Abstract— Desde el surgimiento de la
Inteligencia Artificial (IA) a mediados del siglo XX hasta nuestros días, la
cantidad de disciplinas, técnicas y métodos que se añaden constantemente a esta disciplina ha tenido un crecimiento
acelerado. Hoy en día con la aparición de la IA generativa el interés por estos
temas se ha exponenciado.
Pero surge la
pregunta básica, ¿por donde iniciar? Este análisis ofrece un punto de partida
para las nuevas generaciones interesadas en el excitante campo de los
videojuegos, destacando las técnicas y métodos de la IA que han impulsado su
desarrollo.
Keywords—IA, Videogame, ML
I.Introduction (Heading 1)
Los orígenes de
los videojuegos se remontan a la década de 1950, cuando los primeros programas
informáticos interactivos comenzaron a emerger en laboratorios de investigación
y universidades. Uno de los primeros ejemplos fue "Spacewar!",
desarrollado por estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)
en 1962, que permitía a dos jugadores controlar naves espaciales y luchar entre
sí en pantalla. Desde esos primeros momentos la idea de jugar con y contra las
máquinas se volvió tema central.
En esos mismos
años el campo de la Inteligencia Artificial (IA) emergía como un campo de
estudio y desarrollo que capturaba la imaginación de científicos, empresarios,
y la sociedad en general.
La inteligencia
Artificial desde 1956 ha escapado a ser encasillada en una sola definición
simple y aceptada por todos. En vez de
ello es y ha sido amalgama de
disciplinas, como la matemática, la biología, las ciencias computacionales, la
economía y la filosofía solo por mencionar algunas.
Diversas
técnicas y métodos se han desarrollado bajo el paraguas de la IA y poco a poco han
encontrado su nicho en áresa específicas. Un ejemplo claro son las técnicas de
búsqueda y ordenamiento que hoy en día se encuentran en libros universitarios
de algoritmos básicos pero que en algun momento fueron los elementos angulares
de la IA. Otras disciplinas como el aprendizaje automático, tambien llamado
lenguaje máquina o aprendizaje máquina por el anglisisimo de machine learning
nacieron dentro de la inteligencia artificial y hoy en día buscan su propio
nicho y reconocimiento.
Este pequeño
artículo busca mencionar simplemente algunas de las técnicas y métodos de la
inteligencia artificial que hicieron desarrollar la industria de los
videojuegos como punto de partida para las nuevas generarciones que desean
trabajar en este emocionante campo.
II.Agentes como punto de partida
Existen
diversos puntos de vista sobre como introducir y definir Inteligencia
Artificial, para este pequeño artículo nos basaremos en las definiciones de
Rusell y Norvig
Gartner define
la Inteligencia Artificial como la aplicación de análisis avanzados y técnicas
basadas en la lógica, incluido el machine learning (ML), para interpretar
eventos, respaldar y automatizar decisiones y llevar a cabo acciones
Marvin Minsky
describió la IA como "la construcción de programas de computadora que se
dedican a tareas que, por el momento, son realizadas de manera más
satisfactoria por seres humanos, ya que requieren procesos mentales de alto
nivel como el aprendizaje perceptual, la organización de la memoria y el
razonamiento crítico"[7]
Finalmente Stuart
Russell y Peter Norvig describen la IA desde el punto de vista de Agentes, Un
agente es cualquier entidad que percibe su entorno y responde ante él.
Concluyendo así que "La inteligencia artificial se ocupa del diseño de
agentes racionales"[1]
Un agente es
una entidad que percibe su entorno a través de sensores y actúa en ese entorno
mediante actuadores. Así, podemos identificar agentes biológicos
(organismos vivos), agentes de software (como soft bots) y agentes de hardware
(como robots).
