Как работает ИИ в F.E.A.R. — постоянное планирование в качестве альтернативы дереву поведения

Подробный разбор устройства искусственного интеллекта.

Блогер Томми Томпсон в своём тексте рассказал, как устроен искусственный интеллект в F.E.A.R. Все враги в игре используют систему целе-ориентированного планирования действий, которая позволяет им выстраивать последовательности шагов для выполнения своей цели. Мы выбрали из текста главное.

В игровой индустрии никогда не прекращается поиск новых и более оптимальных способов создания ИИ. Со временем появилась навигационная сетка, которая упрощает перемещение NPC в пространстве, а также конечные автоматы (Finite State Machine, FSM), на основе которых работает ИИ в Half-Life. Затем Halo 2 популяризировала «дерево поведения», которое теперь наиболее часто применяется в играх.

Примерно в то же время, благодаря F.E.A.R., стал популярным альтернативный способ управления ИИ — целе-ориентированное планирование действий (Goal-Oriented Action Planning, GOAP).

Начнём с того, что этот способ основан на технологии автоматизированного планирования — процессе, при котором система пытается определить последовательность действий для достижения отдалённой цели. Чтобы сделать это, нужна модель, которая сообщает всю актуальную информацию о игровом мире — это называется фактами или предикатами. Совокупность предикатов, относящихся к одному моменту времени, формируют состояние мира.

Например, представим закрытую дверь. Чтобы NPC мог открыть её, нужна информация о том, закрыта она или нет. На данный момент состояние этого мира — одна закрытая дверь. Так как эта информация доступна, можно запустить действие, которое позволит открыть её.

Каждое действие обычно разбивается на три части: объекты, которые участвуют при совершении действия (в данном случае дверь), предусловия действия – перечень фактов о мире, и эффекты, которые показывают, как мир изменится в результате завершения действия.

Чтобы NPC открыл дверь, некоторые предпосылки должны быть истинными. Например, дверь должна быть закрыта, а сам персонаж должен находиться в комнате с этой дверью. Результатом действия станет открытая дверь.

Теперь предположим, что NPC нужно пройти из одной комнаты в другую, но между ними есть закрытая дверь. Тогда в системе планирования должно быть прописано условие, что персонаж не может просто так пройти через стену, а перемещение происходит через дверь, которая соединяет комнаты. Тогда система создаст план, в котором пропишет, что персонаж должен открыть дверь, чтобы перейти в новое помещение. После выполнения действия состояние мира изменится — теперь NPC будет находиться во второй комнате, а дверь будет открыта.

Коротко говоря, для планирования нужно выяснить, что делать, и в каком порядке. Но проблема этого подхода заключается в том, что для выполнения последовательности действий нужно учитывать огромное количество дополнительных факторов.

Например, в этом примере последовательность будет работать только в том случае, если NPC стоит рядом с дверью. В противном случае придётся учитывать расположение двери и разных препятствий, которые будут стоять на пути. Дополнительные условия значительно усложняют применение этого подхода на практике.

Для создания ИИ в No One Lives Forever 2 и F.E.A.R. разработчики из Monolith Productions использовали подход, который базируется на автоматизированном планировании, — целе-ориентированное планирование действий (GOAP). Этот подход использует конечные автоматы (FSM) — систему, в которой ИИ существует в пределах одного состояния поведения, а затем переходит в другое, если совершается определённое событие. Например, конечные автоматы в Half-Life имеют более 80 уникальных состояний. А у FSM в системе GOAP есть всего лишь три:

Если упростить роль противника в игре, то всё, что он делает — это проигрывает последовательность нескольких анимаций в определённых условиях. Когда эта последовательность работает исправно, то возникает иллюзия осознанных действий искусственного интеллекта. Следовательно, каждое из этих трёх состояний сводится к проигрыванию анимации.

Таким образом, получаются не конечные автоматы, в которых каждое возможное поведение считается как отдельное состояние, а более компактная система, которая больше опирается на данные.

