行为树的基本概念及进阶

发表于2015-11-03
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行为树的基本概念及进阶

开发游戏AI的目标之一就是要找到一个简单,扩展的编辑逻辑的方案,从而加速游戏开发的迭代速度。在“行为系统图”中,行为系统(Behavior System)响应游戏中的各种信息,进行决策以挑选接下来将要执行的行动并且监控该行动的执行。

 

行为系统图

 

知识模型(Knowledge Model)是对游戏世界中各种信息的抽象。

 

在行为系统中,有限状态机(FSM,Finite State Machine)最为经典,FSM模型的优势之一是简单。但是FSMs需要用转换(Transition)连接状态(State),因此,状态(State)失去了模块性(Modularity)。

什么是行为树

行为树,英文是Behavior Tree,简称BT,是由行为节点组成的树状结构:

对于FSM,每个节点表示一个状态,而对于BT,每个节点表示一个行为。同样是由节点连接而成,BT有什么优势呢?

 

在BT中,节点是有层次(Hierarchical)的,子节点由其父节点来控制。每个节点的执行都有一个结果(成功Success,失败Failure或运行Running),该节点的执行结果都由其父节点来管理,从而决定接下来做什么,父节点的类型决定了不同的控制类型。节点不需要维护向其他节点的转换,节点的模块性(Modularity)被大大增强了。实际上,在BT里,由于节点不再有转换,它们不再是状态(State),而是行为(Behavior)。

 

由此可见,BT的主要优势之一就是其更好的封装性和模块性,让游戏逻辑更直观,开发者不会被那些复杂的连线绕晕。

一个例子

上图中,3号Sequence节点有3个子节点,分别是:

         4号Condition节点

         5号Action节点

         6号Wait节点

而3号节点的父节点是2号的Loop节点。

 

先补充下各节点类型的执行逻辑(详见编辑器Help菜单下“节点参考”文档):

          序列(Sequence)节点:顺序执行所有子节点返回成功,如果某个子节点失败返回失败。

          循环(Loop)节点:循环执行子节点到指定次数后返回成功,如果循环次数为-1,则无限循环。

          条件(Condition)节点:根据条件的比较结果,返回成功或失败。

          动作(Action)节点:根据动作结果返回成功,失败,或运行。

          等待(Wait)节点:当指定的时间过去后返回成功。

 

如果4号条件节点的执行结果是成功,其父节点3号节点则继续执行5号节点,如果5号动作节点返回成功,则执行6号等待节点,如果6号节点返回成功,则3号节点全部执行完毕且会返回成功,那么2号节点继续下个迭代。

如果4号条件节点的执行结果是失败,其父节点3号节点则返回失败不再继续执行子节点,并且3号节点的父节点2号循环节点结束本次迭代执行下个迭代。

进阶

聪明的读者可能会问,上面的例子中只讲了成功或失败的情况,但如果动作要持续一段时间呢?如果5号节点,Fire需要持续一段时间呢?

          节点的执行结果可以是“成功”,“失败”,或“运行”。

          对于持续运行一段时间的Fire动作,其执行结果持续返回“运行”,结束的时候返回“成功”。

          对于持续运行一段时间的Wait动作,其执行结果持续返回“运行”,当等待时间到达的时候返回“成功”。

 

当节点持续返回“运行”的时候,BT树的内部“知道”该节点是在持续“运行”的,从而在后续的执行过程中“直接”继续执行该节点,而不需要从头开始执行,直到该运行状态的节点返回“成功”或“失败”,从而继续后续的节点。

 

另一个例子

如上图,为了清晰说明运行状态,来看另一个例子。在这个例子中,Condition,Action1,Action3是3个函数。

          0号节点是个Loop节点,循环3次。

          1号节点是个Sequence节点

          2号节点模拟一个条件,直接返回成功。

          3号节点Action1是一个动作,直接返回成功。

          4号节点Action3同样是一个动作,返回3次运行,然后返回成功。

 

其代码如下图:

而执行该BT树的C++代码如下图:

执行结果会是个什么样的输出呢?

 

 

第1帧:

2号节点Condition返回“成功”,继续执行3号Action1节点,同样返回“成功”,接续执行4号Action3,返回“运行”。

第2帧:

由于上一帧4号Action3返回“运行”,直接继续执行4号Action3节点。

需要注意的是,2号Condition节点不再被执行。

第3帧:

由于上一帧4号Action3返回“运行”,直接继续执行4号Action3节点。

同样需要注意的是,2号Condition节点不再被执行。

 

而且,本次Action3返回“成功”,1号Sequence节点返回成功。0号Loop节点结束第1次迭代。

第4帧:

Loop的第2次迭代开始,就像第1帧的执行。

。。。

再进阶

又有聪明的读者要问了,持续返回“运行”状态的节点固然优化了执行,但其结果就像“阻塞”了BT的执行一样,如果发生了其他“重要”的事情需要处理怎么办?

 

在behaviac里至少有3种办法。

 

使用Parallel节点

如上图,可以使用Parallel节点来“一边检查条件,一边执行动作”,该条件作为该动作的“Guard”条件。当该条件失败的时候来结束该处于持续运行状态的动作节点。

使用SelectorMonitor和WithPrecondition节点

           SelectorMonitor是一个动态的选择节点,和Selector相同的是,它选择第一个success的节点,但不同的是,它不是只选择一次,而是每次执行的时候都对其子节点进行选择。如上图所示,假若它选择了下面有True条件的那个节点(节点7)并且下面的1号Sequence节点在运行状态,下一次它执行的时候,它依然会去检查上面的那个8号条件的子树,如果该条件为真,则终止下面的运行节点而执行9号节点。

          WithPrecondition有precondition子树和action子树。只有precondition子树返回success的时候,action子树才能够被执行。

使用Event子树

任何一个BT都可以作为事件子树,作为event附加到任何的一个节点上(用鼠标拖动BT到节点)。当运行该BT的时候,如果发生了某个事件,可以通过Agent::FireEvent来触发该事件,则处于running状态的节点,从下到上都有机会检查是否需要响应该事件,如果有该事件配置,则相应的事件子树就会被触发。请参考behaviac的相关文档获取详细信息。

总结

行为树的基本概念:

          执行每个节点都会有一个结果(成功,失败或运行)

          子节点的执行结果由其父节点控制和管理

          返回运行结果的节点被视作处于运行状态,处于运行状态的节点接下来被直接运行

 

其中理解运行状态是理解行为树的关键,也是使用好行为树的关键。

 

上文另一个中“demo_running”的例子在安装包里也有提供,安装后在安装目录里可以用vs2013打开“. buildvs2013behaviac.sln”(vs2008,vs2010,gmake,linux等分别对应不同的平台或编译器)查看源码,编译运行,自行尝试体会。请指定demo_running作为参数运行usertest:

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