Para construir
agentes podemos basarnos en su arquitectura:
a)
Agentes
reactivos simples: Actúan basándose únicamente en la percepción actual del
entorno, sin mantener una representación interna del estado del mismo.
b)
Agentes
basados en modelos: Mantienen una representación interna del estado del entorno
y utilizan esa representación para tomar decisiones.
c)
Agentes
basados en objetivos: Tienen un objetivo definido y toman decisiones para
alcanzar ese objetivo.
d)
Agentes
basados en utilidad: Toman decisiones que maximizan una función de utilidad,
que puede estar relacionada con la satisfacción de objetivos o con otros
criterios.
e)
Agentes
multiagentes: Son sistemas en los que múltiples agentes trabajan juntos para
lograr un objetivo común o compiten entre sí.
Existen
diferentes arquitecturas de Agentes que van desde aquellos únicamente
reactivos, hasta los racionales pasando por agentes de utilidad, agentes de
metas y agentes que aprenden por señalar algunos cuantos.
La idea de
Agente esta muy relacionada con los videojuegos desde el jugador, el NPC (del
inglés non playable character) e incluso el sistema con el que juega compitiendo
o colaborando de manera automática.
III.Setup del Juego
En el diseño y desarrollo
de videojuegos el diseño de niveles del juego tiene uno de los papeles más cruciales para el éxito comercial
del producto.
En el diseño de
los juegos un punto importante es la configuración o por su anglicismo el setup
del juego. Este consta tanto del espacio de interacción como las relaciones de
interacción entre el sistema y el o los jugadores.
Podemos iniciar
describiendo el mundo donde se llevará a cabo el juego e identificamos varios
puntos de partida:
f)
El
mundo es completo y conocido. La mayoría de los juegos como el ajedrez o el
monopolio permite tener una visión completa del mundo. En el Ajedrez las 64
casillas y sus disposiciones de cuadros blancos y negros con la regla de que la
casilla de la derecha es blanca es conocido desde antes de iniciciar el juego.
g)
El
mundo es parcialmente conocido. Juegos como The Legend of Zelda: Breath of the
Wild, inician con un pedazo del mapa del mundo conocido por el heroe y conforme
uno avanza en el juego nuevas secciones del mapa se van revelando.
h)
El
mundo es determinista, Si se puede representar como una máquina de estados
finitos.
i)
El
mundo es aleatorio o pseudoaleatorio si los eventos que suceden obedecen un
comportamiento que el jugador puede identificar como debido al azar.
Autores como
Rusell y Norvig proponen otras divisiones de los mundos en IA. Como episódico
vs secuencial, estático vs dinámico , discreto vs continuos o de simple agente
vs multiagente.
Para nosotros
estas son subcategorías del tipo de juego que se desea diseñar. Por ejemplo en
juegos de Rol como D&D, podemos tener el setup de un mundo multiagente
parcialmente conocido con eventos discretos en una mecánica por episodios.
Otro aspecto de
la configuración del juego esta en la decisión de:
a)
Personalización
del Jugador, desde sus atributos o estádisticas básicas como suelen ser:
fuerza, destreza, carisma, inteligencia, constitución, sabiduría, puntos de
daño etc. Hasta aspectos estéticos como género, raza, clase, etc.
b)
Personajes
no jugables o NPC por su anglicismo. Son entidades con las que el jugador
interactua ya sean amigos o enemigos. Existen diversas técnicas de IA que
permiten generarlos. Estas técnicas van desde la creación aleatoria de sus
estadísticas hasta por ejemplo crear hordas de NPC a través de algoritmos
genéticos
IV.Algoritmos Clásicos para Videojuegos
Iniciemos la
revisión de algoritmos con juegos clásicos como el llamado Gato o Tic-Tac-Toe
donde el setup del mundo es simplemente un arreglo de 3 x 3 donde cada jugador
tiene un símbolo y por turnos colocan su simbolo en un espacio vació del
arreglo buscando conectar en fila, columna o diagonal tres de sus simbolos para
ganar.
Este simple
juego se puede representar con un diagrama de árbol, representado en la figura
1, y simplemente buscar el siguiente movimiento dentro de las ramas donde esto
es posible. Asi los algoritmos de Búsqueda en profundidad y búsqueda por
anchura son los algoritmos más simples para iniciarse en IA.
