行为树 Behavior Tree 原理

行为树 Behavior Tree 原理

行为树 树形结构图如下一棵倒置的树

行为树采用节点描述行为逻辑，主要有：选择节点、顺序节点、并行节点、修饰节点、随机节点、条件节点、行为节点。一棵行为树表示一个AI逻辑。要执行这个 AI 逻辑，需要从根节点开始遍历整棵树，遍历执行的过程中，父节点根据自身的类型，确定需要如何执行、执行哪些子节点并继续执行，子节点执行完毕后，会将执行结果反馈给父节点。

从结构上节点可分为：组合节点、叶节点 (单节点)。组合节点就是拥有子节点的节点。叶节点 (单节点)就是没有子节点的节点。

组合节点：选择节点、顺序节点、并行节点、修饰节点、随机节点。
叶节点 ：条件节点、行为节点。

如下图一个行为树示例图：

行为树节点顺序如下，
节点1 为根节点， 节点2、节点5为中间节点，节点3、4、6、7，为子节点
节点 1、2、5为组合节点，节点3、4、6、7为单节点

节点执行结果
条件执行结果可分为三种：Fail、Success、Running。
Fail : 节点执行失败(如：条件节点判定为 false、执行节点失败、没有符合执行的节点等)
Success:节点执行成功(如：条件节点判定为 true、执行节点成功等)
Running:节点执行中(如：正在跑向目标、正在吃饭、动画播放中等)

行为树节点
叶节点

1. 条件节点
   条件节点(Condition)即是条件判定，例如：“是否饿了？”、“是否有饭？”、“是否有作业”等。
   如果条件测试结果为真，向父节点返回 Success，否则返回 Fail。
   条件节点一般作为叶节点。
2. 行为节点
   行为节点(Action)用来执行实际的工作，如：做饭、吃饭、打球、写作业等。行为节点有些可能一帧就可以执行完成，有些可能需要多帧才能完成。行为节点执行过程中失败，向父节点返回 Fail，执行完毕向父节点返回 Success，正在执行中时向父节点返回 Running。

组合节点
组合节点用来控制树的遍历方式，每种组合节点的遍历方式都不相同。
1.选择节点
选择节点(Select)，遍历方式为从左到右依次执行所有子节点，只要节点返回 Fail，就继续执行后续节点，直到一个节点返回Success或Running为止，停止执行后续节点。如果有一个节点返回Success或Running则向父节点返回Success或Running。否则向父节点返回 Fail。

注意：当子节点返回 Running时，除了停止实行后续节点、向父节点返回 Running 外，还要保存返回Running 的这个节点，下次迭代则直接从该节点开始执行。
如果选择节点有记录正在 Running的节点，则遍历时就要从上次记录的Running节点开始，而不是从最左边第一个节点开始执行。其他逻辑不变
选择节点伪代码如下：

    index = 1
    if != lastRunningNode null then
        index = lastRunningNode.index
    end

    lastRunningNode = null
    for i <- index to N do 
    
        Node node =  GetNode(i);

        result = node.execute()
        
        if result == fail then
           continue;
        end

        if result == success then
            return success
        end

        if result == running then
            lastRunningNode = node
            return running
        end

    end

return fail

2.顺序节点
顺序节点(Sequence),它从左向右依次执行所有节点，只要节点返回Success，就继续执行后续节点，当一个节点返回Fail或 Running 时，停止执行后续节点。向父节点返回 Fail 或 Running，只有当所有节点都返回 Success 时，才向父节点返回 Success。
与选择节点相似，当节点返回Running 时，顺序节点除了终止后续节点的执行，还要记录返回 Running的这个节点，下次迭代会直接从该节点开始执行。
顺序节点伪代码如下：

    index = 1
    if != lastRunningNode null then
        index = lastRunningNode.index
    end

    lastRunningNode = null
    for i <- index to N do 
    
        Node node =  GetNode(i);

        result = node.execute()
        
