Справочник Жаркова по проектированию и программированию искусственного интеллекта. Том 1: Программирование на Visual C# искусственного интеллекта

Справочник Жаркова по проектированию и программированию искусственного интеллекта

Том 1: Программирование на Visual C# искусственного интеллекта

Валерий Алексеевич Жарков

© Валерий Алексеевич Жарков, 2022

ISBN 978-5-0056-6545-4 (т. 1)

ISBN 978-5-0056-6546-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Это первый и единственный в мире «Справочник Жаркова по проектированию и программированию искусственного интеллекта» из нескольких томов по методологии разработки искусственного интеллекта в двухмерных и трёхмерных играх и приложениях со звуковым сопровождением для настольных компьютеров, ноутбуков и планшетов на основе самого популярного, совершенного и перспективного языка программирования высокого уровня Visual C# самой мощной в мире в области программирования корпорации Microsoft (США).

Искусственный интеллект (ИИ) – это интеллектуальная компьютерная программа, способная разумно выполнять функции, задачи и действия, обычно характерные для разумных существ и свойственные человеческому интеллекту. ИИ в игре или приложении, например, в игре между Компьютером и Человеком, умеет не только проигрывать, но и выигрывать у хорошего Игрока-человека с визуализацией результатов выигрыша. Хорошо известно, что компьютер с ИИ обыгрывает в шахматы любого гроссмейстера. Компьютер с ИИ также легко обыгрывает многих хороших игроков в карты. Если программа в виде ИИ размещена, например, в роботе или другом устройстве, то после того, как ИИ решил заданную ему задачу, ИИ выдаёт команду на выполнение устройством определённого действия. При программировании ИИ важно правильно подобрать среду разработки ИИ и язык программирования.

Среда разработки (иначе, платформа, студия) Visual Studio (или коротко VS) для визуального объектно-ориентированного проектирования приложений дают уникальную возможность быстро разрабатывать высокотехнологичные и наукоёмкие программные продукты с использованием ИИ, а также компьютерные игры с двухмерной и трёхмерной графикой также с использованием ИИ. Важно отметить, что на основе VS мы программируем не закрытые «чёрные ящики», как это делают другие известные компьютерные фирмы, а мы создаём открытые любому пользователю (для постоянного дополнения и совершенствования) программы на базе самых мощных в мире алгоритмических языков высокого уровня Visual C#, Visual Basic и Visual C++. В данном чрезвычайно насыщенном томе (заменяющей несколько других книг) мы последовательно и всесторонне, идя от простого к сложному, излагаем методологию программирования ИИ в играх и приложениях с использований двухмерных и трёхмерных изображений.

Наша основная цель – дать читателю ту информацию, которую он больше нигде не найдёт. Поэтому мы не будем дублировать известные книги по языку программирования Visual C# и давать подробные объяснения по теории языка VC#. Если у читателя возникнуть вопросы, он легко отыщет книгу по данному языку (некоторые полезные по данной тематике книги с сайта ZharkovPress.com приведены в нашем списке литературы) и там найдёт ответ, так как терминология по всем тематикам у нас общая. Мы будем давать лишь краткие пояснения в виде комментариев в программах, чтобы начинающий пользователь постепенно осваивал базовые дисциплины программирования ИИ на языке VC#, по возможности не используя другие книги; опытному пользователю также будут полезны эти пояснения, поскольку книги по разработке ИИ на основе новых версий языка Visual C# в мире ещё не изданы. К достоинствам нашей книги, рассчитанной на широкий круг новичков и опытных специалистов, мы относим практическую направленность, простоту изложения (без описания сложных теорий, но давая ссылки на книги, в которых эти сложные теории можно изучить), наличие подробных методик и пошаговых инструкций, большое количество примеров и иллюстраций. Теперь читателям может не потребоваться изучать сложные теоретические книги, посещать длительные и дорогостоящие учебные курсы и покупать много отдельных книг. Автор это сделал за них. Читателю необходимо лишь открыть данную книгу в интересующем его разделе (мало кто будет изучать книгу от корки до корки, хотя это и желательно) и по аналогии с разделом (по принципу: делай, как я) самостоятельно программировать ИИ в практическом приложении или игре с использованием VS. И именно при проектировании ИИ в своём конкретном и профессионально интересном приложении или игре (а не отвлечённых примеров в других книгах) читатель будет изучать базовые дисциплины по данной тематике. Создавая ИИ в своём приложении или игре по методике данной и других наших книг из списка литературы (а также используя справку Help из Visual Studio, как правило, заменяющей все учебники по всем языкам), читатель сможет в одиночку работать за конструктора, технолога, математика и программиста одновременно (при разработке практических приложений) или за сценариста, режиссёра, оператора, дизайнера, художника, музыкального редактора и программиста одновременно (при разработке игр) и сэкономить недели упорного труда. Если в начальных главах инструкции по разработке ИИ в играх и приложениях на базе VS подробны (в интересах новичков), то инструкции в каждой последующей главе мы даём всё короче и короче, чтобы не повторяться и экономить место в книге.

