20130522 Intelligenza Artificiale e Videogiochi

ITI Malignani – 22 Maggio 2013
Trailer In Verbis Virtus
http://www.indomitusgames.com/index.php/it/

Intelligenza Artificiale e Videogiochi
Prof. Pier Luca Lanzi

Buongiorno!
• Prof. Pier Luca Lanzi
 Dipartimento di Elettronica,
Informazione e Bioingegneria
• Istruzione
 Biennio all’ITI Malignani (UD)
 Triennio al ITI Galileo Galilei (GO)
 Laurea in Informatica (UD)
 Dottorato in Ingegneria Informatica (POLIMI)
• Corso di studi di Ingegneria Informatica
 Algoritmi e Calcolo Parallelo,
 Data Mining and Text Mining
 Videogame Design and Programming
3
Primo programma a 13 anni, 33 anni fa 

Ho Iniziato …
• Cosi’ …
• Nel mentre …
• E adesso 
4

5

Il Politecnico di Milano
• Il Politecnico di Milano (o PoliMi)
è un’università statale di tipo
tecnico-scientifico
• Comprende corsi in
Ingegneria
Architettura
Design
Professori 1,355
Staff tecnico e
amministrativo
1,187
Studenti di dottorato 856
Assegnisti di ricerca 675
Studenti 37,036
6

7
http://www.topuniversities.com/universities/politecnico-di-milano

Dipartimento di Elettronica,
Informazione e Bioingegneria
• Principale dipartimento d'Italia per il
settore dell’informazione e uno dei primi
d'Europa e del mondo
• Una classifica IEEE/ACM lo pone al 7°
posto
al mondo nell’ambito dell’ingegneria del
software.
• 13M€ di contratti da enti privati. UE, enti
pubblici nazionali
• Produttività scientifica molto elevata e di
alta qualità, rivolta soprattutto a congressi
e pubblicazioni internazionali
8

A Pixel Escape Gameplay
http://www.apixelescape.com/

Solar Journey
https://www.youtube.com/watch?v=ZTbjWL1AaYc

13

di cosa parliamo oggi?
intelligenza artificiale e videogiochi

cosa fa l’intelligenza artificiale?

sistemi che pensano
come esseri umani
sistemi che pensano
razionalmente
sistemi che agiscono
come esseri umani
sistemi che agiscono
razionalmente

Agire Come un Essere Umano
• Approccio convenzionale
Intelligente è ciò che realizza
un determinata prestazione
• Estensione della nozione di intelligenza
Non solo pensare, ma anche agire
• Tradizione del test di Turing (1950)
• Abilità nel raggiungere
Prestazioni a livello umano
Sufficienti a ingannare un interrogante
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cosa fa l’intelligenza artificiale
nei videogiochi?

“good artificial intelligence”

minimax(player, board)
if(gameover in current board position)
return winner
children =
all legal moves for player from this board
if(max's turn)
return maximal score of calling
minimax on all the children
else (min's turn)
return minimal score of calling
minimax on all the children

“good artificial intelligence”
vs
“fun artificial intelligence”

“Good Artificial
Intelligence”
• Regole fissate
• Simmetrica
• Multi-giocatore
• Strategie illimitate
• Test oggettivi
• Passa il test di Turing
“Fun Artificial
Intelligence”
• Design in costante
evoluzione
• Asimmetrica
• Singolo giocatore
• Strategie limitate
• Valutazione soggettiva
• Ignora il test di Turing
gioca per vincere gioca per perdere

Far Cry 2
http://www.youtube.com/watch?v=sDiGYDNMsZU

Diablo III (random quests)
https://www.youtube.com/watch?v=xn_XWY-dArc
https://www.youtube.com/watch?v=2pFzro2Pjtk

come viene applicata nei videogiochi?
“personaggi non giocanti” (la IA del gioco)
generazione del contenuto
game design, animazioni, analisi dei giocatori,
adaptive gameplay, ecc.

