PLAYER 1 – ANTONIO M. MORA GARCÍA

CIENCIA YVIDEOJUEGOS

CIENCIA YVIDEOJUEGOS

© Curso Almuñécar 2012

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• IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroduccióncrecimiento del mercado de videojuegos, taxonomía de jugadores, sistemas de juego actuales. Videojuegos en la Universidad.

• Aplicaciones de los videojuegos a la cienciaAplicaciones de los videojuegos a la cienciaAplicaciones de los videojuegos a la cienciaAplicaciones de los videojuegos a la cienciauso de sistemas de videojuegos en campos de la ciencia.

• Ciencia en los videojuegosCiencia en los videojuegosCiencia en los videojuegosCiencia en los videojuegosconsideraciones científicas en el mundo de los videojuegos.

• Investigación en videojuegosInvestigación en videojuegosInvestigación en videojuegosInvestigación en videojuegosprincipales campos de investigación dentro del ámbito de los videojuegos.

• EjemplosEjemplosEjemplosEjemplos

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

• Recientemente ha habido un crecimiento crecimiento crecimiento crecimiento enormeenormeenormeenorme del consumo de videojuegos en el mundo, debido a su acercamiento a grupos acercamiento a grupos acercamiento a grupos acercamiento a grupos antes ajenos a ellos: usuarios mayores de 25 antes ajenos a ellos: usuarios mayores de 25 antes ajenos a ellos: usuarios mayores de 25 antes ajenos a ellos: usuarios mayores de 25 años y menores de 10años y menores de 10años y menores de 10años y menores de 10, incluyendo padres, madres y abuelos, así como el sector femeninoasí como el sector femeninoasí como el sector femeninoasí como el sector femenino.

• Este crecimiento se ha debido al cambio cambio cambio cambio en la filosofía en la filosofía en la filosofía en la filosofía de los videojuegos, ofreciendo contenidos más ‘adultos’ o por el contrario, más asequibles e ‘infantiles’, así como juegos de acción directa y breve.

• ¡Hay mercado para vender CIENCIAmercado para vender CIENCIAmercado para vender CIENCIAmercado para vender CIENCIA!

• Los jugadores de toda la vida se han autodenominado hardcorehardcorehardcorehardcore gamersgamersgamersgamers. Éstos disfrutan y exprimen los videojuegosdisfrutan y exprimen los videojuegosdisfrutan y exprimen los videojuegosdisfrutan y exprimen los videojuegos, están informados, les gustan la mayoría de géneros y juegan largos periodos (si pueden).

• El crecimiento del mercado de los videojuegos ha hecho que aparezcan los llamados casual casual casual casual gamersgamersgamersgamers.Son jugadores esporádicos y centrados en juegos de acción directa y breve jugadores esporádicos y centrados en juegos de acción directa y breve jugadores esporádicos y centrados en juegos de acción directa y breve jugadores esporádicos y centrados en juegos de acción directa y breve (arcade, deportivos, mini-juegos), oooo de los llamados nononono----juegosjuegosjuegosjuegos (juegos de entrenamiento, dibujo, etc).

• Aparte del PC y de los sistemas móviles (iOS, Android, etc), existen varios sistemas muy extendidos:

• Consolas de sobremesaConsolas de sobremesaConsolas de sobremesaConsolas de sobremesa

• Consolas portátilesConsolas portátilesConsolas portátilesConsolas portátiles

Wii Xbox 360 Playstation 3

Nintendo Playstation3DS Vita

• Y muchos más (consolas de filosofía abiertaconsolas de filosofía abiertaconsolas de filosofía abiertaconsolas de filosofía abierta), poco conocidos por el gran público.

GP2X Wiz Caanoo

Dingoo Pandora

• Otra de las repercusiones es que desde hace unos años se están adaptando los planes de estudiosadaptando los planes de estudiosadaptando los planes de estudiosadaptando los planes de estudios al desarrollo de estas aplicaciones.