Приводим краткое содержание данного тома справочника.

Многие приложения и игры в книге основаны на программах, или разработанных корпорацией Microsoft, или опубликованных на сайте корпорации Microsof. Поэтому эти программы являются очень мощными и могут быть использованы не только при разработке ИИ в самых разнообразных играх, но и на практике для разработки различных приложений. Структура книги продумана таким образом, чтобы читатели могли создавать на профессиональном уровне (по методологиям и программам из данной и предыдущих наших книг) свои приложения, игры и открытые графические и вычислительные системы с применением двухмерных и трёхмерных изображений и звуковых эффектов, могли вводить разнообразные исходные данные и на выходе приложения или игры получать те результаты, которые необходимы именно им и характерны для их профессиональных или непрофессиональных (игровых) интересов.

Книга предназначена для всех желающих быстро изучить основы программирования искусственного интеллекта в разнообразных двухмерных и трёхмерных компьютерных играх и приложениях на базе самого популярного, совершенного и перспективного (в мире программирования) языка высокого уровня Visual C# последних версий для настольных компьютеров и ноутбуков, на этих основах сразу же проектировать ИИ в сложных играх и приложениях и применять их на практике или на отдыхе в разнообразных сферах профессиональной и непрофессиональной деятельности. Также адресована начинающим и опытным пользователям, программистам любой квалификации, а также учащимся и слушателям курсов, студентам, аспирантам, учителям, преподавателям и научным работникам.

В следующем томе автор (доктор технических наук Жарков Валерий Алексеевич) продолжит описывать программирование ИИ в следующих играх и приложениях.

Вопросы, замечания и предложения по тематике книги можно направлять по email:

[e-mail]

или с сайта нашего «Издательства «Жарков Пресс»:

www.ZharkovPress.com.

На этом же сайте можно познакомиться с новыми компьютерными книгами «Издательства «Жарков Пресс» (город Москва).

Часть I. Краткие основы Visual C#

Глава 1. Основные определения книги

1.1. Классификация компьютерных игр

Компьютерная игра (computer game) – это взаимодействие человека с компьютером по определённым правилам с целью обучения, тренировки или развлечения.

Правила игры задет алгоритм, который реализуется при помощи игровой программы (game program), написанной на различных языках программирования для разнообразных компьютеров и мобильных устройств, работающих под управлением различных операционных систем.

Во время игры на экране воспроизводится игровая ситуация, один или несколько игроков анализируют её и реагируют при помощи устройств ввода, для – это кнопки джойстика и кнопки клавиатуры. Компьютерные игры, хорошо спроектированные, развивают профессиональные, познавательные и художественные способности человека.

