Глава 1. Методика разработки искусственного интеллекта в карточных играх на примере игры в 21 очко

1.1. Общие сведения

Разработаем методологию программирования искусственного интеллекта в карточных играх на примере типичной и широко распространённой игры в “очко” или в “21”, следуя статье с сайта microsoft.com: Rob Miles. Pocket Jack: Writing a Card-Playing Application, но с нашими усовершенствованиями для современной версии Visual Studio.

Карточные игры широко распространены во всем мире, по многим из них официально проводятся спортивные соревнования различных уровней, вплоть до первенства мира. В США, России и других странах некоторые карточные игры также официально признаны как спортивные игры, и по ним также проводятся спортивные соревнования различных уровней, включая первенство мира.

Поэтому имеет смысл разработать ряд классов, методы которых обеспечивали бы управление широким диапазоном карточных игр. Эта глава описывает механизм сдачи карт (из колоды) случайным образом (на основе генератора случайных чисел), показ их на экране, показ их в "руках" для каждого игрока и управления карточной игрой. Мы разработаем полностью функциональную игру, которая в США и других странах называется как “Black Jack”, “21” или pontoon при использовании 52-х карт, а в России и других странах обычно называется как “очко” или “21” при использовании 36-ти карт. В разработанной далее в данной главе игре нетрудно будет вместо 52-х карт добавить в проект 36 карт (в случае необходимости).

Напомним смысл игры. В игре участвуют, как минимум, два игрока: игрок и банкомёт в виде компьютера, сдающего карты. Из колоды карт банкомёт (по-английски называется dealer – дилер) сдаёт по одной карте игроку, который должен набрать количество очков, как можно ближе к 21 или равное 21 (21 – это лучший вариант – очко), но не более 21. Если игрок набрал больше 21, то это обычно называется “перебор”, и игрок считается проигравшим. Если же игрок набрал меньше 21, то он предлагает банкомёту набирать карты себе. Если банкомёт наберёт очков меньше, чем игрок, банкомёт считается проигравшим, а если больше, то победившим. При равном количестве очков в данной игре принимается, что победил тот, кто первым набрал эти очки, а именно, игрок (но можно счёт оставить прежним). Правила игры сформулируем далее.

1.2. Рисование карт на экране

Первая проблема, которую нужно решить, – показ на экране карт, которые два соревнующихся игрока, например, компьютер и игрок, держат в “руках”. Чтобы это сделать, нам нужно: 52 изображения карт в виде файлов формата, например, (.gif), одно изображение фона игры 0.gif, одно изображения банка bank.jpg и одно изображение загрузки loading.gif. Напомним, что формат (.gif) расшифровывается как Graphics Interchange Format (Формат обмена графическими данными). Все изображения в уменьшенном масштабе показаны на рис. 1.1, а в увеличенном масштабе – на рис. 1.2 – 1.5. Видно, что файлы карт имеют имена 1, 2, 3,…,52 и содержат каждую последовательность из 13 карт в четырёх мастях (последовательно сверху вниз: трефы – club, бубны – diamond, черви – heart, пики – spade). Файл с именем “0” – фон игры. Эти изображения должны быть добавлены к проекту и использованы для вывода карт на экран. Каждое изображение карты имеет приблизительно только 1 Кбайт объёма, потому что содержит только четыре цвета, чтобы не использовать много памяти.

Рис. 1.1. Карты и другие рисунки игры в уменьшенном масштабе.

Рис. 1.2. Первые семь карт в увеличенном масштабе.

Рис. 1.3. Последующие шестнадцать карт в увеличенном масштабе.

На этом рисунке закончились 13 карт 1, 2, 3, …,13 первой масти трефы – club. Первая карта любой масти – Туз (Ace – A).

Рис. 1.4. Последующие шестнадцать карт в увеличенном масштабе.

На этом рисунке закончились 13 карт 14, 15, 16, …, 26 второй масти бубны – diamond и 13 карт 27, 28, 29, …, 39 третьей масти черви – heart. И здесь первая карта масти – Туз (Ace – A).

Ниже показаны 13 карт 40, 41, 42, …, 52 последней четвертой масти пики – spade.

Рис. 1.5. Последние тринадцать карт в увеличенном масштабе.