• Existen asignaturasasignaturasasignaturasasignaturas, GradosGradosGradosGrados e incluso MásteresMásteresMásteresMásteres dedicados:– Asignatura “Diseño de VideojuegosDiseño de VideojuegosDiseño de VideojuegosDiseño de Videojuegos”, Universidad de Cádiz– “Grado en Diseño y Desarrollo de VideojuegosGrado en Diseño y Desarrollo de VideojuegosGrado en Diseño y Desarrollo de VideojuegosGrado en Diseño y Desarrollo de Videojuegos” - Universidad Camilo José

Cela– “Diseño Diseño Diseño Diseño y Desarrollo de Videojuegos y Sistemas y Desarrollo de Videojuegos y Sistemas y Desarrollo de Videojuegos y Sistemas y Desarrollo de Videojuegos y Sistemas InteractivosInteractivosInteractivosInteractivos” - Universitat

Jaume I– “Máster en Creación de VideojuegosMáster en Creación de VideojuegosMáster en Creación de VideojuegosMáster en Creación de Videojuegos” – Universitat Pompeu Fabra– “Máster en Programación de VideojuegosMáster en Programación de VideojuegosMáster en Programación de VideojuegosMáster en Programación de Videojuegos” – U-tad

• Aún así, distamos mucho de Europa y América:– Ejemplo: Center for Computer Game Research (Copenhagen)

APLICACIONESA LA CIENCIAAPLICACIONESA LA CIENCIA

Su novedoso mando (WiimoteWiimoteWiimoteWiimote) ha tenido muchas aplicaciones en el ámbito científico (y no tan científico):

• control de robots, paneles/monitores reactivos, reconocimiento y seguimiento de formas y sujetos.

http://www.youtube.com/watch?v=v1AJ_OBJUpY http://www.youtube.com/watch?v=TkmxhVtvLoM http://www.youtube.com/watch?v=0awjPUkBXOU

Hay incluso un proyecto, WiiLabWiiLabWiiLabWiiLab, que ha creado una utilidad en Matlabpara interaccionar con el Wiimote…

…y otra con Game Maker!!!

http://code.google.com/p/giimote/

http://www.youtube.com/watch?v=EeBAYeoX7-8

• Inicialmente se utilizó para crear clustersclustersclustersclusters de consolas de consolas de consolas de consolas (supercomputadores), debido a la potencia de su chip CellCellCellCell y su precio no muy elevado.

• Contaba con un S.O. Linux adicional (Yellow Dog) muy flexible.

• Posteriormente, la consola fue actualizada por Sony para no actualizada por Sony para no actualizada por Sony para no actualizada por Sony para no admitir la instalación de otro admitir la instalación de otro admitir la instalación de otro admitir la instalación de otro S.O.S.O.S.O.S.O., con lo que se perdió esta posibilidad.

Gracias a su controlador sin mandos KinectKinectKinectKinect:

• control de robots por movimiento y por voz, reconocimiento de formas y personas, etc.

http://www.youtube.com/watch?v=Sw4RvwhQ73E http://www.youtube.com/watch?v=c6jZjpvIio4

CIENCIA EN LOSVIDEOJUEGOS

CIENCIA EN LOSVIDEOJUEGOS

• Los videojuegos, desde siempre, cumplen con reglas de la físicacumplen con reglas de la físicacumplen con reglas de la físicacumplen con reglas de la física, incluso los más simples (en apariencia) como Super Mario Bros. (saltos, trayectorias, inercia,…).

• En la actualidadactualidadactualidadactualidad se está tendiendo a hacerlos completamente fieles a la realidad, creando motoresmotoresmotoresmotores específicos para modelado de de de de físicasfísicasfísicasfísicas.

http://www.youtube.com/watch?v=B7_rPDwSKe8

Los principios científicos de funcionamiento principios científicos de funcionamiento principios científicos de funcionamiento principios científicos de funcionamiento del primer mando basado en movimiento y usado como controlador principal de una consola (WiimoteWiimoteWiimoteWiimote) son:

http://www.youtube.com/watch?v=ETAKfSkec6A

INVESTIGACIÓNEN VIDEOJUEGOSINVESTIGACIÓN

EN VIDEOJUEGOS

• Aparte del realismo visual y físicorealismo visual y físicorealismo visual y físicorealismo visual y físico, se quiere modelar enemigos y compañeros cuyo comportamiento sea ‘inteligente’ (humano).

