[Unity] A* pathfinding project integrated with influence map

简介

最近一阶段重温了一些关于游戏人工智能方面的书籍。 加强了对influence map的认知。想要亲自动手实现一下。

正如文章标题所示，这篇文章讲的是：如何将influence map的机制融入到当前较火的unity寻路插件A* pathfinding project里。

先科普一下Influence Map基本概念：

influence map中文名：势力图或影响图。以下称势力图。 势力图是基于空间的，某些空间归属A，另外一些空间归属B，等等。

把问题规模缩小到一场游戏战役，每个兵种单位都占据并影响着一定的空间，且相同势力的单位对同一空间的影响可以叠加，影响值随传播距离递减。

势力图除了告诉我们某块空间的归属之外，还能告诉我们什么呢？

1，进攻方，可以根据势力图选择率先攻击敌人薄弱的地方.防御方，可以根据势力图选择一个较为安全的撤退地点。

2，进一步，统计分析，比如采取某种战略之后，观察势力图变化，可以分析之前战略效果。

3，更进一步，通过对一段时间的势力图进行对比，可以大致预测敌军的部署动向。

实现InfluenceMap的要点

1，定义各单位的势力值传播范围，形状，特性（这是Gameplay）由于每个兵种的特性和能力值不同，故每个兵种单位的影响半径与程度不尽相同。

比如：一个坦克可以影响3km之内空间，3km之内都保持较高的影响。而一个机枪兵只能影响1km以内的空间，并且超出500m之后，士兵的影响十分微弱。

坦克相比机枪兵更具影响力，所以想要抵消掉坦克的影响，我们可能需要更多的机枪兵与之对抗。这些数值根据具体的游戏逻辑来设定。

2，实现传播算法，以什么样的方式传播，各势力影响值得叠加逻辑。

3，实现衰减算法，以什么样的方式衰减，常见如影响随距离线性衰减。

本文使用的算法

1，确定传播区域，获取传播区域内node，从center node开始以广度优先遍历区域内node，更新influence值。

2，influence值随传播距离线性衰减。

这是最简单的方法，还有一些提高性能的方法，有兴趣同学可以google之。

寻路与InfluenceMap结合

通过以上的总结，我们已经知道了势力图对于战略的作用。那么对于一般的游戏，我们是否用的上呢？

我现在的想法是，Influence map可以和寻路系统进行融合。比如，NPC在寻路的时候，不是选择一条最短的路径，而是选择一条最安全的路径。

只需想象一下即可，我们需要到达A点，但最短路径上有一个敌方炮塔，我们无法对抗炮塔的攻击，那么我们需要舍近求远，绕道一个炮塔无法攻击的地点，最终到达A点。

截图体现了我们之前总结出的规律：

1，影响的传播，红色区域乃是影响的传播范围。

2，影响的衰减，随着远离中心区域，红色逐渐变浅。

3，障碍物会阻碍影响的传播。

4，寻路小机器人，寻路时试图躲避高危的红色区域。

最后的大体效果：

寻路机器人会躲避敌方静止的机器人，并且双方相互影响。

相关修改文件，有兴趣朋友可以继续研究

编辑器扩展涉及到的文件如下：

Base.cs  AStarPath.cs  AStarPathEditor.cs  astarclassess.cs   核心代码 Color NodeColor (GraphNode node, PathHandler data)

势力图的逻辑涉及到的文件如下：

astarclassess.cs          InfluenceUpdateObject这是一个新的类，表示那部分导航图需要更新。 可参考GraphUpdateObject

GridNode.cs / GraphNode.cs   添加node的influence信息。

GridGenerator.cs                         添加node的influence信息更新逻辑。

Seeker.cs                                      添加使用AInfluencePath寻路的逻辑。

AInfluencePath.cs         AInfluencePath : ABPath这是一个新的类，用A*算法求取的influence路径。

需要重定义public override uint GetTraversalCost (GraphNode node)

 

最近更新了一些细节：

主要优化了性能。因为A* pathfinding project 使用多线程。所以，在更新graph的Influence信息时，需要blockpathfinding thread.否则会出现寻路异常。

在更新完地图后 unblock pathfinding thread，为了防止频繁的block and unblock pathfinding thread，新建一个更新队列，批处理多个agent的更新请求。

如果有需要更新的Influence请求，就会请求block pathfinding thread，但该函数不会一直等待而是立即返回，下一帧查看pathfinding thread是否block。

如果后面某一帧 pathfinding thread block 那么立即批处理更新队列中的请求。 我们可以设置每帧更新请求数量的最大值，以免导致某帧会耗时过长。

没有位置和信息变化的agent不需要请求刷新Influence信息，并且同一个agent新的Influence信息会覆盖后面的信息。这样可以保证queue不会过度膨胀。

