Gomoku(Five in a Row, Omok) (1/5) - 기본 구현 (minimax, alpha-beta pruning)

tic tac toe 게임 머신러닝에 이어 오목 게임을 만들어 보자.

아래와 같은 순서로 총 5회로 구성하였다.

Gomoku(Five in a Row, Omok) (1/5) - 기본 구현 (minimax, alpha-beta pruning)

Gomoku(Five in a Row, Omok) (2/5) - 속도 최적화 1차 (minimax 속도 개선)

Gomoku(Five in a Row, Omok) (3/5) - 속도 최적화 2차 (RANDOM모드 추가)

Gomoku(Five in a Row, Omok) (4/5) - 훈련 데이터 생성 및 학습

Gomoku(Five in a Row, Omok) (5/5) - 머신러닝으로 게임 구현

 

9x9보드에서 minimax알고리즘을 사용하여 간단하게 구현해 보았다.

참고로 3x3을 막고있지 않다. 

DIFFICULTY_LEVEL 값을 높이면 좀더 잘 두지만 속도는 느려진다. 반대로 값을 낮추면  속도는 빨라지지만 잘 두지는 못한다.

가끔씩 엉뚱한 수를 두는 이유는 DIFFICULTY_LEVEL 제한으로 minimax트리검색이 중간에 중단되어 마지막으로 중단된 위치에 수를 놓기 때문이다. 해당 속도문제를 속도 최적화 1차, 속도 최적화 2차를 통해 개선하도록 하겠다.

# 필요한 모듈 임포트
import pygame
import random
import numpy as np
import sys

# 게임 보드 설정
BOARD_SIZE = 9  # 게임 보드 크기 (9x9)
CELL_SIZE = 40  # 셀 크기
MARGIN = 20  # 보드와 화면 경계의 여백
CLICK_RADIUS = CELL_SIZE // 2  # 클릭 시 지정된 반지름

# 게임 보드의 셀 상태
BLACK = (0, 0, 0)
WHITE = (255, 255, 255)
RED = (255, 0, 0)
GRAY = (100, 100, 100)

# 게임 변수 및 난이도 설정
NUM_ITEMS = (BOARD_SIZE * BOARD_SIZE)
PLAYER = 1
AI = -1

DIFFICULTY_LEVEL = 3  # 게임 난이도 (컴퓨터가 어려운 수를 계산하는 깊이)


# 게임 클래스 정의
class FIAR:
    def __init__(self):
        self.init_game()

    def init_game(self):
        # Pygame 초기화
        pygame.init()
        pygame.display.set_caption("FIAR")
        w = (BOARD_SIZE-1) * CELL_SIZE + 2 * MARGIN
        h = (BOARD_SIZE-1) * CELL_SIZE + 2 * MARGIN
        self.screen = pygame.display.set_mode((w, h))
        self.font = pygame.font.Font(None, CELL_SIZE-4)

    # 게임 초기화
    def reset_game(self):
        self.board = np.zeros((BOARD_SIZE, BOARD_SIZE), dtype=int)
        self.sequences = np.zeros((BOARD_SIZE, BOARD_SIZE), dtype=int)
        self.sequence = 0
        self.game_over = False
        self.turn_player = PLAYER
        self.draw_board(self.screen)
        pygame.display.flip()

    # 빈 셀 찾기
    def find_empty_cells(self):
        empty_cells = []
        for row in range(BOARD_SIZE):
            for col in range(BOARD_SIZE):
                if self.board[row][col] == 0:
                    empty_cells.append((row, col))
        random.shuffle(empty_cells)
        return empty_cells

    # 승자 확인
    def check_winner(self, board, row, col):
        # 승자 판별 로직
        def check_direction(dx, dy):
            count = 1
            r, c = row + dx, col + dy
            while 0 <= r < len(board) and 0 <= c < len(board[0]) and board[r][c] == board[row][col]:
                count += 1
                r += dx
                c += dy
            return count

        directions = [(0, 1), (1, 0), (1, 1), (-1, 1)]
        for dx, dy in directions:
            count1 = check_direction(dx, dy)
            count2 = check_direction(-dx, -dy)
            total_count = count1 + count2 - 1
            if total_count == 5:
                return True
        return False

