Introduction to Game AI

401 Pages·2010·3.78 MB·English

by  Neil Kirby

Introduction to
Game AI
Neil Kirby
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This book is dedicated to my spouse Theresa Kempker and our son Henry.
Thanks to you both for giving me the time to do this.
Acknowledgments
ThisbookwouldnotexistwithoutthesupportofthegameAIcrowdthatgathers
every year at the Game Developers Conference. The late Eric Dybsand inspired
many of us by example. I would also like to thank every person who has ever
dined with me at one of the AI Programmers Dinners. Thanks go to Steve
Woodcock and Steve Rabin for helping me moderate the AI Roundtables at
GDC.DaveMarkandLaurieReynoldsprovedthatyoucanwriteabookandstay
happily married, something I needed to know before setting off on this adven-
ture.ThanksalsogototheAIGameProgrammersGuild,agroupofexpertswho
were only an e-mail away if I got into trouble. Kevin Dill deserves special
attentioninthatregard.JeniferNilesandHeatherHurleyhavesupportedmeand
the rest of the game AI community over the years. Many of us would not be in
print without them.
About the Author
Neil Kirby is a Member of Technical Staff at Bell Laboratories, the R&D arm of
Alcatel-Lucent. He currently develops solutions used to support CMMI certifi-
cation.Healsoprovidessoftwarearchitectureconsultingservicesandteachesthe
course ‘‘Avoiding the Software Performance Crisis.’’ His previous assignments
have included building speech-recognition software and teaching at the uni-
versity level. He has been a judge of the Ohio State University Fundamentals of
Engineering Honors robot competition for many years on behalf of Alcatel-
Lucent. Neil holds a master’s degree in computer science from Ohio State
University.
Neil started writing multiplayer tactical combat computer games in 1987. These
includedacomputerversionofADB’sStarFleetBattlesboardgameandgamesof
his own design, most notably the futuristic armored ground combat game Bots.
These were publicly played at the Ohio State University CACON conventions
from 1987 until 1992 but never published. The methodology used to develop
the AI in Bots led to his 1991 Computer Game Developers Conference talk,
‘‘ArtificialIntelligenceWithoutAI:ADarwinisticApproach.’’HewasunderNDA
as a consultant to Quicksilver, Software, Inc., during the early phases of devel-
opmentofStarFleetCommand.NeilmoderatestheAIRoundtablesandhoststhe
AI Programmers Dinners at GDC. He has contributed articles to AI Game Pro-
gramming Wisdom volumes 1, 2, and 4 and is a member of the AI Game Pro-
grammingGuild.NeilalsoservesontheboardoftheIGDAFoundationandwasa
driving force behind its creation.
Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
Chapter 1 What Is Game AI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
An Introduction to Visual Basic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Getting Visual Basic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
The Hit Point Calculator Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Chapter 2 Simple Hard-Coded AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
The Good, the Bad, and the Ugly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
The Good . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
The Bad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
The Ugly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
A Simple Thermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
A More Sophisticated Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
State of the Art. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
vi
Contents vii
Chapter 3 Finite State Machines (FSMs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
What Are FSMs?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Design and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Single-Transition Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Multiple-Transition Review. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
A Brief Foray into Object-Oriented Programming . . . . . . . . . . . 52
FSM Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Creating the MonsterAI Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Chapter 4 Rule-Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
What Is a Rule-Based AI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Design and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
The Minesweeper Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Implementing the Basic Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Implementing the AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Chapter 5 Random and Probabilistic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Can That Be AI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Computing the Odds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Monte Carlo Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Precomputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Faking It . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Using the Odds: Factors to Consider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Design and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
viii Contents
The Day in the Life Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
The Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Occupations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
The Simulated People . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Implementing the Basic Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Implementing the AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Finishing the Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Chapter 6 Look-Ahead: The First Step of Planning . . . . . . . . . . . . 151
Evaluation Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Complexity Without Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Complexity with the Line Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Complexity with Depth-Limit Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Drawbacks to Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Discrete Moves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Knowledge Representation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Advantages to Look-Ahead. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Applicability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
The Fox and Hounds Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Moves and Neighbors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
What Is Needed for Game State? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Evolution of the Evaluation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Game Board User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Implementing Moves and Neighbors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Graphical Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Implementing Game State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Board Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Enabling the Player’s User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Adding the AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Contents ix
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Chapter 7 Book of Moves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
This Seems Familiar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Killer Moves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Hybrid AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Chess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Twixt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Minesweeper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Fox and Hounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Minesweeper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Chapter 8 Emergent Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Give My Creature ALife! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Proven Recipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Simple Behaviors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Between Order and Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Feedback and Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Reinforcement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Beyond Steering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
The Cars and Trucks Project. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
The Road and the Vehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Movement and Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Chapter Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281