相关代码：

InfluenceUpdateObject 描述更新区域，更新势力，以及后续还原influence值。

public class InfluenceUpdateObject
    {
        public Bounds bounds;
        public List<GraphNode> changedNodes;
        public float deltaInfluence;
        public AInfluencePath.Faction faction;
        private List<float> backupData;

        public InfluenceUpdateObject(Bounds b, uint delta,Pathfinding.AInfluencePath.Faction f){
            this.bounds = b;
            this.deltaInfluence = delta;
            this.faction = f;
        }
        public virtual void WillUpdateNode (InfluenceNode node) {
            if ( node != null) {
                if (changedNodes == null) { changedNodes = ListPool<GraphNode>.Claim(); backupData = ListPool<float>.Claim(); }
                changedNodes.Add(node.node);
                backupData.Add(node.deltaInfluence);

            }
        }

        public virtual void RevertFromBackup () {
            
                if (changedNodes == null) return;

                
                for (int i = 0; i < changedNodes.Count; i++) {

                　　if (faction == AInfluencePath.Faction.BLACK) {
                    　　changedNodes [i].influenceOfBlack -= backupData [i];
                    　　if (changedNodes [i].influenceOfBlack < 0.01)
                        　　changedNodes [i].influenceOfBlack = 0;
                　　}
               　　 if (faction == AInfluencePath.Faction.WHITE) {
                    　　changedNodes [i].influenceOfWhite -= backupData [i];
                    　　if (changedNodes [i].influenceOfWhite < 0.01)
                        　　changedNodes [i].influenceOfWhite = 0;
              　　 }
                    
                }
                
                ListPool<GraphNode>.Release(changedNodes);
                ListPool<float>.Release(backupData);
                changedNodes = null;
            } 

    }

InfluenceUpdater 该类负责更新Navgraph的influence 值。

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using Pathfinding;

public class InfluenceUpdater : MonoBehaviour {

    private Queue<InfluenceUpdateObject> m_queue;
    public uint maxHandleCount;
    public void AddWorkItem(InfluenceUpdateObject o){
        if(!m_queue.Contains(o))
            m_queue.Enqueue (o);
    }
    private void ProcessWorkItems(){
    
        if (m_queue.Count == 0)
            return;
        AstarPath.active.BlockPathQueueNotWait ();
        if (!AstarPath.active.IsAllPathThreadBlocked ())
            return;
        AstarPath.active.ReturnPaths (false);
        uint count = 0;
        while (m_queue.Count > 0 && count < maxHandleCount) {
            
        

            InfluenceUpdateObject iuo = m_queue.Dequeue ();
            foreach (IUpdatableGraph g in AstarPath.active.astarData.GetUpdateableGraphs()) {
                GridGraph gr = g as GridGraph;
                gr.UpdateInfluenceInBounds (iuo);
            }
            count++;
        }

         AstarPath.active.FlushWorkItems();
    }

    void Awake(){
        if(m_queue == null)
            m_queue = new Queue<InfluenceUpdateObject> ();
    }
    void LateUpdate(){
        ProcessWorkItems ();
    }
}

AInfluencePath 该类用来表示使用influence 作为cost的路径。

using UnityEngine;

namespace Pathfinding
{
    public class AInfluencePath : ABPath
    {
        
        public enum Faction {BLACK,WHITE};
        private Faction faction;
        public AInfluencePath ()
        {
        }
        public static AInfluencePath Construct (Vector3 start, Vector3 end, OnPathDelegate callback = null,Faction f = Faction.BLACK) {
            var p = PathPool.GetPath<AInfluencePath>();
            p.Setup(start, end, callback);
            p.faction = f;
            return p;
        }

        public override uint GetTraversalCost (GraphNode node) {
            GridNode gNode = node as GridNode;
            if (gNode != null) {
                if (AInfluencePath.Faction.BLACK == faction)
                    return gNode.influenceOfWhite <= gNode.influenceOfBlack? 0 : (uint)(gNode.influenceOfWhite - gNode.influenceOfBlack);
                if (AInfluencePath.Faction.WHITE == faction)
                    return gNode.influenceOfBlack <= gNode.influenceOfWhite ? 0 :(uint)( gNode.influenceOfBlack - gNode.influenceOfWhite);
            }
            return 0;
        }
    }
}