• Es decir, los recursos se están invirtiendo en la IAinvirtiendo en la IAinvirtiendo en la IAinvirtiendo en la IA.

• Se llama IAIAIAIA a la rama de la informática dedicada a la implementación de agentes racionales implementación de agentes racionales implementación de agentes racionales implementación de agentes racionales (o aparentemente racionales) no vivosno vivosno vivosno vivos.

• Dentro de un videojuegovideojuegovideojuegovideojuego, se trata de definir técnicas de técnicas de técnicas de técnicas de comportamiento para los personajes no manejablescomportamiento para los personajes no manejablescomportamiento para los personajes no manejablescomportamiento para los personajes no manejables (NPCs en inglés) que ‘simulen’ ser racionales. Estos personajes podrán ser enemigos o colaboradores.

• En principio no se trata de obtener comportamiento estrictamente humano, dado que esto conllevaría la inclusión ‘forzosa’ de errores (los humanos nos equivocamos mucho).

• En los inicios de los videojuegos, los NPCsseguían habitualmente unas pautas o patrones predefinidospatrones predefinidospatrones predefinidospatrones predefinidos, que el programador establecía al crear el juego y que eran invariablesinvariablesinvariablesinvariables.

• Las IAsIAsIAsIAs reactivas reactivas reactivas reactivas proponían acciones de los NPCs en respuesta a las de los jugadores.

• Las IAsIAsIAsIAs dedicadasdedicadasdedicadasdedicadas establecían ‘personalidades’ diferentes a los NPCs.

• Posteriormente se empezó a utilizar las llamadas máquinas de máquinas de máquinas de máquinas de estados finitosestados finitosestados finitosestados finitos, las cuales definen una serie de estados estados estados estados posibles para el NPC y las transiciones entre ellos posibles para el NPC y las transiciones entre ellos posibles para el NPC y las transiciones entre ellos posibles para el NPC y las transiciones entre ellos (basadas en percepciones sobre el juego o sobre el jugador).

By Fergu

• También son bastante utilizados los sistemas de reglas sistemas de reglas sistemas de reglas sistemas de reglas y los árboles de decisiónárboles de decisiónárboles de decisiónárboles de decisión. En ambos casos se tienen un conjunto de conjunto de conjunto de conjunto de reglas que el NPC seguirá para actuar en función de las reglas que el NPC seguirá para actuar en función de las reglas que el NPC seguirá para actuar en función de las reglas que el NPC seguirá para actuar en función de las condicionescondicionescondicionescondiciones (entradas o percepciones) que se den en su entorno.

• En la actualidad, lo más habitual es aplicar una mezcla de estas técnicas. Así en la gran mayoría de juegos los los los los NPCsNPCsNPCsNPCs utilizan variantes de comportamientos utilizan variantes de comportamientos utilizan variantes de comportamientos utilizan variantes de comportamientos predefinidospredefinidospredefinidospredefinidos (scriptsscriptsscriptsscripts), en función de las acciones del jugadoren función de las acciones del jugadoren función de las acciones del jugadoren función de las acciones del jugador.

• Su ventaja es que es relativamente sencillo definirlossencillo definirlossencillo definirlossencillo definirlos, basándose en la basándose en la basándose en la basándose en la experiencia del programador/jugador en el juegoexperiencia del programador/jugador en el juegoexperiencia del programador/jugador en el juegoexperiencia del programador/jugador en el juego (o juegos similares).

• Su problema problema problema problema es la poca flexibilidad poca flexibilidad poca flexibilidad poca flexibilidad que tienen para adaptarse a situaciones situaciones situaciones situaciones cambiantescambiantescambiantescambiantes.

