【高級AI】用Unity實現一群鳥

項目難度： （文章結尾有工程地址）

大多數人都喜歡欣賞漂亮的動物，貓、狗、鳥、魚、蟲等等很多。其中最特別的要數鳥和魚了，因為它們不僅可以單獨欣賞，還可以觀賞鳥群飛翔、魚群集體遊動的壯觀景象。

遊戲世界裡，模擬鳥群也是開發者們夢寐以求的效果。我們希望能模擬出一個栩栩如生的鳥群，同時還能讓它們按照我們的需要向著目標點移動、或者在某個地方盤旋。這篇文章將演示如何製作一個漂亮的鳥群。

一、理論基礎：

1. 鳥群本質是由一隻一隻的鳥組成的，每個鳥是獨立行動的，只能通過視覺、聽覺與外界進行有限的交互，然後做出合理的行為。有個專有名詞「自主主體（Autonomous Agent）」專門描述這種自主行為的個體。
2. 雖然個體是自發行動的，但是通過遵守某些簡單的規則，就可以滿足群體的集體目標，比如：不發生碰撞、順利到達目的地，或是一起在附近周旋覓食。

順著這種思路，我們就知道了要模擬鳥群，要從每一隻具體的鳥入手。讓每一隻鳥遵循同樣的規則來實現群體效果。那麼，這種規則的設計就成為了關鍵問題。首先，集群的模擬分為三個層次：

1. 行為選擇 Action Selection: 最高層。是移動還是盤旋還是躲避敵人呢？我們要確定整體目標以及個體目標。整體目標和個體目標可以是不完全一致的，比如整體目標是移動，個體在發現敵人時要優先進行規避。
2. 引導 Steering: 中間層。群體中個體的移動和單獨個體的移動當然不一樣。群體中的個體要考慮的問題多很多，他總是在判斷離周圍的人是否太近容易碰到？是否太遠脫離了隊伍？是否和大家的方向一致？是否要同時躲避敵人的攻擊？每個時刻，所有的因素互相影響作用，最終得出一個引導的方向和大小。
3. 行動 Locomotion: 最底層。把引導化為實際行動。在本例中，我們是利用剛體+力這種基本的物理方法來模擬的，引導是一種力，調整行動的速度。

二、搭建Unity工程

1. 新建Unity 3D工程，將Assets Store下載的《Animals Full Pack -- Birds Pack》導入到工程中以便使用。

2. 在鳥的資源的Prefab裡面找一種你喜歡的鳥，我選的是海鷗。將它拷貝到Assets目錄里準備使用。動畫默認是用Animation組件實現的，將它的默認動作調整為fly，還需要添加Rigidbody剛體組件才能使用力Force，參數默認即可：

3. 實現Bird腳本，是本文的主要內容，下面會詳解。

三、寫代碼實現Bird腳本，控制每一隻鳥的行為

本文對初學者來說比較有難度。建議從基本行為開始慢慢嘗試，我自己寫的時候也嘗試了很多基本的飛行方式，最終解決了多重問題，最終才得到不錯的結果。飛行方式有以下幾種：

要實現集群效果，Seek、Flocking這兩種行為是最必要的，其它行為可以參考工程代碼和其他資料。基本數據和初始化如下：

a. Seek方式

Seek的方式是最基本的，它返回一個力（向量），引導鳥飛向目標：

向量運算自行畫圖分析，我就不啰嗦了。這個力如何使用呢？只需要在Update的每一楨調用Seek，每一楨算一次Steering引導力即可。

然後讓引導力生效即可：

第一步很簡單吧？接下來看終點Flocking方式。

b. Flocking

Flocking的原理不像Seek那麼直觀，必須參考一些資料。總的來說，集群中的鳥：需要考慮三個基本問題，分散、統一方向、聚合：

上圖摘自遊戲AI的經典書籍《Programming Game AI By Example》。如圖，簡單來說，只看Separation分散和Cohesion聚合，你會發現其實它倆就像彈簧一樣，聚合負責壓緊彈簧，分散負責彈開彈簧。當離得太近，彈力就比壓力大了，當離得太遠，壓力又比彈力大。只要合理調整這兩個力的大小，就能實現一個大小合適、密度合適的群體。

而Alignment保證大家儘可能朝向一個方向。

Flocking函數全貌如下圖，可以看出每一隻鳥在決定自己行為之前，要先觀察所有周圍的鳥，這是通過把周圍的鳥加入臨時容器實現的。後面的Separation、Alignment、Cohesion要用到這個容器。

分散力，思路是遠離所有周圍的人：

聚合力，思路是盡量飛向群體的「質心」：

統一方向力，思路是只看別人的速度方向，不看大小。然後向該方向移動：

Seek和Flocking原理完成啦！只要同時應用Flocking和Seek兩種力，就能實現基本的集群效果。

四、關鍵性調整

如果只做上面的步驟，然後簡單限制一下速度，你會發現效果是這樣的：

動畫太一致不算什麼問題，關鍵是鳥在原地懸停這個不能忍，又不是飛碟……所以還要做一些關鍵內容：

1、最關鍵的是，鳥是不會倒車的，鳥和飛機是靠轉彎再轉彎來實現掉頭。所以，我們將引導力的向後的分量完全取消：

2、引導力有時會劇烈變化方向，但鳥指向的角度不要迅速變化，那樣會非常假，平滑處理一下：

3、限制最大速度：

4、根據引導力的大小來控制扇動翅膀的速度，非常科學：

以上用到的參數都是猜想+試驗得出的，其原理值得大家思考。再看看最終效果：

五、還未結束

以上修改，已經達到了本文演示的目的，而且效果個人覺得還挺好看的，體現了鳥類集群飛行的美感。如果你的遊戲中需要用到鳥群作為裝飾，稍微優化一下演算法也基本夠用了。

但是深究的話，餘下的問題還有很多，值得思考：

1、當引導力指向後方，我們直接去掉引導力的向後分量，會導致出現很大的轉彎半徑，作為演示來說挺炫酷，但是不符合實際，思考飛機轉彎的例子，如果能模擬鳥類急轉彎，就會更好看了。

2、動畫方面，鳥類會綜合使用撲翼、滑翔、爬升等動作，應當根據實際調整。我們目前只實現了調整動畫速度，很不完美。

相信解決了以上兩個問題，鳥群的模擬效果還能再上一層樓，也更符合實際。小問題總是需要花大力氣解決，魔鬼總在細節之中~~

GitHub工程地址：

mayao11/GameAIAdvanced

參考書籍：

Programming Game AI By Example, by Mat Buckland. 譯名：《遊戲人工智慧編程案例精粹》

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