Значения очков каждой карты следующие: Туз (Ace – A) = 1 или 11; как 1-я, 2-я или 3-я карта – Туз даёт 11 очков; с Валетом, Дамой и Королём, Туз даёт 11 очков и в сумме 10+11=21 эти две карты называются PocketJack, который бьёт карты соперника, даже набравшие 21; как 4-я и последующая карта – Туз даёт 1 очко; цифры на картах от 2 до 9 означают очки этой карты;

карта с числом 10 card with number 10, Валет (Jack – J), Дама (Queen – Q), Король (King – K) = по 10 очков.

1.3. Загрузка в проект изображений карт

Чтобы добавить имеющиеся у нас файлы карт в проект, необходимо сначала добавить в проект папку для этих файлов, затем скопировать в эту папку файлы, а затем свойства этих файлов задать как Embedded Resource, как подробно будет описано далее при создании проекта игры.

Лучший способ загрузить файлы карт в программу при её выполнении – создать массив этих карт в классе Image или Bitmap. После этого изображения могут тогда быть нарисованы на поле игры playfield, когда потребуется. Чтобы загрузить изображения карт в массив, возможны два варианта кода. По первому варианту, код имеет следующий вид:

static private Image[] cardImages = new Bitmap[53];

System.Reflection.Assembly execAssem =

System.Reflection.Assembly.GetExecutingAssembly();

for (int i=0 ; i< 53 ; i++ )

{

cardImages[i] =

new Bitmap(execAssem.GetManifestResourceStream (

@"PocketJack.cardImages."+i+@".gif"));

}

Видно, что в этом варианте проект имеет имя PocketJack, папка с файлами карт имеет имя cardImages, а в массиве cardImages все файлы карт с именами “i” должны иметь расширение (.gif).

По второму варианту, который мы применим далее в программе, код имеет следующий вид:

public Image CardImage

{

get

{

int dispNo = CardNo;

if (!FaceUp)

{

dispNo = 0;

}

if (cardImages[dispNo] == null)

{

cardImages[dispNo] = new Bitmap(

execAssem.GetManifestResourceStream(

@"PocketJack.images." + dispNo + @".gif"));

}

return cardImages[dispNo];

}

Видно, что в этом варианте проект имеет имя PocketJack, папка с файлами карт имеет имя images, а в массиве cardImages все файлы карт с именами “dispNo” должны иметь расширение (.gif).

1.4. Рисование изображений карт

Следующий шаг в разработке игры – процесс рисования карт. Изображение каждой карты должно иметь скруглённые углы. Когда карты прорисовываются на фоне игры, карты со скруглёнными углами выглядят более реалистично. Это – маленькая деталь, но существенная, если мы хотим спроектировать хороший пользовательский интерфейс игры. А если мы пристально посмотрим на изображения карт на экране, то можно увидеть, что углы карт нарисованы зелёным цветом, как показано на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Углы карт нарисованы зелёным цветом.

При рисовании карт мы должны назначить этот цвет как прозрачный, чтобы был виден фон формы Form1 вокруг углов каждой карты. Мы должны использовать следующий код, чтобы создать объект класса ImageAttributes с целью задания зелёного цвета прозрачным:

static public System.Drawing.Imaging.ImageAttributes

cardAttributes;

static Card()

{

cardAttributes =

new System.Drawing.Imaging.ImageAttributes();

cardAttributes.SetColorKey(Color.Green, Color.Green);

execAssem =

System.Reflection.Assembly.GetExecutingAssembly();

}

В этом коде метод SetColorKey даёт начало и конец диапазона цветов, которые будут расценены как прозрачный. Для среды выполнения .NET Compact Framework эти два цвета должны иметь одно и то же значение, так как только один цвет может быть сделан прозрачным.

Целесообразно также после создания проекта в программе задать фон формы Form1 в свойстве BackColor темно-зелёного цвета (DarkGreen) из структуры Color.

Когда изображение карты нарисовало, метод DrawImage используется следующим образом:

private static Rectangle drawRect;

public void DrawHand(Graphics g, int startx, int starty,

int gapx, int gapy)

{

drawRect.X = startx;

drawRect.Y = starty;

foreach (Card card in this)

{

drawRect.Width = card.CardImage.Width;

drawRect.Height = card.CardImage.Height;

g.DrawImage(

card.CardImage, // Image

drawRect, // destination rectange

0, // srcX

0, // srcY

card.CardImage.Width, // srcWidth

card.CardImage.Height, // srcHeight

GraphicsUnit.Pixel, // srcUnit

Card.cardAttributes); // ImageAttributes

drawRect.X += gapx;

drawRect.Y += gapy;

}

Этот код рисует все карты на экране в случайно определённой позиции (при помощи генератора случайных чисел класса Random).