• Además, los NPCsNPCsNPCsNPCs cuentan por lo general con ventajas adicionales al jugador ventajas adicionales al jugador ventajas adicionales al jugador ventajas adicionales al jugador humano, como puntería perfecta basada en coordenadas exactas, humano, como puntería perfecta basada en coordenadas exactas, humano, como puntería perfecta basada en coordenadas exactas, humano, como puntería perfecta basada en coordenadas exactas, navigationnavigationnavigationnavigationpointspointspointspoints (puntos de paso prefijados que siguen rutas hacia zonas ventajosas o items), etc.

• Comercialmente se ha hecho poco uso de otras técnicas ‘más científicas’, como las redes neuronales, los algoritmos evolutivos…

• Tradicionalmente en el entorno científico se consideraba la llamada Teoría de JuegosTeoría de JuegosTeoría de JuegosTeoría de Juegos, una rama de las matemáticas aplicadas en la que matemáticas aplicadas en la que matemáticas aplicadas en la que matemáticas aplicadas en la que se ofrecen incentivos en base a la toma de decisionesse ofrecen incentivos en base a la toma de decisionesse ofrecen incentivos en base a la toma de decisionesse ofrecen incentivos en base a la toma de decisiones. Dentro de ella se incluían juegos sencillos en su planteamiento, pero costosos en su resolución: torres de torres de torres de torres de HHHHanoianoianoianoi, dilema del prisionero, juego de la vida, dilema del prisionero, juego de la vida, dilema del prisionero, juego de la vida, dilema del prisionero, juego de la vida.

• Estos juegos planteaban problemas a resolver mediante técnicas problemas a resolver mediante técnicas problemas a resolver mediante técnicas problemas a resolver mediante técnicas exactas, heurísticas o exactas, heurísticas o exactas, heurísticas o exactas, heurísticas o metaheurísticasmetaheurísticasmetaheurísticasmetaheurísticas: búsqueda en árboles, A*, algoritmos genéticos, algoritmos basados en colonias de hormigas,…

• Además, la resolución de juegos tradicionales (típicamente puzles)resolución de juegos tradicionales (típicamente puzles)resolución de juegos tradicionales (típicamente puzles)resolución de juegos tradicionales (típicamente puzles)también ha sido objeto de estudioobjeto de estudioobjeto de estudioobjeto de estudio desde los inicios de la investigación científica: ajedrez, ajedrez, ajedrez, ajedrez, bbbbackgammonackgammonackgammonackgammon, , , , mastermindmastermindmastermindmastermind, sudoku, sudoku, sudoku, sudoku

• La aparición de los videojuegos videojuegos videojuegos videojuegos propició un nuevo entorno de nuevo entorno de nuevo entorno de nuevo entorno de problemasproblemasproblemasproblemas.

• El primeroprimeroprimeroprimero y más directo que se propuso resolver fue el de los aspectos relativos a la IAla IAla IAla IA. Este problema aún es el más relevante.

• Posteriormente, con el avance de la tecnología, los videojuegosvideojuegosvideojuegosvideojuegos se fueron haciendo cada vez más complejoscada vez más complejoscada vez más complejoscada vez más complejos, con lo que se añadieron nuevos componentes que era posible investigarnuevos componentes que era posible investigarnuevos componentes que era posible investigarnuevos componentes que era posible investigar:– Búsqueda en mapas, predicción de combates, simulación, etc

• En la actualidad, las posibilidades son tan grandes, que los temas de los temas de los temas de los temas de estudio han aumentado exponencialmenteestudio han aumentado exponencialmenteestudio han aumentado exponencialmenteestudio han aumentado exponencialmente y del mismo modo la investigación científica (y publicaciones).