ITI Malignani – 22 Maggio 2013non-player characters

Come Viene Applicata ai
Personaggi Non Giocanti?
• Muove i personaggi nel gioco
• Decide cosa, dove, come e quando
• Viene applica sia agli avversari sia agli alleati
• Pianifica percorsi e permette di evitare gli ostacoli
• Seleziona l’animazione corretta
32

Space Invaders
http://www.youtube.com/watch?v=QObneYZIdKI

Inizialmente…
• Le caratteristiche e il comportamento dei personaggi non
giocanti erano fissate nel gioco
• In Space Invaders, gli alieni si muovono su un livello
predefinito con una velocità predefinita (funzione del
numero di alieni) seguendo una delle due direzioni
disponibili
• Sparano con una frequenza casuale verso l’astronave del
giocatore
• Il gioco non ha alcuna IA
34

Qual è stato il primo videogioco con IA?

Pong
https://www.youtube.com/watch?v=it0sf4CMDeM

Pong! (1972)
• “Pong” è stato il primo gioco con una forma di IA
• La “racchetta” del personaggio non giocante era calcolata
utilizzando una semplice forma per predirre l’altezza che
la palla avrebbe avuto nell’attraversare la linea della
racchetta
• Alla racchetta della IA era assegnata una velocità e una
probabilità di errore che dipendeva dal livello di difficoltà
• In questo modo la racchetta della IA poteva mancare la
pallina ogni tanto in base al livello di difficoltà
37

Pac-Man
http://www.youtube.com/watch?v=jiJ0PkU8t3c

Pac-Man
• Un eroe Pac-Man, quattro fantasmi (Blinky, Pinky, Inky,
Clyde)
• 244 pallini e un numero di livelli infiniti (teoricamente)
• Tre modalità per i fantasmi
CHASE: il fantasma cerca di catturare Pac-Man
SCATTER: i fantasmi raggiungono il proprio angolo
FRIGHTENED: i fantasmi sono “spaventati”
• Quattro differenti comportamenti per i fantasmi ottenuti
combinando le tre modalità
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Comportamento dei Fantasmi:
Modalità Scatter
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Come Funziona la IA dei
Personaggi Non Giocanti?
• Modello di Funzionamento
 Sensori/Percezione
 Ragionamento
 Azione
• Valutazione della IA di Gioco
 Risoluzione robusta dei problemi
 Requisiti di Tempo
 Requisiti di Spazio
 Realismo
• Requisiti di Tempo
 30 fps, 33ms per frame, 1-3ms per la IA (~10%), 100ms per
pianificazione di una unità
 Si rende necessario spezzare la pianificazione di una unità su più
frame
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Esempio di Comportamento per
un First Person Shooter
Get Ammo
Get Health
Run Away
Search For Enemy
Attack
Enemy
Found
Enemy
LostLowonAmmo
LowonHealth
GotAway,
LowonHealth
GotHealth
Got Ammo
GotAway,
LowonAmmo
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Macchine a Stati Finiti (FSM)
• Soluzione più semplice per implementare l’intelligenza artificiale di un
NPC
• Gli stati danno una rappresentazione di alto livello di quello che
l’intelligenza artificiale cerca di fare
• Ogni stato contiene del codice per implementare il comportamento nel
particolare stato
• Le transizioni avvengono in base a cambiamenti nell’ambiente
• Vantaggi
 Semplice da specificare e da implementare
 Esistono degli appositi middleware specifici
• Svantaggi
 Difficili per il debug e anche da estendere
 Duplicazione del codice
 Diventano velocemente complesse
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Macchine a Stati Finiti (FSM)
• Hard-Coded
 La macchina a stati finiti e’ scritta direttamente nel linguaggio con
cui si sviluppa il gioco (C/C++)
• Interpretate
 Un interprete carica una rappresentazione testuale da file che
viene poi interpretata
• Compilata
 Una rappresentazione testuale viene letta e ne viene generato
l’equivalente nel linguaggio in cui viene sviluppato il gioco
44

come implementereste una FSM hard-coded?
come implementereste una FSM interpretata?