1.5. Класс Card для загрузки

карт в программу

В движке игры CardEngine.cs объект класса Card представляет каждую из карт в игре. Этот класс держит фактическое значение карты и рисует её на экране. Он также обеспечивает свойства, которые дают возможность пользователям класса найти координаты карты, получить название карты и другую полезную информацию. Класс Card может использоваться во многих других карточных играх, но есть некоторые особенности, которые характерны для игры в очко.

Первая версия класса Card выполняла загрузку всех изображений, когда приложение начинало выполняться. Каждая из 52 карт и фон игры загружались в самом начале игры. Это делало приложение замедленным. Способ ускорить процесс загрузки состоит в том, чтобы загружать изображения только по запросу при использовании следующего кода:

static private Image[] cardImages = new Bitmap[53];

public Image CardImage

{

get

{

int dispNo = CardNo;

if (!FaceUp)

{

dispNo = 0;

}

if (cardImages[dispNo] == null)

{

cardImages[dispNo] = new Bitmap(

execAssem.GetManifestResourceStream(

@"PocketJack.images." + dispNo + @".gif"));

}

return cardImages[dispNo];

}

Переменная cardImages – массив изображений карт. Первоначально все изображения карт в этом массиве пусты. В этом коде переменная dispNo является индексом массива и именем файла карты. Если данный элемент массива – пустой указатель (null), изображение загружается и затем может быть нарисовано. В следующий раз, когда потребуется изображение данной карты, оно будет найдено немедленно. В результате приложение начинает выполняться намного быстрее, чем если бы все карты были загружены в начале игры; время, потраченное, чтобы загрузить только небольшое количество карт, необходимых для игроков, будет небольшим. Если наши приложения нуждаются в большем количестве изображений карт, то это стоит выполнять постепенно по мере загрузки приложения, вместо того, чтобы выполнить это все сразу же в начале игры.

1.6. Класс CardHand для представления

карт в руках игрока

В движке игры CardEngine.cs мы нуждаемся в контейнерном классе CardHand (Рука игрока или банкомёта с картами), чтобы держать все карты. Законченная игра будет требовать двух объектов этого контейнера: один – для управляемого компьютером дилера и другой – для игрока. Класс CardHand, который мы собираемся использовать, держит множество карт. Это основано на коллекции ArrayList, которая облегчит для пользователей класса CardHand возможность добавлять и перечислять карты в руке. Эта коллекция также содержит метод, который будет рисовать карты в руке, как показано в следующем коде:

public void DrawHand(Graphics g, int startx, int starty,

int gapx, int gapy)

Этот метод, приведённый выше, рисует карты, начиная с определённой позиции на экране. Каждая последующая карта рисуется на определённом расстоянии от предыдущей.

Класс CardHand также содержит следующий метод, который вычисляет счёт набранным картам второго игрока blackjack (компьютера):

public int BlackJackScoreHand()

{

int score = 0;

int aces = 0;

foreach (Card card in this)

{

score += card.BlackJackScore;

if (card.BlackJackScore == 11)

{

aces++;

}

while ((score > 21) && (aces > 0))

{

score -= 10;

aces–;

}

return score;

}

Метод работает для каждой карты в руке. Он следит за числом тузов (aces), и если пришел туз, то уменьшает счёт карт с учётом туза, чтобы гарантировать, что счёт – как можно ближе к 21, насколько это возможно без перебора.

1.7. Класс CardShoe для представления

карт в колоде случайным образом и тестирования игры

Заключительный класс, который управляет картами в движке игры CardEngine.cs, – класс CardShoe. Мы используем этот класс, чтобы обеспечить вывод карт случайным образом (при помощи генератора случайных чисел – г.с.ч.). Игорное казино данного приложения имеет специальное устройство, названное shoe (колода) или deck (колода), которое содержит карты. В начале игры карты перетасованы (shuffle) много раз и помещены в колоду. В процессе многократной перетасовки приложение использует г.с.ч. для размещения карт в виде элементов массива. Класс CardShoe содержит этот массив и заполняет его в начале игры. Все карты вводятся в массив от первой до последней, а затем массив перетасовывается снова, и так несколько раз.