Система GOAP создаёт планы с помощью алгоритма A*, который позволяет найти наиболее оптимальную последовательность действий через сравнивание «стоимости» вариантов. Затем действия переводятся в конкретные состояния FSM — передаются данные для перемещения, анимации и взаимодействия со смарт-объектами.

В F.E.A.R. у каждого ИИ-персонажа есть свои цели. Система использует эти цели для планирования действий в условиях боя. Без цели NPC ничего не будут делать.

Всего у противников есть около 70 целей — система позволяет менять их приоритет в зависимости от условий боя. Например, если солдат не знает о том, что игрок находится рядом, то приоритет цели «KillEnemy» будет равен нулю. Соответственно, если при патрулировании враг заметит пользователя, то приоритеты сразу же изменятся.

Чтобы планировщик мог подстроиться под ситуацию, у него должен быть набор действий, из которых он будет выбирать. В игре есть 120 действий, которые включают в себя абсолютно всё: от разных вариантов атаки до idle-анимации. При этом не у всех персонажей есть доступ ко всем действиям. Геймдизайнеры назначали конкретные действия каждому типу противников, благодаря чему разработчики смогли определять, насколько универсальным получится каждый персонаж при решении своих задач.

Единственная крупная проблема, возникающая при реализации плана, заключается в том, что условия могут измениться прямо по ходу его выполнения. Например, если персонаж пойдёт открывать дверь, но его опередит кто-то другой, то план окажется недействительным.

С этой проблемой сталкивается подавляющее большинство систем планирования. Персонажи не могут подстроиться под других NPC. Ни один из вражеских ИИ в F.E.A.R. не знает о существовании своих товарищей, а их слаженные совместные действия — это лишь иллюзия, которая возникает, когда каждый из них выполняет собственную цель. Если какой-то персонаж нарушает план другого NPC, то должен появиться новый план, учитывающий обновлённые условия, или изменить цель. Это достигается тремя разными способами.

Когда действие срабатывает правильно, оно сообщает конечному автомату, в какое из трёх состояний следует перейти, а также передаёт все данные, необходимые для перехода в состояние. Например, если солдату нужно перезарядить оружие, то состояние переходит в «Animate», и он получает всю необходимую информацию для совершения действия.

Если план выполнен, то у NPC появляется новый. Постоянный переход от одного плана к другому поддерживает темп игры, а ИИ всегда знает, что нужно делать в следующее мгновение. При этом планы в F.E.A.R. достаточно короткие и состоят из одного-двух действий. Лишь изредка они увеличиваются до трёх-четырёх действий.

Со временем разработчики выяснили, что процесс постоянного перепланирования иногда негативно влияет на производительность. Всё дело в том, что на некоторых уровнях есть крысы, которые используют такую же систему целе-ориентированного планирования действий. Как правило, их планы довольно просты — они передвигаются по миру и пытаются убежать от игрока, если он оказывается поблизости. Когда они убегают, они постоянно строят новые планы. Крысы продолжают это делать даже тогда, когда пользователь находится на другом краю карты, потому что они не учитывают, насколько далеко убежали.

Таким образом, игрок может встретить пару крыс в первые секунды уровня, и даже спустя 20 минут они всё ещё будут бегать, постоянно создавая новые планы.

Система целе-ориентированного планирования действий из F.E.A.R. неоднократно применялась в других играх: в Condemned, S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl, Just Cause 2, Deus Ex: Human Revolution, перезапуске Tomb Raider, а также в Middle-Earth: Shadow of Mordor и Shadow of War.

Системы планирования всё ещё популярны в видеоиграх, хоть и не так распространены, как дерево поведения. При этом постепенно на замену GOAP приходит иерархическая сеть задач (Hierarchical Task Network, HTN), которая использовалась в Killzone 2, Max Payne 3 и Dying Light.

#ии #fear