• Rama de la IA que aplica aplica aplica aplica metaheurísticasmetaheurísticasmetaheurísticasmetaheurísticas y mecanismos y mecanismos y mecanismos y mecanismos bioinspiradosbioinspiradosbioinspiradosbioinspirados para la resolución de problemas complejosproblemas complejosproblemas complejosproblemas complejos, generalmente modelando sistemas adaptativos o cambiantessistemas adaptativos o cambiantessistemas adaptativos o cambiantessistemas adaptativos o cambiantes.

• Hay que modelar el juego (o una parte del mismo) como un modelar el juego (o una parte del mismo) como un modelar el juego (o una parte del mismo) como un modelar el juego (o una parte del mismo) como un problema problema problema problema de optimización, búsqueda o aprendizaje.

• Ejemplos:– Búsqueda de camino mínimo Búsqueda de camino mínimo Búsqueda de camino mínimo Búsqueda de camino mínimo en un mapa– PredicciónPredicciónPredicciónPredicción de resultado de combates– Definición automática de reglasDefinición automática de reglasDefinición automática de reglasDefinición automática de reglas de comportamiento– Ajuste de parámetrosAjuste de parámetrosAjuste de parámetrosAjuste de parámetros de comportamiento– DecisiónDecisiónDecisiónDecisión de objetivos

• Entre las Metaheurísticas más utilizadas están: Algoritmos Algoritmos Algoritmos Algoritmos Genéticos Genéticos Genéticos Genéticos (AG), Algoritmos de Optimización basada en Optimización basada en Optimización basada en Optimización basada en Colonias de HormigasColonias de HormigasColonias de HormigasColonias de Hormigas (OCH), MonteMonteMonteMonte----Carlo Carlo Carlo Carlo TreeTreeTreeTree SearchSearchSearchSearch(MCTS), A*A*A*A*, Programación GenéticaProgramación GenéticaProgramación GenéticaProgramación Genética (PG), Lógica DifusaLógica DifusaLógica DifusaLógica Difusa, Redes NeuronalesRedes NeuronalesRedes NeuronalesRedes Neuronales…

• Y suelen aplicarse sobre máquinas de estados finitosmáquinas de estados finitosmáquinas de estados finitosmáquinas de estados finitos (MEF), scriptsscriptsscriptsscripts, sistemas de reglas sistemas de reglas sistemas de reglas sistemas de reglas (SR) o sistemas expertossistemas expertossistemas expertossistemas expertos (SE), etc.

• NPC’sNPC’sNPC’sNPC’s AIAIAIAI: se trata de modelar la IA o aspectos de ella para rivales o compañeros dentro de cualquier juego. Habitualmente se aplican AGs para evolucionar parámetros o comportamientos.

• Rule Rule Rule Rule systemsystemsystemsystem generationgenerationgenerationgeneration: se trata de definir automáticamente el conjunto de reglas que determinen la forma de actuar de los NPCs. Se suele aplicar PG.

• HumanHumanHumanHuman----likelikelikelike behaviourbehaviourbehaviourbehaviour analysisanalysisanalysisanalysis and and and and modellingmodellingmodellingmodelling: el objetivo es modelar NPCs que sean capaces de actúar como lo haría un jugador humano. Para ello se pueden usar técnicas de extracción de datos (data mining) sobre conjuntos de datos relativos a partidas de humanos.

• CheatingCheatingCheatingCheating detectiondetectiondetectiondetection: se aplican técnicas de detección de ‘trampas’ en partidas, en base a un estudio de las estadísticas obtenidas por los jugadores.

• MoveMoveMoveMove and and and and battlebattlebattlebattle predictionpredictionpredictionprediction: se entrenan métodos de predicción (como redes neuronales) en base a datos de partidas grabadas, para que sean capaces de anticipar futuros movimientos o acciones de los rivales.

• LearningLearningLearningLearning in in in in gamesgamesgamesgames: usando métodos de aprendizaje por refuerzo (reinforcementlearning), se consiguen agentes adaptativos.