    # 게임 보드가 가득 찼는지 확인
    def is_board_full(self, board):
        return all(cell != 0 for row in board for cell in row)

    # 무작위로 수를 두는 함수
    def random_move(self, player):
        if self.game_over:
            return -1, -1
        row, col = random.choice(self.find_empty_cells())
        self.make_move(row, col, player)
        return row, col

    # 미니맥스 알고리즘을 사용해 수를 두는 함수
    def minimax_move(self, player):
        if self.game_over:
            return -1, -1
        row, col = self.find_best_move(player)
        self.make_move(row, col, player)
        return row, col

    # 수를 두는 함수
    def make_move(self, row, col, player):
        # 게임 보드에 수를 두고 승자를 확인하는 로직
        if self.board[row][col] == 0:
            self.board[row][col] = player
            self.sequence += 1
            self.sequences[row][col] = self.sequence
            if self.check_winner(self.board, row, col):
                self.game_over = True
            elif self.is_board_full(self.board):
                self.game_over = True
                self.turn_player = 0
            else:
                self.turn_player *= -1

    # 미니맥스 알고리즘
    def minimax(self, depth, is_maximizing, alpha, beta, row2, col2):
        # 미니맥스 알고리즘으로 최적의 수를 찾는 로직
        if self.is_board_full(self.board):
            return 0

        if is_maximizing:
            if self.check_winner(self.board, row2, col2):
                return -(NUM_ITEMS - depth + 1)
        else:
            if self.check_winner(self.board, row2, col2):
                return (NUM_ITEMS - depth + 1)

        if depth >= DIFFICULTY_LEVEL:
            return 0

        if is_maximizing:
            best_score = -float('inf')
            for row, col in self.find_empty_cells():
                self.board[row][col] = AI
                score = self.minimax(depth + 1, False, alpha, beta, row, col)
                self.board[row][col] = 0
                best_score = max(best_score, score)
                alpha = max(alpha, best_score)
                if beta <= alpha:
                    break
            return best_score
        else:
            best_score = float('inf')
            for row, col in self.find_empty_cells():
                self.board[row][col] = PLAYER
                score = self.minimax(depth + 1, True, alpha, beta, row, col)
                self.board[row][col] = 0
                best_score = min(best_score, score)
                beta = min(beta, best_score)
                if beta <= alpha:
                    break
            return best_score

    # 최적의 수를 찾는 함수
    def find_best_move(self, player):
        # 최적의 수를 찾는 함수
        if self.sequence == 0:
            row = BOARD_SIZE // 2 + random.randint(-2, 2)
            col = BOARD_SIZE // 2 + random.randint(-2, 2)
            return (row, col)

        alpha = -float('inf')
        beta = float('inf')
        best_move = None
        best_score = -float('inf') if player == AI else float('inf')
        empty_cells = self.find_empty_cells()

        for index, (row, col) in enumerate(empty_cells):
            self.board[row][col] = player
            is_maximizing = False if player == AI else True
            score = self.minimax(0, is_maximizing, alpha, beta, row, col)
            self.board[row][col] = 0

            if (player == AI and score > best_score) or (player == PLAYER and score < best_score):
                best_score = score
                best_move = (row, col)

            percentage = (index / len(empty_cells)) * 100
            print(f"    [{percentage:.1f}%] <{player}> {row},{col} -> {score}")

        return best_move

    # 화면에 메시지 표시
    def show_message(self, message, is_exit=False):
        popup = True
        while popup:
            for event in pygame.event.get():
                if event.type == pygame.QUIT:
                    pygame.quit()
                    sys.exit()

                if event.type == pygame.KEYDOWN:
                    if is_exit:
                        if event.key == pygame.K_y:
                            self.reset_game()
                            popup = False
                            return
                        elif event.key == pygame.K_n:
                            pygame.quit()
                            sys.exit()
                    else:
                        popup = False
                        break

