わからないまま使っている？UE4 の AI の基本的なこと

わからないまま使っている？
UE4 の AI の基本的なこと
らりほま
2018/02/25 Unreal Engine Meetup Nagoya #6 in 名古屋城

自己紹介
 らりほま (Twitter : @rarihoma)
 株式会社ヒストリアのエンジニア
 UE4 歴 3 年
 エンジニア歴 1 年
 Gray ちゃん 3D モデルデータ配布中
 http://rarihoma.xvs.jp/products/graychan

講演のテーマ『AI』
 注意
 やたらと地味で細かい内容です
 間違っている部分があればご指摘お願いします
 Unreal Engine 4.18.3 で検証しています
 今日話さないこと
 すごく賢い AI の作り方 (← むしろ自分が知りたい)
 Navigation
 Sensing
 EQS

UE4 の AI の資料
 公式ドキュメント
 ビヘイビアツリーのクイックスタートガイド | Unreal Engine
 https://docs.unrealengine.com/latest/JPN/Engine/AI/BehaviorTrees/QuickStart/ind
ex.html
 動画
 はじめてのAI～愛のあるAIを作ろう - YouTube
 https://www.youtube.com/watch?v=gT8uuc0DxWk&t=1225s
 スクウェア・エニックスにおける UNREAL ENGINE 4 を用いた人工知能技術の開発
事例 - YouTube
 https://www.youtube.com/watch?v=BV2GTGbSjq8
 書籍
 Unreal Engine 4 で極めるゲーム開発
 作れる！学べる！Unreal Engine 4 ゲーム開発入門

目次
 UE4 の AI の雑な解説
 UserBlackboard() と RunBehaviorTree() の動作
 Blackboard の Key の初期値
 Behavior Tree Task の通常版と AI 版の Event の違い

UE4 の AI の雑な解説
 BehaviorTree
 挙動を定義
 中断処理を
組みやすい

 Blackboard
 変数を定義
 変数のことを
Key と呼ぶ

 AIController で UseBlackboard() と RunBehaviorTree() を実行
→ AIController が所有 (Possess) している Pawn が
BehaviorTree に従って動作する

UseBlackboard() と
RunBehaviorTree() の動作

UseBlackboard() と
RunBehaviorTree() に関する疑問
 2 つの Node は具体的に何を行っているのか？
 2 つの Node の ReturnValue は何を返しているのか？

UseBlackboard() と
Blueprint で検証

検証 :
AIController の Component を見る
 UseBlackboard() は BlackboardComponent を返しているので、
RunBehaviorTree() も何らかの Component を付加しているのでは？
→ AIController に付加された Component を
各 Node の実行前・実行後で比較する

検証 :
 AIController に最初から付加されている Component

検証 :
 UseBlackboard() 実行後
 BlackboardComponent が付加される

検証 :
 UseBlackboard() → RunBehaviorTree() 実行後
 BTComponent が付加される

検証 :
 UseBlackboard() は実行せずに
RunBehaviorTree() だけ実行後
 ！？！？！？
 BTComponent だけでなく
BlackboardComponent も付加される

UseBlackboard() と
エンジンソースを読む

UseBlackboard() のソースを読む
 (/Runtime/AIModule/Private/AIController.cpp line:995)

UseBlackboard() のソースを読む
 ソースからわかること
 UBlackboardComponent がなければ AAIController に追加する
 UBlackboardComponent が既にある場合は、
追加せずに既存のものを初期化する
 UseBlackboard() を何度も呼び出しても
UBlackboardComponent は 1 つだけしか付加されない
 UBlackboardData (Blackboard の Asset) が異なる場合、
新しく指定された方で初期化される
 引数 BlackboardAsset が nullptr のときのみ false を返す
 return される変数 bSuccess が
初期値 true から変更される機会が実は存在しない

RunBehaviorTree() のソースを読む
 (/Runtime/AIModule/Private/AIController.cpp line:889)

 UBehaviorTreeComponent がなければ AAIController に追加する
 RunBehaviorTree() を何度も呼び出しても
UBehaviorTreeComponent は 1 つだけしか付加されない

 引数 BTAsset に Blackboard Asset が指定されていて、
かつ UBlacokboardComponent が存在しないか
存在していても互換性がない場合、
UseBlackboard() が実行される
 UseBlackboard() Node を実行しなくても
UBlackboardComponent が追加されていたのはこのため
 既存の Blackboard の Asset が
BTAsset が指定する Blackboard Asset の親である場合、
または両者の Key がすべて同一であれば、
互換性があると見なされる
 要するに、これから実行する BehaviorTree 内で使われる可能性のある Key が
既に存在する UBlackboardComponent 内に無いのは困るので、
その場合は UBlackboardComponent を作り直してしまえ、ということ