• GameGameGameGame mechanicsmechanicsmechanicsmechanics and and and and featuresfeaturesfeaturesfeatures analysisanalysisanalysisanalysis: se analizan los componentes del juego y se parametrizan a fin de conseguir evaluaciones numéricas de los elementos que conforman un juego.

• ExplorationExplorationExplorationExploration and and and and searchsearchsearchsearch in in in in gamesgamesgamesgames: se aplican algoritmos de búsqueda para encontrar caminos a objetivos en mapas de juegos, o para explorar determinadas zonas maximizando el área cubierta, por ejemplo.

• Content, Content, Content, Content, ccccharactersharactersharactersharacters, , , , levelslevelslevelslevels and and and and sssstorytorytorytory generationgenerationgenerationgeneration: se aplican algoritmos de optimización para distribuir generar contenidos o formas en un nivel. Se crean funciones matemáticas que valoran de forma objetiva estos contenidos o niveles generados, o se hacen algoritmos interactivos que cuentan con un feedback por parte de usuarios humanos.

EJEMPLOSEJEMPLOS

i i i i � población inicialffff � función de

evaluación? ? ? ? � condición de

paradaSeSeSeSe � selecciónCrCrCrCr � cruceMuMuMuMu � mutaciónRe Re Re Re � reemplazo

by Johann Dréo

http://www.youtube.com/watch?v=ejxfTy4lI6I

UnrealUnrealUnrealUnreal es un juego de disparos en primera persona (FPS)juego de disparos en primera persona (FPS)juego de disparos en primera persona (FPS)juego de disparos en primera persona (FPS).

Muy famoso por la excelente IA de los enemigosexcelente IA de los enemigosexcelente IA de los enemigosexcelente IA de los enemigos (bots), que lo convierten enun excelente juego multijugador.

Tiene un editor sencillo editor sencillo editor sencillo editor sencillo con el que se puede cambiar o crear cualquier cosa en el juego (con el lenguaje UnrealScriptUnrealScriptUnrealScriptUnrealScript).

Bot basado en AG (GAGAGAGA----BotBotBotBot)

ProcesoEvolutivodel AG

Std AI

población

Std AI

Std AI

EVALUACIÓN DEL FITNESS

• Analizamos MEF• Determinamos parámetros• Optimizamos

• Analizamos MEF• Determinamos parámetros de equipo• Optimizamos

Equipo de bots basados en AGs

(GTGTGTGT----BotBotBotBot)

ProcesoEvolutivodel AG

población

EVALUACIÓN DEL FITNESS

Std AI

Std AI

Std AI

vs

O

• Ejemplos de NPCs/Bots/Agentes:

http://www.youtube.com/watch?v=EiAWYGNpu9M http://www.youtube.com/watch?v=0Khtp2tEU1k

Una buena forma de empezar:

• 2K 2K 2K 2K BotPrizeBotPrizeBotPrizeBotPrize: bots de Unreal que deben ser lo más humanos posible.• StarcraftStarcraftStarcraftStarcraft: combates en el famoso RTS.• PlanetPlanetPlanetPlanet WarsWarsWarsWars: RTS de lucha interplanetaria simple.

(Google AI Challenge 2010).• ANTSANTSANTSANTS: RTS de pelea entre hormigas. (Google AI Challenge 2011).• PacPacPacPac----ManManManMan: Famoso comecocos. Puedes implementar a Pac-man o a los

fantasmas.• SimulatedSimulatedSimulatedSimulated Car Car Car Car RacingRacingRacingRacing: Carreras de coches.• Mario AIMario AIMario AIMario AI: Agente, aprendizaje, generación de niveles.

http://geneura.ugr.es/cig2012/competitions.html

• CongresosCongresosCongresosCongresos:– IEEE CIG (2012 en Granada)– CGAMES– GAME-ON– CGAT– Special Sessions:

IWANN, MAEB, EVO*, GECCO, WCCI

• RevistasRevistasRevistasRevistas:– Transactions on Computational

Intelligence and AI in Games (IEEE)– Entertainment Computing (Springer)

…– Cualquiera en la que cuele