Fig. 1.
Árbol
generado por las posibles tiradas de ambos jugadores.
Poco a poco la
experiencia nos dice que iniciar en cualquier esquina es básicamente el mismo
espacio de solución solo con una perspectiva diferente por lo que podemos
cortar varias de las ramas. Igual sucede con las casillas que quedan entre las
esquinas, así podemos introducir la búsqueda con poda en árboles de solución.
Cuando el juego
es más complicado y se desea por ejemplo hacer una búsqueda del camino de un
personaje en un mundo con obstáculos estas técnicas no resultan ser óptimas ya
que desperdician recursos al calcular todas las rutas posibles incluso con
podas. Aquí nacen los algoritmos con heurísticas siendo A* el algoritmo
preferido.
Cabe mencionar
que aunque A* es un algoritmo bastante conocido existen muchas forma de
implementarlo. Vease por ejemplo
Dentro de los
algoritmos de navegación clásicos estan los diagramas de Voronoi o los
waypoints por mencionar algunos.
Otra técnica
bastante utilizada por ejemplo para los comportamientos, interacciones de
lenguaje o el simple cambio de sprites para animaciones son las máquinas de
estados finitos. Una simple representación de procesos markovianos. Ejemplos
clásicos como los juegos de administración Harvest moon, etc.
V.Técnicas Básicas de IA para Videojuegos
Una vez
definido los elementos de agentes y configuración del juego podemos hablar de
algunas técnicas clásicas que se han utilizado por decádas en videojuegos.
Para la
representación del mundo podemos partir del uso de lógica de primer orden. Asi
las percepciones tanto de los NPC como el sistema de interacción para el
jugador se resuelven con un lenguaje de programación orientado a Reglas. Vease
por ejemplo CLIPS
Para
interacciones más complicadas o reglas en el mundo que puedan variar de forma
aleatoria pueden utilizarse algoritmos de redes bayesianas.
Para lograr
mejores interacciones entre NPC y jugadores o mundo-jugador podemos añadir
elementos de aprendizaje. De estos algoritmos quiza el aprendizaje Máquina es
de los más utilizados.
Otras técnicas
como el uso de Parvadas que se conocen desde 1986 por Craig Raynolds han abierto la posibislidad de utilizar
algoritmos inspirados en la naturaleza como el Swarm , Ants y Boids
Para problemas
de Planificación los algoritmos clásicos que podemos encontrar facilmente en la
literatura son: formaciones militares, Sistemas de navegación, Sistemas Presa-Depredador,
Búsqueda basada en reglas, Planificación de Tareas, PERT, entre otros
VI.Técnicas Modernas de IA para Videojuegos
Aunque es claro
que debemos mencionar la IA generativa basada en el procesamiento de Lenguaje
Natural en especifico en sistemas de lenguaje amplio por su extensa penetración
en los últimos años en particular en las industrias creativas. No queremos
dejar pasar primeramente otros métodos y técnicas modernas:
a)
Algoritmos
que aprovechen las capacidades del hardware por ejemplo para juegos de realidad
aumentada, virtual o mixta o de sistemas hápticos que permitan interactuar de
formas no tradicionales.
b)
Algoritmos
de reconocimiento de voz, que permitan una interacción más natural entre
jugadores y el sistema
c)
Algoritmos
basados en las preferencias del usuario. Son algoritmos de aprendizaje, más allá
de los tradicionales donde el sistema aprende sobre las preferencias, usos y
costumbres del jugador personalizando su experiencia. Por ejemplo The Legend of Zelda, Tears of the Kingdom en
el cual el mundo sube de dificultad de acuerdo con las habilidades que va
desarrollando el jugador.
d)
Existen
diversos métodos para generar el código necesario y así reducir los tiempos de
producción del juego. Desde "snippets", que son pequeños conjuntos de
líneas de código predefinidas, hasta el "visual scripting", que
implica programar utilizando bloques visuales, estos algoritmos son
herramientas clave en el proceso de desarrollo.
e)
Desde
Noviembre de 2022 las Inteligencias Artificiales Generativas, basadas en redes
neuronales y Deep learning, han permeado en la vida cotidiana y en especial en
varias industrias. Entre ellas las industrias creativas se han visto
beneficiadas desde varias perspectivas con nuevos productos y servicios. Sin
embargo para estas industrias existen plataformas conocidas desde varios años atrás, por ejemplo ADOBE SENSEI
desde 2016.
