Fußball-Simulator. Lastenheft

Transkript

1 SEP Wintersemester 2012/13 Fußball-Simulator Lastenheft Christoph Ehlers, Andreas Fischer, Peter Häring und Philipp Wendler 1 Eine kurze Bemerkung vorab Dies ist Euer Praktikum. Dieses Dokument ist kein Katalog von Aufgaben, der Punkt für Punkt abgearbeitet werden muss, um das SEP zu bestehen, sondern lediglich eine Reihe von Hinweisen, was wir erwarten. Es ist aus diesem Grund knapp gehalten. Wie Euer Programm nachher aussieht, müsst Ihr selbst entscheiden.

2 2 Motivation Die Programmierung von künstlicher Intelligenz ist seit langem ein wichtiges Feld der Informatik. Meistens werden dabei Programme für bestimmte Aufgabengebiete entwickelt. So ist z.b. seit der Gründung des RoboCup-Wettbewerbs 1 die Entwicklung von fußballspielenden KIs weit verbreitet. Dabei gibt es sowohl Software für die Steuerung von Robotern, als auch Software für die Simulation eines Fußballspiels in einer virtuellen Umgebung (RoboCup Soccer Simulation League). Die Bereitstellung eines Frameworks für die Simulation von Fußballspielen ermöglicht es, einfach KIs zu entwickeln und auszuprobieren. 3 Aufgabenstellung Ihre Aufgabe im SEP besteht darin, ein Framework für die Simulation von Fußballspielen zu entwickeln. Ihr Programm soll in der Lage sein zusammen mit zwei KIs, die die Spieler der Teams steuern, ein Fußballspiel zu simulieren. Dabei ist das Framework für die Aufrufe der KI und die Auswertung der physikalischen und regeltechnischen Grundlagen zuständig, während die KIs die Aktionen der Spieler festlegen. Weiterhin ist Teil der Aufgabe eine graphische Oberfläche zu entwickeln, mit der simulierte Spiele betrachtet werden können. Der Fußball-Simulator soll in Java 7 implementiert werden und unter Linux und Windows benutzbar sein. Als Architektur muss zwingend Model-View-Controller (MVC) verwendet werden. 3.1 GUI Die graphische Benutzeroberfläche soll mit Swing realisiert werden. Dabei ist besonders auf eine gute Bedienbarkeit zu achten Darstellung Die GUI des Systems soll das Spielfeld mit den aktuellen Positionen aller Spieler und des Balls, sowie relevante Felddetails (zum Beispiel die Tore) anzeigen, sowie alle weiteren interessanten Daten (z.b. Punktestand). Ein Spiel soll sowohl in Echtzeit als auch verlangsamt oder beschleunigt angezeigt werden können Benutzereingabe Innerhalb der GUI finden auch sämtliche Benutzereingaben per Tastatur und Maus statt. Dies beinhaltet alle Eingaben, die zum Steuern der Simulation nötig sind (z.b. Auswahl der teilnehmenden KIs und Start/Stopp/Pause/Replay der Simulation)

3 3.2 Modell Das Modell ist zuständig für die Verwaltung des aktuell laufenden Spiels. Es muss dabei immer nur ein gleichzeitig laufendes Spiel betrachtet werden. Es speichert dazu alle nötigen Informationen, z.b. Positionen von Ball und Spielern, Punktestand, etc. Es ist außerdem zuständig für die Berechnung der Physik (z.b. Positionsänderung von Ball und Spielern, Durchführung von Aktionen wie Schuss), und für die Auswertung der Spielregeln. Der Entwurf muss so gestaltet werden, dass die Physik und die Spielregeln leicht und unabhängig voneinander angepasst werden können. Das Modell ist ebenfalls zuständig für die Kommunikation mit den KIs. Dabei müssen Model und KI jeweils ein bestimmtes Interface implementieren, das von den Betreuern definiert wird. Dies soll die Möglichkeit bieten, KIs und Spiel-Frameworks beliebig miteinander kombinieren zu können. Erweiterungen dieser Interfaces sind möglich, wenn Framework und KI jeweils auch mit Komponenten eingesetzt werden können, die diese Erweiterungen nicht besitzen Spieldefinition Um die Aufgabe zu vereinfachen, wird eine vereinfachte Physik und eine vereinfachte Variante der Fußball-Regeln verwendet. Die Physik wird wie folgt definiert: Alles findet in einer zweidimensionale Welt (ohne z-achse) statt. Das Spielfeld ist von einer Bande umgeben. Spieler und Ball sind perfekt kreisförmig. Hat ein Spieler den Ball im Ballbesitz, verschmilzt der Ball solange mit dem Spieler, bis er wieder verloren wird. Ein Ball im Schuss prallt an der Bande und an Spielern ab. Alle vom Spieler durchführbaren Aktionen (z.b. Schuss, Dribbeln, Ballabnahme, etc.) werden nicht durch die Bewegung von Körperteilen und deren Berührung mit dem Ball simuliert, sondern sind direkt von der Physik bereitgestellte ausführbare Aktionen. Aktionen können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit fehlschlagen bzw. das Ergebnis (z.b. bei einem Schuss) kann in einem gewissen Rahmen abweichen. Spieler haben eine Höchstgeschwindigkeit sowie eine maximale Beschleunigung und Verzögerung. Der Ball besitzt eine konstante Verzögerung während eines Schusses. Bei einem Aufprall an einem Spieler oder der Bande verliert er zusätzlich einen Teil seiner Geschwindigkeit. Die Regeln des Spiels werden wie folgt definiert: 3

