行为树的一种高效实现

我的玩具项目中,需要有一定智能的NPC来辅助人类攻击防御塔。

通常实现智能会采用状态机,行为树,GOAP等技术。

GOAP技术我没有研究过,行为树在早些年大致了解过一些。因为觉得行为树性能太差,不可能取代状态机实现,之后就再也没有研究过了。

随着这些年我性能强迫症的好转,再加上听到行为树的次数逐年增加,我打算趁机仔细研究一下。

我找来《Behavior Trees in Robotics and AI》仔细读了一遍。这本书详细介绍了行为树,并且对比了行为树和状态机之间的优劣。

根据《Behavior Trees in Robotics and AI》描述,行为树一般有4种控制节点(Sequence, Fallback, Parallel, Decorator)和两种执行节点(Action和Condition)。只有执行节点才能成为叶子节点。

先来简单描述一下最重要的两种控制节点, Sequence和Fallback。

Sequence节点: 当执行Sequence节点时,从左往右顺序执行子节点,直到某一个子节点返回Failure或Running状态,伪码如下:

//Algorithm 1: Pseudocode of a Sequence node with N children
for i 1 to N do
    childStatus <- Tick(child(i))
    if childStatus = Running then
        return Running
    else if childStatus = Failure then
        return Failure
return Success

Fallback节点:当执行Fallback节点时,从左往右顺序执行子节点,直到某一个子节点返回Success or Running状态,伪码如下:

//Algorithm 2: Pseudocode of a Fallback node with N children
for i 1 to N do
    childStatus <- Tick(child(i))
    if childStatus = Running then
        return Running
    else if childStatus = Success then
        return Success
return Failure

Action和Condition节点,是我们具体的业务逻辑,不是本次优化的重点。


对比行为树和状态机可以发现,行为树比状态机额外多出的开销, 就是在执行执行节点之前,必须要先穿过控制节点

如果我们在运行时能避过控制节点,只执行执行节点,那行为树和状态机的开销差别就只是多了几次函数调用而已。

仔细思考过之后, 我认为这是可能的。

结合上面对Sequence和Fallback节点的定义。我们不难发现,在编程语言中,Sequence就是and(与)逻辑,而Fallback就是or(或)逻辑。

整棵行为树的控制节点就是用来描述if-else的逻辑,叶子节点是相应的业务逻辑。从这个角度来看,行为树和语法树有颇多相似之处。

不难发现,整棵树的执行路径,其实依赖于特定执行节点的特定返回值。

某一个执行节点(叶子节点)返回Failure或Success, 整棵行为树下一步要执行的执行节点是固定的。

某个执行节点返回Running, 整棵树就停止执行。在下一Tick之后从头执行,这种情况比较简单,暂时不需要考虑。

来看一棵简单的行为树:

如果 Action 1 Done 返回Success,下一步将要执行的执行节点(叶子节点)就是 Actino 2 Done
如果 Action 1 Done 返回Failure, 下一步将要执行的执行节点(叶子节点)就是 Action 1

这种逻辑可以递归到所有的执行节点

这样,我们只需要两张跳转表(Success跳转表,Failure跳转表),就可以在运行时,以状态机的开销来实现行为树的功能。

以上面的行为树为例,我们可以生成如下跳转表:

local tree = {
["Action 1 Done"] = {
    ["Success"] = "Action 2 Done",
    ["Failure"] = "Action 1"
},
["Action 1"] = {
    ["Success"] = "Action 2 Done",
    ["Failure"] = nil, --nil 代表整棵树执行结束
},
["Action 2 Done"] = {
    ["Success"] = nil,
    ["Failure"] = "Action 2"
},
["Action 2"] = {
    ["Success"] = nil,
    ["Failure"] = nil,
}
}

在运行时,我们首先执行整棵行为树的第一个节点"Action 1 Done"。

如果"Action 1 Done"返回Success, 根据表tree可知,下一步需要执行的是"Action 2 Done"。

如果"Action 2 Done"返回Failure, 根据表tree可知,下一步需要执行的是"Action 2"。

这样我们仅需要生成一个跳转表,就可以在运行时抹掉所有控制节点所带来的开销。

最终,我花了200行代码实现了根据行为树生成上述跳转表的逻辑。

PS.我把生成跳转表的行为称之为编译。如果控制节点是Parallel或Decorator类型,或者有记忆功能。在编译过程中,需要将其保留,不能将其编译掉。不然无法完成和行为树等价的逻辑。

PPS. 在示例代码,我使用了behavior3来编辑行为树。

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