Большое количество игр для настольных компьютеров и мобильных устройств можно классифицировать по различным признакам и типам в зависимости от преследуемых целей.

С классификацией по типу операционной системы мы определились – это Microsoft Windows.

С классификацией по типу языка программирования высокого уровня мы также определились – это Microsoft Visual C# из среды разработки Microsoft Visual Studio последних версий.

С классификацией по типу размерности изображения (двухмерные и трёхмерные) также ясно. В данной серии книг мы спрограммируем ИИ в играх и приложениях без использования технологии DirectX.

Далее, по сюжетам и целям, различают несколько типов игр.

Логические – игры, близкие по содержанию к обычным головоломкам (которые называются также пазлами, от английского слова puzzle – головоломка) и математическим упражнениям, а также компьютерные варианты различных настольных игр (шахматы, шашки, нарды и т.д.). В головоломке или математическом упражнении мотивация, основанная на азарте, сопряжена с желанием одного игрока решить задачу быстрее другого игрока. А в игре типа шахмат мотивация основана на желании обыграть компьютер, доказать своё превосходство над машиной.

Аркадные (arcade game) – игры с путешествиями и приключениями, сюжет которых, как правило, слабый линейный, игроку не нужно особо задумываться, а нужно только, управляя компьютерным персонажем или транспортным средством, быстро передвигаться, стрелять и уничтожать движущиеся объекты. При этом игрок набирает очки, зарабатывает дополнительные «жизни», переходит на следующий более высокий уровень данной игры. В аркаде игрок в большей степени ориентирован не на процесс игры, а на результат. К этому типу относятся также разного рода «бегалки», «стрелялки» (shooter) и экшны (action).

Игры на быстроту реакции. В этих играх игроку нужно проявлять ловкость и быстроту реакции при нажатии кнопок, уметь нажать кнопку на опережение с учётом перемещения объектов. Эти игры во многом похожи на аркады, но, в отличие от последних, обычно не имеют сюжета и сценария, абстрактны и не связаны с реальной действительностью. Но здесь также есть и азарт, и желание набрать больше очков, чем другой игрок.

Приключенческие или сюжетные (adventure game) – игры, в которых игрок действует по определённому сюжету и сценарию приключенческого, сказочного, фантастического или мистического содержания.

Стратегические или позиционные (extensive game) – игры, в которых игрок управляет армией, городом, страной и другими масштабными объектами.

Игры-имитации моделируют управление игроком автомобилем, вертолётом, самолётом, ракетой и другими подобными машинами.

Спортивные игры – компьютерные реализации разнообразных популярных спортивных игр (футбол, гольф и т.д.).

Традиционно азартные игры – это компьютерные варианты разнообразных карточных игр, игры в кости, рулетки, имитаторы игровых автоматов и других игр казино, существовавших задолго до изобретения компьютера.

Интерактивные (interactive game) – игры, имеющие чётко выраженную форму диалога игрока с компьютером или мобильным устройством.

Сетевые (network game) – игры, в которых могут участвовать несколько партнёров, взаимодействующих между собой через глобальную сеть Интернет или через локальную сеть LAN – Local Area Network.

Учебные (training game) – игры, способствующие развитию профессиональных возможностей человека.

По психологическому признаку игры условно делятся на ролевые и не ролевые. Ролевая игра (RPG – Role Playing Game) – это игра, в которой игрок принимает на себя роль компьютерного (конкретного видимого на экране или воображаемого) персонажа.

Известны также игры, не имеющие решения (no-solution game), и многие другие.

Современные игры сочетают свойства различных типов, имеют хорошее мультимедийное оформление, сложную мотивацию решения загадок, разветвлённую сюжетную линию, поэтому часто сложно определить, к какому же типу относится игра, и нужно выбрать наиболее подходящий тип.