Fear
https://www.youtube.com/watch?v=VCcVy8-nHOU

F.E.A.R. States
• Goto
 Physical movement to a localtion
• Animate
 In place animation
• Use Smart-Object
 Special case of animate
• People perceive the AI as smarter if they know what it is doing
 If one unit remains, say “I need reinforcements”
 Introduce conversations instead of talking
“I am shot!” vs “what’s your status?”
 If the AI is stuck say “I have nowhere to go!”
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Uncharted 3
https://www.youtube.com/watch?v=ELD2epCsx0c

“Game AI is largely an unsolved problem”

Come Dovrebbe Essere l’Intelligenza
Artificiale di un Gioco?
• Idealmente il sistema di IA di un gioco dovrebbe seguire le
stesse regole e gli stessi vincoli che deve seguire il
giocatore, così da giocare in modo “fair”
• Ad esempio, nei giochi di strategia, il giocatore umano
vede solo parti della mappa, lo stesso dovrebbe fare la IA
• Nella pratica, questo è difficile e molti sistemi di IA di
gioco sono molto limitate in alcune circostanze
• Per evitare questo tipo di problemi i sistemi di IA
“imbrogliano un pochino ma non troppo” in modo che il
giocatore non se ne accorga
53

Come può imbrogliare la IA di gioco?
Usando la conoscenza completa ed esatta del
mondo
Può evitare i proiettili, sa dove sono nascoste le
unità, che carte e che capitale ha il
giocatore, ecc.
Inoltre …

55
Motogp13
http://www.youtube.com/watch?v=SDfua5PrJ8c

Pianificazione delle azioni
e dei movimenti (path finding)

Come Viene Implementato il Pathfinding
nei Videogiochi?
• Quattro rappresentazioni
• Griglie
• Grafi di waypoint
• Mesh di navigazione
• Delaunay Triangulation
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Pathfinding bugs
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=lw9G-8gL5o0

Che cos’e’ la Generazione Procedurale di Contenuti?
“Generazione Procedurale”
senza alcun intervento o un limitato intervento umano
(generazione algoritmica)
“di Contenuti”
ovvero gli elementi che influenzano il gioco
(livelli, armi, power up, ecc.)

generazione di livelli

Generazione di Dungeon:
Partizione Binaria
• Selezionare a caso una direzione di divisione
(orizzontale o verticale)
• Selezionare a caso una posizione (x o y di split)
• Dividere il dungeon iniziale in due sotto dungeon
• Riapplicare la stessa procedura ai due sotto dungeon fino
a quando non è soddisfatta la condizione di fine
• Infine, creare una stanza per ogni area creata e collegare
le stanze
63

Generazione di Dungeon:
“Algoritmo di Anderson”
1. Riempi tutta la mappa di solido (terra)
2. Scava una stanza al centro della mappa
3. Seleziona una parete di una qualsiasi stanza
4. Selezionare una nuova feature da aggiungere
(corridoio, stanza quadrata, irregolare, ecc.)
5. Controllare se è possibile aggiungere la nuova feature
6. Se si, continua, altrimenti vai a 3
7. Aggiungere la nuova feature sulla parete scelta
8. Torna a 3 fino a quando il livello non è completo
9. Aggiungi scale (cambio di livello) in maniera casuale
10.Infine genera la posizione dei mostri e dei tesori
64

Automi Cellulari
• Paradigma di computazione basato su interazioni locali
• Usato negli studi di vita artificiale e complessità
emergente
• Il valore di una cella dipende dall’interazione di n+1 celle
vicine
• L’interazione viene specificata attraverso delle regole
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Automi Cellulari Bidimensionali 66

Frozen synapses
https://www.youtube.com/watch?v=Macgp4WnVZU

Generatore di Livelli Semplice 68

Human Designed Levels 69

Algorithm
1. 2.
3. 4.
70

Step 5. 71

Step 6. Walls & Doors 72

Step 7. Windows & More Doors 73

Step 8. Box Cover 74

Example #2 75

Example #3 76

Example #4 77

Example #5 78

AlienSwarm (TileGen) 79

AlienSwarm (TileGen) 80

vegetazione

Perche’ la Vegetazione?
• E’ una parte importante di moltissimi giochi (ad es.
FarCry)
• Deve essere credibile
Rappresentazione molto dettagliata
Le piante sono simili e riconoscibili ma non identiche
• La rappresentazione deve essere compatta
• Sono necessari strumenti di generazione automatica
(non possiamo pensare di avere grafici per questo)
82