VII.Propuesta de clasificación
Con el fin de
hacer más sencillo el estudio de los algoritmos de IA para la industria de los
videojuegos, proponemos revisar la siguiente clasificación, basada en las
aplicaciones más comunes de la industria.
La IA a fin de
cuentas son los algoritmos que te ayudan a resolver problemas, proponemos los
siguientes problemas y los algoritmos que los solucionan:
A. Movimiento en el mundo
Uno de los
problemas más importantes dentro del área de los videojuegos es movilizar
unidades en el mundo. Y no solo eso, si no que el movimiento parezca
inteligente o con propósito. Los siguientes algoritmos nos pueden ayudar a
solucionar este problema.
a. Pathfinding clásico: Estos algoritmos
buscan encontrar caminos de manera automática con el propósito de apoyar el
movimiento de personajes y objetos en el juego.
i. Dijkstra: Busca el camino más corto entre
dos nodos en un grafo ponderado, es decir, las aristas tienen pesos. Este grafo
puede ser dirigido o no dirigido. Este algoritmo visita todos los nodos en el
camino y luego determina cual fue el menos costoso.
ii. A*: Es una mejora al algoritmo de
Dijkstra, ya que implementa una heurística para estimar el costo restante del
camino, en lugar de averiguar todas las posibles opciones.
b. Parvadas:
Conjunto de objetos que se mueven juntos. Estos pueden representar una
gran variedad de cosas en los videojuegos.
i. Boids: Este algoritmo modela a la parvada
nombrando a cada uno de los elementos o agentes que la integran con el nombre
de Boid. En general se implementan tres simples reglas: evitar colisionar,
mantenerse dentro del grupo y seguir la dirección del grupo. Basándose en estas
reglas se calcula la posición y velocidad relativa del Boid con el resto de los
objetos en la parvada.
c. Comportamiento emergente: Este concepto
describe como el comportamiento colectivo complejo y ordenado puede surgir de
la interacción entre agentes simples.
i. Algoritmos de enjambre: Son algoritmos
inspirados por la naturaleza se basan en el principio de que las acciones
individuales de los miembros, siguiendo reglas simples, conducen a
comportamientos colectivos complejos. Algunos ejemplos pueden ser, colonias de
hormigas, enjambres de partículas.
ii. Sistemas multiagente: Sistemas compuestos
de muchos agentes que se comunican y colaboran.
d. Formaciones militares: Estos algoritmos
pueden utilizar algunos de los algoritmos descritos anteriormente, enfocándose
en organizar unidades en formaciones militares.
B. Toma de decisiones
Otro problema común
es lograr que los NPCs tomen decisiones. Y no solo eso, si no que las
decisiones parezcan inteligentes.
a. Árboles de Decisión: Para utilizar esta
técnica, primero debemos generar un modelo del problema como en la figura 1.
Después podemos realizar búsquedas dentro de la estructura utilizando
parámetros para tomar la decisión.
b. Algoritmos genéticos: Estos algoritmos
están inspirados en la biología y utilizan una población de soluciones
candidatas expresadas como cromosomas binarios, la cual se evoluciona mediante reglas
seleccionadas a lo largo de generaciones utilizando operadores genéticos como
selección, cruce y mutación. Son muy útiles para encontrar soluciones optimas a
problemas complejos y multidimensionales.
c. Redes neuronales: Otro algoritmo inspirado
en la biología, el cual se basa en la simplificación de una neurona, en la cual
se procesan operaciones matemáticas simples. Estas redes surgen de conectar
muchas de estas neuronas, y así se pueden resolver problemas de clasificación,
reconocimiento de patrones, procesamiento de lenguaje y regresión entre otras.
