入數(shù)據(jù)格式，為智能體的訓(xùn)練提供觀察量，最后使智能體成功執(zhí)行動(dòng)作，更新游戲地圖。