Speed Tree Demo
http://www.youtube.com/watch?v=6MDGt9XNS7Y

L-Systems
• Aristid Lindenmeyer li introduce nel 1968, per modellare lo sviluppo delle
piante
• Generano stringe a partire da un alfabeto di variabili e costante a cui si
aggiungono una serie di regole
• Le stringe vengono interpretate graficamente
• Esempio
 Variabili: A B
 Constanti: + e −
 Simbolo iniziale: A
 Regole: (A → B−A−B), (B → A+B+A)
 Angolo: 60°
• Entrambe A e B corrispondono a ”disegna in avanti”, + significa ”gira a
sinistra", mentre − significa ”gira a destra” (dell’angolo specificato)
84

Esempio: 2, 4, 6 e 8 iterazioni 85

Esempio
• Esempio
 Variabili: F
 Constanti: + e −
 Simbolo iniziale: F
 Regole:
F=C0FF-[C1-F+F+F]+[C2+F-F-F]
 Angolo: 22°
• http://www.kevs3d.co.uk/dev/lsystems/#
86

“Dramatic Pacing”

Left4Dead
https://www.youtube.com/watch?v=yEZ6YIXdr8o

“Dramatic Pacing” in Left4Dead
• Il ritmo di gioco viene aggiustato durante il gioco per
massimizzare la tensione
• Basato sull’esperienza di counter strike
Combattimento senza variazioni è affaticante
Lunghi periodi di inattività sono noiosi
• Generazione di picchi imprevisti di intensità per creare un
esperienza di gioco avvincente
• Stesso scenario, quasi stessa mappa ma esperienza
differente
90

Algoritmo di “Pacing” in Left4Dead
• Stima l'intensità emotiva di ogni sopravvissuto survivor
 Traccia l'intensità massima dei quattro sopravvissuti
 Se è troppo alta, elimina i pericoli per un po’
 Altrimenti crea un nuovo insieme di pericoli
• Questo meccanismo (chiamato “AI director”) crea una popolazione di
zombi basandosi sullo stato emotivo della squadra
91

Se Siete Interessati
• Allo sviluppo di videogiochi
XNA 4.0 in C# per Xbox e Windows Phone
Unity3D per Mac/Windows/IOS/Android
• All’intelligenza artificiale
Simulated Car Racing Championship
Scopo: scrivere un programma in grado di controllare
una macchina da corsa in una pista sconosciuta
Java/C/C++
http://games.ws.dei.polimi.it/
92

Tanto da Leggere, Ma Tutto in Inglese
• The Rough Guide to Videogames by Kate
Berens, Geoff Howard (Sep 8, 2008)
• Vintage Games: An Insider Look at the
History of Grand Theft Auto, Super Mario,
and the Most Influential Games of All Time by
Bill Loguidice and Matt Barton (Mar 4, 2009)
• The Ultimate History of Video Games: From
Pong to Pokemon–The Story Behind the
Craze That Touched Our Lives and Changed
the World by Steven L. Kent (Oct 2, 2001)
• Replay: The History of Video Games by
Tristan Donovan (Apr 20, 2010)
• Masters of Doom: How Two Guys Created an
Empire and Transformed Pop Culture –
David Kushner (Amazon)
93

Riferimenti
• Artificial Intelligence for Games
Ian Millington and John Funge (Aug 6, 2009)
• Artificial Intelligence: A Modern Approach (3rd Ed.)
Stuart Russell, Peter Norvig
94

Blog Italiani
• http://www.indievault.it
• http://www.gameprog.it
95

Se Avete Bisogno di Informazioni
• Email
pierluca.lanzi@polimi.it
• Skype
pierluca.lanzi
• Web
http://www.pierlucalanzi.net
http://games.ws.dei.polimi.it
• Game design
http://www.gamasutra.com
• Game Jam
http://www.ludumdare.com
96

https://www.google.com/url?sa=i
&rct=j&q=&esrc=s&source=ima
ges&cd=&cad=rja&docid=IzmfG
B8O7i5MAM&tbnid=EunXrx5qtu
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564114303006
grazie!

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