Захватывающие игры для мощных мультимедийных настольных компьютеров и графических станций используют огромные возможности мультимедиа и погружают игрока в виртуальную реальность. Игры для мобильных устройств, описанные в наших предыдущих книгах, можно активно пользоваться там (например, в транспорте), где настольный компьютер недоступен.

В данной книге мы будем описывать игры для настольных компьютеров, ноутбуков и планшетов в соответствии с этой классификацией.

1.2. Требуемое программное обеспечение

Чтобы программировать двух- и трёхмерные приложения, графику и игры на основе Visual Studio, на нашем настольном компьютере (ноутбуке или планшете) должны быть установлены следующие программные продукты.

1. Среда разработки (называемая также как платформа, студия, пакет и т.д.) Visual Studio или сокращённо VS корпорации Microsoft. Системные требования к компьютеру сформулированы на сайте этой корпорации. Отметим, что имеются бесплатные версии VS, например, Express-версии и Бета-версии, которые можно загрузить с сайта Microsoft. Установка на компьютер и настройка любой версии VS подробно описаны в нашей книге [1] с сайта ZharkovPress.com.

VS имеет исполнительную среду CLR (Common Languege Runtime), общую для всех основных языков программирования. Поэтому впервые появилась уникальная возможность соединять (в разрабатываемом нами приложении) программы, написанные на различных языках (соответствующих спецификации CLR). Программа, написанная на любом языке или на нескольких различных языках, сначала компилируется в промежуточный язык MSIL (Microsoft Intermediate Language) и только затем преобразуется в машинный код. Такое двух шаговое выполнение программ позволяет достичь хорошей межъязыковой совместимости при высоком быстродействии.

Чтобы читателю легче было изучить и применить на практике самый популярный и перспективный (в мире программирования) язык Visual C#, он дан в сравнении с другими языками, и базовые сведения об этих языках (Visual Basic, C#, С++, J#) сведены в таблицы (в наших книгах [2, 3]). Программы, написанные на предыдущих версиях Visual Studio после конвертирования пригодны и для новой версии Visual Studio.

Графический интерфейс в операционных системах Windows, а также вся работа с графикой в Visual Studio, а следовательно, и в Visual C# основаны на использовании интерфейса устройств графики GDI+ (Graphics Device Interface). Этот интерфейс GDI+ для двухмерной графики подробно описан в наших предыдущих книгах из списка литературы.

Кроме двухмерной графики, в книгах с сайта ZharkovPress.com по созданию трёхмерных графических систем описано применение технологии DirectX для компьютерных игр и приложений.

2. Если планируется применять DirectX и/или XNA, то с сайта корпорации Microsof необходимо бесплатно загрузить последнюю версию технологии DirectX в виде программного продукта DirectX Software Development Kit (SDK) и XNA. Каждые несколько месяцев на сайте выставляется новая редакция DX и XNA. Более подробно о DX и XNA описано в справке от Microsoft. Отметим, что на сайте корпорации Microsoft программный продукт DirectX для разработки трёхмерных изображений находится в разделе Windows и далее в подразделе Technologies. Следовательно, DirectX (или коротко DX) авторы называют технологией, так и мы будем называть (в случае применения).

Отметим, что в данном томе серии книг будут разработаны игры и приложения с использованием искусственного интеллекта без применения DirectX и XNA, что делает такие игры и приложения более универсальными.

Глава 2. Методика разработки приложений для выполнения расчётов с эффектами анимации

2.1. Алгоритм ввода-вывода данных

Сначала общими усилиями создадим приложение в виде традиционного калькулятора для сложения и вычитания чисел. А затем постепенно будем усложнять и увеличивать количество математических функций в приложении, и в изучении базовых дисциплин и методик расчётов, с использованием эффектов анимации, идти от простого к сложному. Алгоритм сложения вещественных чисел в нашем первом калькуляторе стандартен: в первое окно вводим первое слагаемое; во второе окно второе слагаемое; щёлкаем кнопку со знаком равенства; в третьем окне получаем результат сложения (сумму).