4 Es spielen immer genau zwei Mannschaften mit je drei Spielern. Ein Torwart existiert nicht. Das Spielfeld ist rechteckig mit zwei langen und zwei kurzen Seiten. Je ein gleichlanger Abschnitt in der Mitte der beiden kurzen Seiten wird als Tor definiert. Ein Tor ist zu jedem Zeitpunkt jeweils einer Mannschaft zugeordnet. Der Mittelpunkt ist der Punkt in der Mitte des Spielfelds. Berührt der Ball die Bande im Bereich eines der beiden Tore, erhält die Mannschaft, zu der das jeweilige Tor nicht gehört, einen Punkt. Das Spiel wird unterbrochen und mit einem Anstoß vom Mittelpunkt für die Mannschaft, die das Tor kassiert hat, fortgesetzt. Ein Stoß ist definiert als eine freie Schussmöglichkeit für eines der beiden Teams (vergleichbar mit dem Freistoß im Fußball). Dabei wählt die Mannschaft, die den Stoß ausführen darf, einen Spieler aus, der einen Schuss des Balls von einer festgelegten Position aus ausführen darf. Die Spieler der anderen Mannschaft müssen bis zur Ausführung des Stoßes einen Mindestabstand zum Ball einhalten. Ein Anstoß ist ein Stoß vom Mittelpunkt des Spielfelds aus. Die Spieler müssen dabei alle in der Hältfe des Spielfelds sein, in der sich ihr Tor befindet. Das Spiel dauert eine vordefinierte Zeit. Zu Anfang des Spiels bekommt zufällig eine der beiden Mannschaften einen Anstoß. Nach der Hälfte der Spielzeit wird das Spiel unterbrochen und mit einem Anstoß für die andere Mannschaft wieder aufgenommen. Fouls werden mit einem Stoß für die andere Mannschaft vom Ort des Fouls bestraft, wobei ein gewisser Mindestabstand zum Tor der foulenden Mannschaft eingehalten werden muss. Ein Foul kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit bei jeder Berührung zwischen zwei Spielern entstehen. Optionale Regel: Es kann mit einer Abseits-Regel gespielt werden. Dabei darf ein Spieler, der näher an der Torlinie des gegnerischen Tors steht als alle gegnerischen Spieler, den Ball nicht annehmen, wenn der letzte Spielerkontakt des Balls mit einem Spieler der gleichen Mannschaft war. Anderenfalls ist dies ein Foul und die andere Mannschaft darf einen Stoß von der Position dieses Spielers annehmen. Optionale Regel: Anstatt mit einer Bande, bei deren Berührung der Ball im Spiel bleibt, kann mit einer Aus -Regel gespielt werden. Würde der Ball das Spielfeld verlassen, bekommt die Mannschaft, die den Ball nicht zuletzt gespielt hat, einen Stoß von der jeweiligen Stelle am Spielfeldrand. Alle nötigen Zahlenwerte (darunter Spielfeld-, Ball-, Spieler- und Torgröße, Maximalgeschwindigkeiten, Verzögerungen und die Fehler- und Foulwahrscheinlichkeiten) werden in einem separaten Anhang definiert, der noch nachgeliefert wird. 4