 引数 BTAsset が NULL のときのみ false を返す
 bSuccess = UseBlackboard(～); という行は
UseBlackboard() が常に true を返す状況でしか呼ばれないため、
return される変数 bSuccess は初期値 true から変更されない

実例 1
 UseBlackboard() は
呼び出さずに
RunBehaviorTree() だけ
呼び出した場合
 BehaviorTree に
BlackboardAsset が
設定されているので、
内部で UseBlackboard() が走って
UBlackboardComponent が
生成され、問題なく動作する

実例 2
 UseBlackboard() は
呼び出さずに
RunBehaviorTree() だけ
呼び出した場合
 BehaviorTree に
BlackboardAsset が
設定されていないので、
内部で UseBlackboard() が走らず
UBlackboardComponent が
生成されないので、
アクセス違反を起こす可能性がある

実例 3
 RunBehaviorTree() で実行される BehaviorTree と
UseBlackboard() で既に生成された Blackboard とで
Blackboard Asset の互換性がない場合
 UBlackboardComponent が初期化され、データが消し飛ぶ
互換性なし

実例 4
 RunBehaviorTree() で実行される BehaviorTree と
UseBlackboard() で既に生成された Blackboard とで
Blackboard Asset の互換性がある場合
 UBlackboardComponent のデータは維持される
 さらに、子の Blackboard にしか存在しない Key も使える
互換性あり
(子 - 親の関係)

実例 5
 上と下の Node 群はほぼ同義

まとめ
 2 つの Node は具体的に何を行っているのか？
 UseBlackboard() は UBlackboardComponent を、
RunBehaviorTree() は UBehaviorTreeComponent を生成する
 RunBehaviorTree() は UBlackboardComponent が存在しない場合には
UseBlackboard() を呼び出すので、
UseBlackboard() を明示的に呼び出す必要はない
 ただし BehaviorTree に Blackboard Asset が設定されている必要がある
 BehaviorTree に設定されている Blackboard Asset の子を使いたい場合や
RunBehaviorTree() の呼び出し前に Key の Set を行いたい場合は、
UseBlackboard() を明示的に呼び出す必要がある
 両方共、何回呼び出しても対応する Component は 1 つしか生成されない
 複数回呼び出しても、無視されるか、既存のものが新しい設定で初期化される

まとめ
 2 つの Node の ReturnValue は何を返しているのか？
 引数が None であるときに false を返している
 IsValid() で事前に判定している場合、利用する必要はない

Blackboard の Key の初期値

Key の初期値に関する疑問
 Blueprint の変数には、初期値を設定することができる
 一方、Blackboard の Key には、初期値を設定するところがない
 Blackboard の Key の初期値はどうなっている？

Blueprint で検証

初期値の検証 1
 Blackboard で扱うことができるすべての Type の Key を作成し、
Editor での Play 中に値を確認してみる
 Enum : UNKNOWN! とは？
 String : n/a とは？
 Rotator / Vector : (invalid) とは？

 Key を GetBlackboardValueAs○○() で取得して PrintString() してみる

 Key を GetBlackboardValueAs○○() で取得して PrintString() してみる
 Enum : (Byte の) 0
 String : 空の文字列
 Rotator / Vector : ！？！？！？

初期値の検証
 ひとまず初期値はわかった
 が、Rotator / Vector は
何故こんな値なのか？
 意図的な設定なのか
 たまたまメモリに
残っていた値を
解釈したらこうなったのか

Key の Type 毎の処理定義
 Blackboard の Key に対する処理は、
UBlackboardKeyType を継承した
UBlackboardKeyType_○○ で規定されている
 (/Runtime/AIModule/Classes/BehaviorTree/Blackboard/BlackboardKeyType.h)
 GetValue() : 値の取得
 SetValue() : 値の設定
 InitializeMemory() : 値の初期化
 例 :
Bool Key の値を取得するときの処理内容は
UBlackboardKeyType_Bool::GetValue()

Vector Key の初期化処理
 Vector Key の値を初期化するときの処理内容は
UBlackboardKeyType_Vector::InitializeMemory()
 FAISystem::InvalidLocation を Set している
 (/Runtime/AIModule/Private/BehaviorTree/Blackboard/BlackboardKeyType_Vector.cpp line:56)

Vector Key の初期化処理
 FAISystem::InvalidLocation は {x, y, z} が float の最大値を取る値
 (/Runtime/AIModule/Classes/AITypes.h line:24)
 float の最大値は 2 の 128 乗 ≒ 3.402823466e+38
→ 謎の巨大な値の正体
 つまり、謎の巨大な値は意図的に設定されたものである