Когда мы проектируем любую систему, мы должны также думать, как мы собираемся её проверять (тестировать). Было бы трудным для нас проверить игру, если бы мы должны были запустить игру 50 раз только для того, чтобы удостовериться, что игра работает правильно, когда игрок получает счёт карт, равный 21. Поэтому класс CardShoe снабжён дополнительной особенностью. В дополнение к конструктору этого класса, который позволяет разработчику использовать класс, чтобы выбрать число перетасовок в колоде, имеется ещё перегрузка конструктора, который принимает массив числовых значений типа byte и представляет "расположенную в стеке" колоду. Такая колода не перетасована, и вместо этого располагает карты в специфической заранее предопределённой последовательности. Расположенная в стеке колода даёт возможность разработчику проверить поведение карт в различных ситуациях игры, предоставляя приложению специфическую последовательность значений карт.

Чтобы гарантировать, что расположенная в стеке колода карт не может использоваться в низменных целях (для подтасовок в игре), флажок сообщает пользователю объекта класса CardShoe, действительно ли в данный момент используется расположенная в стеке колода карт. Разработчик, который использует объект этого класса, может проверить этот флажок и гарантировать, что игра не использует расположенную заранее определённым образом в стеке колоду карт.

Проверяя приложение, мы можем создавать сравнительно редкие сочетания карт, типа blackjacks, просто обеспечивая расположенную в стеке колоду, как показано в следующем коде:

public CardShoe(byte[] stackedDeck)

{

decks = stackedDeck;

testShoe = true;

}

Расположенная в стеке колода даст в игре Блэк Джека обоим игрокам. Последовательность карты 1 представляет первую карту первой масти в колоде, которая является тузом. Поскольку каждая масть содержит 13 карт, 14-я карта представляет первую карту второй масти, которая является также тузом. В полной игре между игроком (player) и банкомётом (banker) наличие с начала колоды последовательностей карт 1 и 14 приводит и к игроку, и к банкомёту, первоначально начавшему игру, туза. Последовательности карт 11 и 25 представляют Джек (валета) от первых и вторых мастей соответственно, таким образом, каждый игрок получает Джек (валета) как их вторая карта. В игре и игрок (player), и банкомёт (banker) получают по тузу, комбинация Джека (валета) приходит к обоим игрокам, имеющим Блэк Джеки.

1.8. Схема запуска игры

Когда начинается игра, приложение очищает (Clear) “руку игрока” (player's hand) и добавляет две колоды карт следующим образом:

CardHand playerHand = new CardHand();

playerHand.Clear();

dealerHand.Clear();

// deal the face down hole card

dealerHoleCard = shoe.DealCard();

dealerHoleCard.FaceUp = false;

dealerHand.Add(dealerHoleCard);

// deal the first player card

playerHand.Add(shoe.DealCard());

// deal the second dealer card (face up)

dealerHand.Add(shoe.DealCard());

// deal the second player card

playerHand.Add(shoe.DealCard());

В этом коде, для простоты, не принимается во внимание чередование раздачи карт между игроком и банкомётом. Это будет учтено далее в полной программе игры.

Далее в проекте имеется команда “Hit Me” меню maneMenu1. После выбора этой команды, компьютер выдаёт игроку дополнительную карту, если набранное им количество очков меньше 21, как показано в следующем коде:

void playerHits()

{

if (playerHand.BlackJackScoreHand() < 21)

{

playerHand.Add(shoe.DealCard());

if (playerHand.BlackJackScoreHand() > 21)

{

//We write in the original:

pot.DoPlaceBet();

pot.HouseWins();

showPot();

mode = GameMode.PlayerBust;

}

this.Invalidate();

}

Отметим, что метод BlackJackScoreHand каждый раз возвращает счёт “руки игрока” (playerHand). После этого метод Invalidate перерисовывает форму Form1, точнее, перерисовывает карты и обновляет счёт обоих игроков. Аналогично в меню maneMenu1 имеется команда “Себе”, по которой банкомёт набирает карты себе (после игрока).

1.9. Рисование очков игроков

Методы Windows для рисования текстов хороши для простых сообщений, но для игры пользователь ожидает что-то более красивое. Например, мы можем рисовать текст на фоне какого-либо рисунка, чтобы выделить текст. Мы можем осуществить это, неоднократно рисуя текст в множестве позиций вокруг его желательного местоположения, перед размещением реального текста на самом верху фона. Чтобы сделать это, был написан ряд утилит, как показано в следующем коде:

static private SolidBrush messageBrush =

new SolidBrush(Color.Black);

public static void BigText(string message, int x, int y,

Color back, Color fore,

Font messageFont, Graphics g)

{

int i;

messageBrush.Color = back;

for (i = 1; i < 3; i++)

{

g.DrawString(message, messageFont, messageBrush,

x – i, y – i);