Примеры в этой главе (и все последующие примеры) позволяют достичь:

1) учебную цель, чтобы научить начинающего программиста (например, инженера – практика, который никогда раньше не применял этот алгоритмический язык и Visual Studio), или специалиста любого профиля, вводу исходных данных и выводу результатов расчёта, а также решению различных задач при помощи диалоговых панелей и форм (точнее, при помощи принципов визуального программирования) и объектно-ориентированного программирования (ООП) на языке высокого уровня Visual C#;

2) практическую цель, чтобы по аналогии с нашим приложением читатели могли быстро создать персональный калькулятор (а далее, вычислительную систему и многие другие приложения) для расчёта таких математических, экономических и других функций, которые дополнят функции настольного калькулятора (и калькулятора операционной системы, например, Windows) и заменят (или дополнят) другие известные системы компьютерной математики.

2.2. Проект приложения

Некоторые этапы разработки данного приложения-калькулятора в дальнейшем (в последующих главах) при создании других приложений будут повторяться. Поэтому в этой главе, в интересах читателей, мы дадим подробные инструкции выполнения всех основных этапов разработки, чтобы в последующих главах эти же этапы описывать кратко со ссылкой на эту главу (и не повторяться).

Создаём проект в пакете (или комплексе) на языке Visual C# среды разработки Visual Studio последней или предыдущих версий по следующей стандартной и типичной схеме.

1. Запускаем среду (называемую также: среда разработки, студия, платформа, пакет и т.п.) Visual Studio и щёлкаем значок New Project (или File, New, Project).

2. В панели New Project (рис. 2.1) в окне Project types выбираем тип проекта Visual C#, Windows и проверяем, чтобы в окне Templates был выделен (как правило, по умолчанию) шаблон Templates, Visual C#, Windows Classic Desktop, Windows Forms App (.NET Framework); в окне Name записываем имя проекта, например, Calculator.

В расположенном ниже окне Location мы видим каталог (папку с текстом пути к этой папке), в котором будет создан данный проект.

Мы можем щёлкнуть по стрелке в окне Location (или кнопку Browse) и в появившемся списке выбрать или записать другой путь и другую папку, которую здесь же можем создать при помощи значка Create New Folder.

3. Если создаваемое нами решение (Solution) будет состоять из одного проекта, и мы не планируем разрабатывать другие проекты в рамках этого решения (как в данном случае), то можно удалить (если он установлен) флажок Create directory for solution (рис. 2.1) с целью упрощения построения программы.

Рис. 2.1. В окне Project Types выбираем тип проекта Visual C#, Windows.

4. В панели New Projects (рис. 2.1) щёлкаем OK.

Visual C# создаёт проект приложения и выводит форму Form1 в режиме проектирования (иначе, дизайна или редактирования) с вкладкой Form1.cs [Design], при помощи которой далее можно будет открывать эту форму (рис. 2.2).

5. Несмотря на то, что мы не написали ещё ни одной строчки программного кода, приложение уже должно работать в любой версии Visual Studio. Для проверки работоспособности приобретенной нами Visual Studio выполняем построение программы:

если мы создаём решение (Solution) из нескольких проектов, то в меню Build выбираем Build Solution или щёлкаем значок с изображением трёх вертикальных стрелок, или нажимаем клавиши Ctrl+Shift+B; напомним, что на главное меню значки переносятся с панели Tools, Customize, а удаляются после нажатия клавиши Alt, захвата и смещения значка (как в текстовом процессоре-редакторе Microsoft Word);

если мы создаём решение (Solution) из одного проекта (как в нашем случае), то можно выбрать Build, Build Selection или щёлкнуть значок с изображением двух вертикальных стрелок; в меню Build в наименовании команды Build Selection вместо слова Selection будет имя нашего проекта, в нашем случае Calculator.