5 3.3 KI Eine KI ist jeweils zuständig für die Berechnung der Aktionen der Spieler einer Mannschaft. Dabei existiert genau eine Instanz pro Mannschaft, nicht pro Spieler. Jede KI darf genaues Wissen über die Positionen (nicht jedoch Bewegungen) aller Spieler (inklusive der gegnerischen Spieler) und des Balls voraussetzen (wird vom Model bereitgestellt). Zum Testen müssen zwei KIs mitgeliefert werden, eine triviale KI, sowie eine erweiterte KI, die Pässe spielen kann. Bitte beachtet, dass der Hauptaugenmerk des SEP auf dem Framework liegt. Die Spielgüte der KIs geht nicht in die Bewertung ein. 4 Produkteinsatz Zielgruppe des Fußball-Simulators sind Studierende eines Informatik-Studiengangs, die sich mit der Programmierung von KIs beschäftigen möchten, z.b. im Rahmen der Übung einer hierzu passenden Lehrveranstaltung, oder im Rahmen eines Programmierwettbewerbs. 2 5 Produktfunktionen 5.1 Minimale Leistungsmerkmale GUI Das Darstellungsfenster muss mindestens bei einer Auflösung von Bildpunkten benutzt werden können. 2D-Ansicht des aktuellen Spiels sowie zusätzlicher Daten wie Punktestand und teilnehmende KIs Die GUI muss den Benutzer sinnvoll unterstützen und benutzerfreundliche Eingabeelemente anbieten. Flüssige Darstellung Eingabe zur Definition eines Spiels: Auswahl der teilnehmenden KIs Eingabe zur Spielsteuerung: Start, Pausieren und Stop des Spiels, Änderung der Abspielgeschwindigkeit Modell Simulation des Spiels in diskreten Schritten. Ein Schritt besteht aus der Durchführung der physikalischen Berechnungen, der Auswertung der Spielregeln, und der Berechnung der nächsten Aktionen durch die KIs. Exakte Berechnung der Physik Auswertung der Spielregeln Verwaltung des Spielzustands 2 vgl. z.b. den JRobots-Wettbewerb der IEEE Student Branch Passau: 5

6 Kommunikation mit den KIs: Laden und Initalisierung der KIs Zur Verfügung stellen der folgenden Informationen über das laufende Spiel: Positionen aller Spieler und des Balls, Zeitpunkt, Punktestand, Spielrichtung der jeweiligen Mannschaft (vor einem Stoß zusätzlich noch Position und durchführende Mannschaft des Stoßes). Entgegennahme der als nächstes auszuführenden Aktionen der Spieler Überwachung eines Zeitlimits pro Berechnungsschritt pro KI. Nach dem Zeitlimit wird die KI gestoppt und neu initialisiert (bei Exceptions ebenfalls). KI Definition der nächsten Aktionen der Spieler eines Teams. Dazu gehören Spielerbewegungen und Aktionen wie Schuss oder Ballannahme. In Sondersituationen (z.b. vor einem Stoß) die Festlegung der nötigen Dinge, z.b. Positionen der Spieler, Auswahl des durchführenden Spielers. Eine zwingend mitgelieferte triviale KI mit folgenden Leistungsmerkmalen: Zum Ball laufen mindestens eines Spielers, falls kein Ballbesitz besteht Ballaufnahme eines freien Balls oder Ballabnahme von einem gegnerischen Spieler in der Nähe Schuss zum Tor sofern Ballbesitz besteht Eine weitere zwingend mitgelieferte KI mit besseren Fähigkeiten. Diese KI muss mindestens das Spiel von Pässen beherrschen und sofern sinnvoll (z.b. bei einem von gegnerischen Spielern verdeckten Tor) einsetzen. 5.2 Optionale Leistungsmerkmale Zusätzliche Regeln (an-/abschaltbar) Abspeichern und Laden von simulierten Spielen Zusätzliche, bessere, KIs Möglichkeit zur Anpassung von Definitionen (Spielfeldgröße, Anzahl der Spieler pro Mannschaft) Unterstützung verschiedener Spielcharaktere durch das Framework mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen (zum Beispiel Laufgeschwindigkeit, Schussgenauigkeit) Einführung eines Spiels mit Torwart 3D-Ansicht des Spielfelds 6

7 6 Organisatorisches Für jede Phase des Praktikums muss ein Phasendokument abgegeben werden. Dieses Dokument ist Grundlage für das Kolloquium am Ende jeder Phase, in dem der Phasenverantwortliche die Ergebnisse der Phase vorträgt. Die genauen Termine entnehmt bitte der Homepage. 7 Bewertung Die Benotung des SEP richtet sich nach folgenden Kriterien: Qualität aller abgegebenen Dokumente Qualität der Kolloquien Qualität der Abschlusspräsentation Erfüllung der minimalen Leistungsmerkmale (s.o.) Sinnvolle Erweiterungen über diese Merkmale hinaus Robustheit des erstellten Programms Diese Liste hat keine Reihenfolge, die einer Gewichtung entspricht. Es gibt sicherlich weitere Punkte, die als selbstverständlich gelten und sich bei Nichterfüllen negativ auswirken (z.b. sollte die Bedienung möglichst einfach von der Hand gehen). Viel Erfolg und vor allem viel Spaß! 7