d. Algoritmos de optimización: Son técnicas
utilizadas para encontrar la mejor solución a un problema, generalmente
maximizando o minimizando una función objetivo tradicionalmente sujeto a
restriicciones.
e. Redes Bayesianas: Son modelos gráficos
probabilísticos que representan relaciones entre variables a través de un grafo
dirigido acíclico. Cada nodo de este grafo representa una variable y los arcos
representan las dependencias probabilísticas entre ellas. Se pueden usar para
modelar incertidumbre y realizar inferencias probabilísticas, lo que se hace
útil para tomar decisiones.
C. Representación del mundo
Modelar el
mundo del videojuego con líneas de código es un reto interesante e importante.
Estos modelos nos permiten identificar cambios en las condiciones del mundo en
el que se desempeña nuestro jugador.
a. Mapas de influencia: Son una técnica de
representación espacial que se utiliza para modelar y visualizar el impacto que
tienen diferentes factores en un entorno determinado. Estos mapas asignan
valores a cada ubicación en función de factores como la accesibilidad, la
visibilidad, la peligrosidad, etc.
b. Redes Bayesianas: Ver la definición en la
sección B inciso e.
c. Grafos de conocimiento: Son estructuras de
datos que representan el conocimiento mediante nodos y relaciones entre ellos.
Cada nodo representa un concepto o entidad, y las relaciones representan
conexiones semánticas entre los conceptos.
d. Modelos de creencias, deseos e intenciones
(BDI): Una forma de representar la cognición humana en sistemas inteligentes.
Dividen el comportamiento de un agente en tres componentes principales:
creencias (lo que el agente cree sobre el mundo), deseos (los objetivos que el
agente quiere alcanzar) y intenciones (los planes que el agente desarrolla para
alcanzar sus objetivos).
e. Modelos de estado acción recompensa: Estos
modelos son comúnmente utilizados en el aprendizaje por refuerzo. Representan
la interacción entre un agente y su entorno mediante la observación de estados,
la selección de acciones y la recepción de recompensas. El agente aprende a
tomar decisiones óptimas maximizando la recompensa esperada a largo plazo.
f. Sistemas de reglas basados en lógica: Son
una forma de representar el conocimiento mediante reglas condicionales del tipo
"si-entonces". Estas reglas permiten inferir conclusiones lógicas a
partir de condiciones dadas.
g. Máquinas de estados basadas en pilas: Las
máquinas de estados basadas en pilas son un modelo computacional que describe
el comportamiento de sistemas que pueden estar en diferentes estados y cambiar
de estado en respuesta a eventos externos o internos. Utilizan una estructura
de datos tipo pila para gestionar la transición entre estados.
h. Análisis de terrenos: Es una técnica que
se utiliza para representar y analizar la topografía y las características
físicas de un área geográfica determinada. Se utilizan modelos digitales de
elevación (DEM) para representar la elevación del terreno y se aplican
algoritmos para realizar análisis espaciales, como la identificación de cuencas
hidrográficas, la planificación de rutas y la detección de cambios en el
paisaje.
D. Algoritmos por turnos
Administrar los
turnos en las partidas de juego puede ser algo complicado, estos algoritmos nos
ayudan a darle solución.
a. Ciclo de eventos por turnos: Este es un
enfoque de procesamiento donde las acciones o eventos se manejan en un orden
secuencial y predefinido. En este ciclo, cada entidad o componente del sistema
tiene un turno o momento designado para realizar su acción. Después de que
todas las entidades hayan completado sus acciones en un turno, el ciclo pasa al
siguiente turno y se repite el proceso.
b. Sistema de líneas de espera de eventos: Este
sistema gestiona eventos mediante una cola o línea de espera. Los eventos se
encolan en el orden en que ocurren y se procesan uno por uno de acuerdo con su
prioridad o tiempo de llegada.
c. Algoritmos de planificación: Los algoritmos de
planificación son métodos computacionales utilizados para generar secuencias de
acciones que permiten alcanzar un objetivo específico en un entorno dado.