        if result == fail then
           return fail;
        end

        if result == running then
            lastRunningNode = node
            return running
        end

    end

    return success

3.随机选择节点
随机节点(Random)遍历优先级与选择节点、顺序节点不同。
选择节点、顺序节点都是默认优先级的，最左边的节点具有最高优先级，最右边的优先级最低。随机节点则是随机执行每个子节点。如从左到右顺序为：A、B、C、D。而执行时可能是D、A、C、B 或 C、B、D、A 等。
当一个节点返回 Success 或者 Running 时，则停止执行后续节点，向父节点返回 Success或Running。当返回 Running 时记录返回 Running 的节点，下次迭代时首先执行 Running 节点。比如做饭时，根据AI心情不同每天随机选择吃 宫保鸡丁、香菇肉片、还是鱼香肉丝。这样提高游戏结果的多样性。

随机节点伪代码：

    Random 一个随机数组

    index = 1
    if != lastRunningNode null then
        index = lastRunningNode.index

        将 index 添加到随机数组的第一位
    end

    lastRunningNode = null
    for i <- 1 to N do 
    
        Node node =  GetNode(i);

        result = node.execute()
        
        if result == fail then
           continue;
        end

        if result == success then
             return result
        end

        if result == running then
            lastRunningNode = node
            return running
        end

    end

    return fail

4.修饰节点
修饰节点(Decorator)修饰节点不能独立存在，其作用为对子节点进行修饰，以得到我们所希望的结果.
修饰节点有很多种，其中有一些是用于决定是否允许子节点运行的，也叫过滤器，例如 Until Success, Until Fail 等，首先确定需要的结果，循环执行子节点，直到节点返回的结果和需要的结果相同时向父节点返回需要的结果，否则返回 Running。
如需要结果为 Until Fail，则当子节点返回 Success或者 Running 时都向父节点返回 Running，当节点返回结果为 Fail 时，才向父节点返回 Fail。
反之需要的结果为 Until Success，则当子节点返回 Fail 或者 Running 时向父节点返回 Running，当节点返回 Success 时，才向父节点返回 Success。

修饰节点常用的几个类型如下：
Inverter 对子节点执行结果取反
Repeater 重复执行子节点 N 次
Return Failure 执行到此节点时返回失败
Return Success 执行到此节点时返回成功
Unitl Failure 直到失败，一直执行子节点
Until Success 直到成功，一直执行子节点

修饰节点 Until Success、Until Fail 伪代码：

     defaultResult = 期望结果

     do
     Node node = GetChild(0)
     result = node.Execute();
    
     if result != defaultResult then
         return running
     end

     return defaultResult
     end

5.并行节点
并行节点(Parallel)有 N 个节点，每次执行所有节点，直到一个节点返回 Fail 或者全部返回 Success为止，此时并行节点向父节点返回 Fail 或者 Success，并终止执行其他所有节点。否则至少有一个节点处于 Running 状态，则执行完所有节点向父节点返回 Running。与选择节点不同的是并行节点不需要记录返回 Running 结果的节点，每次执行都会从左向右依次执行所有子节点。
当外界环境发生变化时，影响到子节点的执行，如何处理？如，AI 正在炒菜，突然煤气不足，无法点燃，则AI 就不能继续炒菜这个动作了，将退出炒菜的所有节点。
并行节点对于外部环境发生变化，需要随时应对变化的AI 决策十分有效。如，AI 追逐玩家，使用并行节点就特别合适，需要并行的执行 “是否看到玩家？”，“朝玩家移动”。当某一帧无法看到玩家，则不能执行朝向玩家移动这个节点的行为。
并行节点伪代码：

    successCount = 0

    for i <- index to N do 
    
        Node node =  GetNode(i);

        result = node.execute()
        
        if result == fail then
           return fail;
        end

        if result == success then
            ++successCount
            continue
        end

        if result == running then
            continue
        end
    end

    if successCount >= childCount then
        return success
    end

    return running

到此 行为树 Behavior Tree 中七个常用节点介绍完毕