Vector Key の初期値の取り扱い
ということは…
 初期値をそのまま計算に使わないように注意する必要がある
 例えば、FVector::Normalize() を実行すると
途中計算で x * x した時点で不定値 (–nan(ind)) が生じる

 Vector Key が初期値かどうか判定する方法は？
→ IsVectorValueSet() を使う
 (/Runtime/AIModule/Private/BehaviorTree/BlackboardComponent.cpp line:671)
 名前が Key Name である Vector Key が
謎の巨大な値であれば false を返す実装になっている
 初期値を計算に利用してしまうのを避けるために使える
 IsRotatorValueSet() など、他の Type 版は存在しない

 Vector Key を初期値に戻す方法は？
→ ClearValue() を使う
 (/Runtime/AIModule/Private/BehaviorTree/BlackboardComponent.cpp line:689)
 Vector 以外の Type の Key に対しても使える
 UBlackboardKeyType_○○::Clear() を間接的に呼び出して
Key に特定の値を Set する実装になっている
 Key にどのような値が Set されるかは実装次第だが、
標準で用意されている Type においては
初期値が Set される実装になっているため、
初期値に戻す関数として考えて差し支えない

 謎の巨大な値を『無効な値』として扱うと便利なことがある
 例: 目標地点が設定されていればそこへ移動する Behavior Tree Task

まとめ
 Key の初期値は規定されている
 不定値ではない
 Blueprint の変数の初期値と一致するとは限らない
 Rotator / Vector Key は初期値として『無効な値』扱いの
巨大な値が設定されるので、
そのまま計算に使わないように注意
 IsVectorValueSet() で初期値でないことを確認してから使うなどする
 Vector Key においては
初期値を『無効な値』として活用することもできる

余談 1 : Blackboard の Key の
データはどこにある？
 UBlackboardComponent のメンバである
TArray<uint8> ValueMemory に格納される
 色々な Type の変数が一緒くたに格納される
 UBlackboardComponent::GetValue() の実装などを参照
 (/Runtime/AIModule/Classes/BehaviorTree/BlackboardComponent.h line:355)
 Blackboard Key を TArray 化できないのは
このような実装になっているためだと思われる
 BlackboardKeyType_○○ はあくまで
Key の取り扱いを規定するもので、
この Class の Instance がデータを持つわけではない

余談 2 : 存在しない名前の Key を
Get しようとすると何が返る？
 UBlackboardKeyType_○○::InvalidValue として
定義されたものが返る
 Key の初期値と InvalidValue は
同一のものが設定されている模様
 よって、存在しない Key の名前を与えて
GetValueAsVector() を呼び出すと謎の巨大な値が返る
 ただし、初期値と InvalidValue を別の値にすることは
実装上可能なので、常に等しいとは限らない点に注意

Behavior Tree Task の
通常版と AI 版の Event の違い

通常版と AI 版の Event？
 Behavior Tree Task の Overridable な Event のこと
 例 : Receive Tick 系の場合
 ReceiveTick() : 通常版
 ReceiveTickAI() : AI 版

通常版と AI 版の比較
 どっちを使えばいいの？
 AI を作るんだから AI 版？
 でも Behavior Tree って AI を作るためのものなのでは？
 通常版は何のために存在するのか？
 両方実装したらどちらが呼び出される？両方？
 通常版の Owner Actor は何を指すの？

Blueprint で検証

検証 1 : どちらが呼び出されるか
 AIController で RunBehaviorTree() を行い
以下のような Behavior Tree Task を実行する
 片方を実装しなかったり両方実装したりして、
どのように実行されるかを見る

 AI 版だけ実装 → AI 版が実行される
 通常版だけ実装 → 通常版が実行される

 両方実装 → AI 版だけが実行される

 AI 版は置くだけで何のノードも繋がない → ？？？
(虚無)

 AI 版は置くだけで何の Node も繋がない → AI 版が呼び出される

 わかったこと
 通常版と AI 版はどちらか片方だけが実行される
 両方実装されている場合、AI 版の実行が優先される
 Event に Node を繋いでいなくても実装されている扱いになる

検証 2 :
通常版の Owner Actor は何を指す？
 GetDisplayName() を使って名前を取得し PrintString()
→ AIController でした

通常版と AI 版の呼び分け部分を読む
 例として ReceiveTick 系の呼び分けを見ていく
 UBTTask_BlueprintBase::TickTask() で
通常版と AI 版の呼び分けを行っている
 (/Runtime/AIModule/Private/BehaviorTree/Tasks/BTTask_BlueprintBase.cpp line:98)