            # 메시지 텍스트 표시
            text_lines = message.split('\n')
            for i, line in enumerate(text_lines):
                text = self.font.render(line, True, (0, 0, 0))
                text_rect = text.get_rect(topleft=(20, 20 + i * 20))
                self.screen.blit(text, text_rect)

            pygame.display.flip()

    # 게임 보드 그리기
    def draw_board(self, screen):
        screen.fill(GRAY)
        for row in range(BOARD_SIZE):
            pygame.draw.line(screen, BLACK,
                            (0 * CELL_SIZE + MARGIN, row * CELL_SIZE + MARGIN),
                            ((BOARD_SIZE-1) * CELL_SIZE + MARGIN, row * CELL_SIZE + MARGIN),
                            1)
            for col in range(BOARD_SIZE):
                if row == 0:
                    pygame.draw.line(screen, BLACK,
                                    (col * CELL_SIZE + MARGIN, 0 * CELL_SIZE + MARGIN),
                                    (col * CELL_SIZE + MARGIN, (BOARD_SIZE-1) * CELL_SIZE + MARGIN),
                                    1)

                x = col * CELL_SIZE + MARGIN
                y = row * CELL_SIZE + MARGIN

                if self.board[row][col] == PLAYER:
                    pygame.draw.circle(screen, BLACK, (x, y), CLICK_RADIUS)
                elif self.board[row][col] == AI:
                    pygame.draw.circle(screen, WHITE, (x, y), CLICK_RADIUS)

                seq_no = self.sequences[row][col]
                if seq_no != 0:
                    if seq_no == self.sequence:
                        pygame.draw.circle(screen, RED, (x, y), CLICK_RADIUS+1, 1)
                    color = WHITE if self.board[row][col] == PLAYER else BLACK
                    text = self.font.render(f"{seq_no}", True, color)
                    text_rect = text.get_rect(center=(x, y))
                    screen.blit(text, text_rect)

    # 이벤트 처리
    def handle_events(self):
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                self.game_over = True
            elif event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN and not self.game_over:
                x, y = pygame.mouse.get_pos()
                row = int(round((y - MARGIN) / CELL_SIZE))
                col = int(round((x - MARGIN) / CELL_SIZE))
                if 0 <= row < BOARD_SIZE and 0 <= col < BOARD_SIZE and self.board[row][col] == 0:
                    self.make_move(row, col, self.turn_player)
                    self.draw_board(self.screen)
                    pygame.display.flip()

                    if self.turn_player == AI:
                        best_move = self.find_best_move(self.turn_player)
                        if best_move is not None:
                            row, col = best_move
                            self.make_move(row, col, self.turn_player)
                            self.draw_board(self.screen)
                            pygame.display.flip()

                    if self.game_over == True:
                        if self.turn_player == 0:
                            self.show_message("Game draw!")
                        else:
                            self.show_message(f"Game Over!\n{'Player' if self.turn_player == PLAYER else 'AI'} wins!")

if __name__ == "__main__":
    game = FIAR()
    game.reset_game()

    while True:
        while not game.game_over:
            game.handle_events()
        
        game.show_message("Play Again? (y/n)", is_exit=True)

 

아래는 게임 실행화면이다.
게임 오버 상태에서 텍스트가 겹치는 오류가 있네.. -_-;;
중요한 문제 아니니 그건 나중에 수정하도록 하겠다.

 

2023.10.27 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (1/5) - 기본 구현 (minimax, alpha-beta pruning)

2023.10.27 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (2/5) - 속도 최적화 1차 (minimax 속도 개선)

2023.10.28 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (3/5) - 속도 최적화 2차 (RANDOM모드 추가)

2023.10.29 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (4/5) - 훈련 데이터 생성 및 학습

2023.10.29 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (5/5) - 머신러닝으로 게임 구현

2023.11.03 - [AI,ML, Algorithm] - Gomoku(Five in a Row, Omok) (5/5) - 3x3 체크 추가