d. Simulación de eventos discretos: es un
tipo de modelo de simulación donde el tiempo avanza en incrementos discretos y
los eventos ocurren en momentos específicos. Cada evento cambia el estado del
sistema y puede desencadenar eventos futuros.
e. Sistema de estados y transiciones: es un
modelo que describe el comportamiento de un sistema como una serie de estados y
las transiciones entre ellos. Cada estado representa una condición o situación
en el sistema, y las transiciones representan los cambios de un estado a otro
en respuesta a eventos o condiciones específicas.
E. Toma de decisiones
a. Arboles de decisión: Ver la definición en
la sección B inciso a.
b. Algoritmos genéticos: Ver la definición en
la sección B inciso b.
c. Redes Neuronales: Ver la definición en la
sección B inciso c.
d. Redes Bayesianas: Ver la definición en la
sección B inciso e.
e. Lógica difusa: técnica de procesamiento de
información que permite manejar la incertidumbre y la imprecisión en los datos.
A diferencia de la lógica booleana tradicional, que solo admite valores de
verdad binarios (verdadero o falso), la lógica difusa permite que una variable
tenga un grado de pertenencia a un conjunto difuso. Es decir, podemos decir que
es “más fácil” o ”medio dificil” y esto se representa con un número entre 0 y 1
que indica que tan fuertemente pertenece al conjunto fácil o difícil.
Los problemas aquí expresados no deben tomarse como un estudio exhaustivo
de los problemas relacionados con la IA en la industria de los videojuegos.
Deben ser entendidos como los problemas básicos para iniciarse en este
fascinante mundo.
VIII.Conclusiones
Este artículo
ofrece una visión general de varios algoritmos, técnicas y métodos clave en el
campo de la Inteligencia Artificial. Desde su surgimiento en los últimos años
de la Segunda Guerra Mundial, la IA ha evolucionado constantemente, presentando
desafíos continuos en la actualidad. Para aquellos que se inician en este
campo, la diversidad de algoritmos y disciplinas puede resultar abrumadora.
Sin embargo,
comprender que la Inteligencia Artificial es una herramienta poderosa para
abordar problemas complejos es fundamental en nuestra era tecnológica. Este
artículo busca proporcionar un punto de partida para aquellos interesados en
explorar más a fondo estos métodos, especialmente en el contexto de los
videojuegos. A medida que la industria continúa avanzando, el conocimiento y la
aplicación de estos algoritmos son esenciales para impulsar la innovación y el
progreso en el desarrollo de los videojuegos.
IX.Acknowledgment
Nos gustaría
agradecer a la REDINDVJ por la oportunidad de esta
publicación, así como al
IIDIV y al Tec de Monterrey por el apoyo y recursos para la investigación.
X.References
[1] S. J. 1. N. P. &. D. E. Russell, Artificial Intelligence: A Modern Approach, Prentice Hall, 2010
[2] "https://www.gartner.es/es/temas/inteligencia-artificial#:~:text=En%20Gartner%20definimos%20la%20inteligencia,y%20llevar%20a%20cabo%20acciones.," Gartner, 2023. [Online]. [Accessed 2024].
[3] F. D. Laramée, Genetic Algorithms: Evolving the Perfect Troll, vol. AI Game Programming Wisdom, S. Rabin, Ed., Hingham, Massachusetts: Charles River Media, 2002, pp. 629-639.
[4] S. Rabin, AI Game Programming Wisdom (Game Development Series), 2002.
[5] L. Secret Society Software, "CLIPS, A Tool for Building Expert Systems," 2023. [Online]. Available: https://www.clipsrules.net/. [Accessed 2024].
[6] C. Raynolds, "Flocks, Herds, and Schools:," 1984. [Online]. Available: https://www.cs.toronto.edu/~dt/siggraph97-course/cwr87/. [Accessed 2024].
[7] M. Minsky, "Artificial Intelligence," Cambridge, MA: MIT Press, 1968.