 以下の 2 つの式が両方 true だと AI 版が呼ばれる
 AIOwner != nullptr
 (ReceiveTickImplementations &
FBTNodeBPImplementationHelper::AISpecific)

 AIOwner != nullptr について
 AIController* AIOwner は
UBTTask_BlueprintBase::SetOwner() にて変更の機会がある
 AActor* ActorOwner には引数 InActorOwner がそのまま入る
 AIOwner は InActorOwner を Cast() した結果が入るので、
InActorOwner が AIController* でない場合は nullptr となる

 AIOwner != nullptr について
 UBTTask_BlueprintBase::SetOwner() は
UBTNode::InitializeInSubtree() にて呼び出しの機会がある
 (/Runtime/AIModule/Private/BehaviorTree/BTNode.cpp line:68)
 UBehaviorTreeComponent の Owner が引数として渡される
 つまり、UBehaviorTreeComponent を持つ Actor が
AAIController であるとき、式は true となる

ReceiveTick 系の挙動を追う
FBTNodeBPImplementationHelper::AISpecific) について
 uint32 ReceiveTickImplementations には
FBTNodeBPImplementationHelper::CheckEventImplementationVersion()
の返却値が入る
 CheckEventImplementationVersion() は
2 つの指定した名前の Blueprint Function が実装されているかどうかを調べて
bit フラグ形式で結果を返す

FBTNodeBPImplementationHelper::AISpecific) について
 uint32 ReceiveTickImplementations には
FBTNodeBPImplementationHelper::CheckEventImplementationVersion()
の返却値が入る
 今回の場合、具体的には以下の値が返る
 0 (2 進数 00) : 通常版も AI 版も実装されていない
 1 (2 進数 01) : 通常版 (ReceiveTick) だけ実装されている
 2 (2 進数 10) : AI 版 (ReceiveTickAI) だけ実装されている
 3 (2 進数 11) : 両方実装されている
 つまり、(通常版の実装の有無に依らず)
AI 版が実装されていれば、式は true となる

 条件式まとめ
 UBehaviorTreeComponent を持つ Actor が AAIController で、
かつ AI 版が実装されていれば、AI 版が呼び出される
 ReceiveTick 系を例に見てきたが、ReceiveExecute 系など他も同じ

新たな疑問
 UBehaviorTreeComponent を持つ Actor が
AAIController ではない状況なんてあるの？
 AAIController 以外の Actor に
UBehaviorTreeComponent を付けても動作するの？

AAIController 以外に
UBehaviorTreeComponent を付ける
 Blueprint では UBehaviorTreeComponent を生成・追加する
Node が見当たらなかったので、C++ でやってみた

 Pawn 継承 Class に UBehaviorTreeComponent を追加できた

 UBehaviorTreeComponent の Owner の名前と、
通常版と AI 版のどちらを呼んでいるかを表示する
Behavior Tree Task を作成

 UBehaviorTreeComponent を
無理矢理 Pawn に付けたものと
普通に RunBehaviorTree() で付けたものの
出力を比較する
 無理矢理 Pawn に付けた方は、
AI 版が実装されているにもかかわらず
通常版の方が呼び出されていることがわかる

まとめ
 通常版と AI 版、どっちを使えばいいの？
 ほとんどの場合、AI 版オンリーでよい
 AI 版の方が引数が具体的で便利
 通常版だとわざわざ Cast() する手間がかかる場合が多い
 一番避けるべきなのは、両方ごちゃ混ぜで使うこと

まとめ
 通常版の Owner Actor は何を指すの？
 Behavior Tree Task を動作させている
UBehaviorTreeComponent の Owner である Actor
 UBehaviorTreeComponent を
AAIController 以外の Actor に付けて動作させることは可能
 中断処理を組みやすい BehaviorTree の構造を
上手く活用できるケースがあるかも
 ただし AIMoveTo() のような経路探索系処理は
Pawn を所有する AIController の存在を前提としているため
使用は難しい

本当に言いたかったこと

検証をしよう！
 各項目の流れは以下のような感じでした
 疑問を持つ
 Blueprint で簡単に検証してみる
 新規プロジェクトを作成し、なるべく小さく作って検証する
 エンジンソースを読んで動作を理解する
 気合い

 わからないものをわからないまま使い続けていると…

 いつか困るかもしれません
 『わからないことをわからないままにできない』ということが、
UE4 を趣味から仕事にしたときに一番大きく変化した部分でした
 UE4 はわからなくても「なんとなく」でできてしまう面があります
 検証して、理解を深めて、情報を共有していきましょう！

 ※ 趣味で小規模にやる分にはそこまで考えなくていいです
 参考 : 何もかもわかっていない状態で作った 3 年前のぷちコン作品

ご清聴ありがとうございました！

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