Мы должны увидеть в выходном окне Output на вкладке Output (рис. 2.2) сообщение компилятора C# об успешном построении без предупреждений и ошибок:

Compile complete – 0 errors, 0 warnings

Calculator -> D:\MyDocs\DesktopProjects\DesktopProjects2\Calculator\bin\Debug\Calculator. exe

========== Build: 1 succeeded or up-to-date, 0 failed, 0 skipped ==========

Рис. 2.2. Форма Form1 в режиме проектирования (иначе, дизайна или редактирования).

6. Если ошибок нет, то запускаем программу на выполнение: в меню Debug выбираем Start Without Debugging (или нажимаем клавиши Ctrl+F5) или Start (клавиша F5), или щёлкаем по значку с изображением соответствующего знака.

Поверх формы Form1 в режиме проектирования должна появиться форма Form1 в режиме выполнения, которую можно захватить мышью и переместить в другое место экрана. На этой форме щёлкаем значок Close (Закрыть) или делаем правый щелчок и в контекстном меню выбираем Закрыть.

Основная проверка работоспособности Visual Studio закончена, и мы можем приступить к дальнейшей работе (согласно сформулированному выше алгоритму).

2.3. Методика проектирования формы

Для предварительного (пока без внесения элементов управления с панели инструментов Toolbox, рис. 2.3) визуального графического проектирования формы выполняем следующие типичные шаги инструкции.

1. Панель Properties (Свойства) со свойствами формы Form1 (рис. 2.4) мы можем вызвать (если она не появилась автоматически) при помощи команды View, Properties Window и разместить в виде отдельной панели в любом месте экрана, а можем сделать в виде вкладки более общей панели.

Если в панели Properties нет заголовка Form1, то просто щёлкаем внутри формы, или там же делаем правый щелчок и в контекстном меню выбираем Properties. В панели Properties далее мы всегда будем подразумевать одноименную вкладку Properties (если не оговаривается особо, например, вкладка событий Events). После изменения (заданного по умолчанию) свойства мы должны дать программе команду внести это изменение в форму или элемент управления; для этого щёлкаем по выделенному имени свойства или нажимаем клавишу Enter.

Если не видна форма (диалоговая панель) в режиме проектирования, то на рабочем столе щёлкаем вкладку Form1.cs [Design] или в панели Solution Explorer (Исследователь-Проводник Решения) дважды щёлкаем пункт Form1.cs.

2. В панели Properties с заголовком Form1 (рис. 2.4) щёлкаем (выделяем) слово Font и появившуюся кнопку с тремя точками. Мы увидим панель Font (рис. 2.4).

3. В панели Font (Шрифт) устанавливаем, например, шрифт Times New Roman и размер (Size) 14 для текста на форме и для текста на элементах управления, которые мы будем переносить на форму с панели Toolbox. В панели Font щёлкаем OK.

4. Чтобы изменить заголовок формы, в панели Properties в свойстве Text вместо слова Form1 записываем (или вставляем из буфера обмена: правый щелчок, Paste), например, Calculator; щёлкаем по слову Text (или нажимаем клавишу Enter), рис. 2.4.

5. При помощи свойства BackColor (рис. 2.4) мы можем установить (вместо установленного по умолчанию цвета Control) из списка другой цвет клиентской области Form1. Перечень этих цветов показан в наших предыдущих книгах, например, [9]. Напомним, что в клиентскую область не входит верхняя полоска с текстом и граница формы.

6. При помощи свойства BackgroundImage (Фон), рис. 2.4, в качестве фона мы можем установить имеющийся у нас рисунок (форматов (.bmp), (.jpg), (.gif) и др.) или даже несколько рисунков, которые с заданным нами интервалом времени будут поочередно сменять друг друга в режиме анимации; затем на этом изменяющемся фоне можно размещать элементы управления (например, TextBox и Button) и компоненты (например, Timer), как показано в наших предыдущих книгах, например, [9].