Base.cs 在编辑模式下设置graphNode的颜色

public virtual Color NodeColor (GraphNode node, PathHandler data) {
            Color c = AstarColor.NodeConnection;

            switch (AstarPath.active.debugMode) {
            case GraphDebugMode.Areas:
                c = AstarColor.GetAreaColor(node.Area);
                break;
            case GraphDebugMode.Penalty:
                c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowLerp, AstarColor.ConnectionHighLerp, ((float)node.Penalty-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                break;
            case GraphDebugMode.Tags:
                c = AstarColor.GetAreaColor(node.Tag);
                break;
            case GraphDebugMode.Influence:
                if (Mathf.Abs(node.influenceOfBlack - node.influenceOfWhite) <= 0.00001)
                    c = new Color (1, 1, 1);
                else {
                    if (node.influenceOfBlack > node.influenceOfWhite) {
                        c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowRedLerp, AstarColor.ConnectionHighRedLerp, (Mathf.Abs(node.influenceOfBlack - node.influenceOfWhite)-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                    }
                    if (node.influenceOfBlack < node.influenceOfWhite) {
                        c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowGreenLerp, AstarColor.ConnectionHighGreenLerp, (Mathf.Abs(node.influenceOfBlack - node.influenceOfWhite)-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                    }
                }
                break;
            default:
                if (data == null) return AstarColor.NodeConnection;

                PathNode nodeR = data.GetPathNode(node);

                switch (AstarPath.active.debugMode) {
                case GraphDebugMode.G:
                    c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowLerp, AstarColor.ConnectionHighLerp, ((float)nodeR.G-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                    break;
                case GraphDebugMode.H:
                    c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowLerp, AstarColor.ConnectionHighLerp, ((float)nodeR.H-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                    break;
                case GraphDebugMode.F:
                    c = Color.Lerp(AstarColor.ConnectionLowLerp, AstarColor.ConnectionHighLerp, ((float)nodeR.F-AstarPath.active.debugFloor) / (AstarPath.active.debugRoof-AstarPath.active.debugFloor));
                    break;
                }
                break;
            }

            c.a *= 0.5F;
            return c;
        }

GridGenerators.cs  私有函数更新graph的influence值，为防止不断开辟内存和释放内存以及重复计算节点距离，采取了优化措施，影响了阅读性。

private void UpdateInfluenceInternal(InfluenceUpdateObject o){
            
            var nodeCenter = GetNearest(o.bounds.center).node as GridNode;
            var radius = o.bounds.size.x <= o.bounds.size.z ? o.bounds.size.x / 2 : o.bounds.size.z / 2;

            nodeSet.Clear();
        
            var decay = o.deltaInfluence / radius;

            int popIndex = 0;
            int pushIndex = popIndex;
            if (nodeList.Count == 0) {
                nodeList.Add (new InfluenceNode (nodeCenter, o.deltaInfluence));
            } else {
                nodeList[pushIndex].node = nodeCenter;
                nodeList[pushIndex].deltaInfluence = o.deltaInfluence;
            }

            pushIndex++;
            while(popIndex < pushIndex)
            {
                
                InfluenceNode iNode = nodeList[popIndex];
                popIndex++;
                GridNode curNode = iNode.node as GridNode;
                nodeSet.Add (curNode);
                o.WillUpdateNode (iNode);
                if (o.faction == AInfluencePath.Faction.BLACK) {
                    curNode.influenceOfBlack += iNode.deltaInfluence;
                }
                if (o.faction == AInfluencePath.Faction.WHITE) {
                    curNode.influenceOfWhite += iNode.deltaInfluence;                
                }
                    

                for (int i = 0; i < 8; i++) {
                    
                    if (curNode.GetConnectionInternal (i)) {
                        GridNode other = nodes [curNode.NodeInGridIndex + neighbourOffsets [i]];

                        if (other!= null && !nodeSet.Contains(other)) {
                            
                            if (o.bounds.Contains ((Vector3)other.position)) {

                                    var decayDis = 0.5f;
                                    if (i >= 4)
                                        decayDis = 0.7f;
                                                            
                                    float tmpDelta;
                                    if (iNode.deltaInfluence < decayDis * decay )
                                        tmpDelta = 0;
                                    else
                                        tmpDelta = iNode.deltaInfluence - (decayDis * decay );

                                    if (tmpDelta != 0) {
                                        if (nodeList.Count <= pushIndex) {
                                            nodeList.Add (new InfluenceNode(other,tmpDelta));
                                        }
                                        else{
                                            nodeList[pushIndex].node = other;
                                            nodeList[pushIndex].deltaInfluence = tmpDelta;
                                        }

                                        nodeSet.Add (other);
                                        pushIndex++;
                                    }
                                    
                            }
                        }

                    }
                }
                    
            }


        }

上述为关键代码，要启用该功能，还需要自定义 Seeker.cs 以及 调用 Seeker的 AgentAI脚本。

有园友提问InfluenceNode在A* Project里面找不到，这是我们自己添加的新Node，所以找不到，附上

public class InfluenceNode{
        public InfluenceNode(GraphNode node, float delta)
        {
            this.node = node;
            this.deltaInfluence = delta;
        }
        public GraphNode node;
        public float deltaInfluence;
    }