Busca (seek), fuga (flee) e chegada (arrival)

Steering behaviors (comportamentos de navegação) são um conjunto de técnicas de algoritmo para simular o comportamentos realísticos de animais. Foi apresentado pela primeira vez por Craig Reynolds em 1987, em seu algoritmo Boids, cujo algoritmo simula a revoada de pássaros.

Dentro desse conjunto de técnicas, existem diversos comportamentos que podem ser implementados em jogos, estudos e na robótica. Os comportamentos de busca (seek), fuga (flee) e chegada (arrival) são fáceis de serem implementados e apresentam excelentes resultados.

Desenvolvimento do código básico

Para a utilização de steering behaviors, recomenda-se usar vetores geométricos para calcular as coordenadas com mais facilidade.

A classe do agente é chamada de “vehicle”. A classe Vehicle possui 2 atributos (variáveis locais) essenciais definidos como vetor:

• Posição
• Velocidade

A aceleração também pode ser adicionada, porém não será necessário nesse momento. Outras duas variáveis serão adicionadas e influenciarão diretamente o valor da posição e velocidade do agente:

• Velocidade máxima
• Força máxima

A velocidade máxima é o limite que a velocidade do agente pode chegar. A força máxima é o limite que o steering (força de navegação) pode chegar.

class Vehicle {
    constructor() {
	    this.position = createVector(width / 2, height / 2);
	    this.velocity = createVector(0, 0);
	    this.maxSpeed = 4;
	    this.maxForce = 0.2;
    }
}

A posição inicial do agente será no centro da tela. Sua velocidade inicial será zero, por isso, não se moverá no início. O objetivo nesse tutorial é fazer o agente (Vehicle) perseguir algum objeto. Esse objeto será instanciado com o clique do mouse.

var target = null;
...
function mousePressed(event) {
	let mousePos = createVector(event.x, event.y);
	target = new Target(mousePos);
}

Em seguida, o algoritmo responsável por fazer o agente perseguir o objeto é implementado (implementação sem steering behaviors):

class Vehicle {
    ...
    function seek() {
	    if (target != null) {
		    // Distância entre o alvo e o agente
		    let destination = this.position - target.position;
		    let direction = destination.normalize();
		    let desiredVelocity = direction * this.maxSpeed;
		    this.position += desiredVelocity;
	    }
    }
}

A função “seek” será executada a cada frame e deslocará o agente aos poucos. A implementação de aproximação entre dois pontos pode ser realizada como mostra acima. O código irá funcionar e o agente irá perseguir o destino. Porém, a prática acima será um simples deslocamento de um objeto com a velocidade constante:

O deslocamento acima deixa muito a desejar quando falamos sobre jogos ou simulação de comportamentos de animais. Para tornar o movimento acima mais realístico usamos a técnica de steering behaviors.

Implementação do comportamento de busca (seek)

O comportamento de busca é melhorado aplicando uma nova força, o “steering”. O “steering” é o resultado da subtração da velocidade deseja pela velocidade atual. Esse resultado será adicionado na velocidade do agente.

O resultado do movimento acima é um movimento circular do agente para a direita. A velocidade atual que estava apontada para o noroeste foi diminuindo aos poucos e perdendo a sua influência sobre o agente. A velocidade desejada passa a influenciar a posição do agente, fazendo-o com que chegue ao seu destino.

class Vehicle {
    ...
    function seek() {
	    if (target != null) {
		    // Distância entre o alvo e o agente
		    let destination = this.position - target.position;
		    let direction = destination.normalize();
		    let desiredVelocity = direction * this.maxSpeed;
		    
		    let steering = desiredVelocity - this.velocity;
		    steering = steering.limit(this.maxForce);
		    
		    this.velocity += steering;
		    this.velocity = this.velocity.limit(this.maxSpeed);
		    
		    this.position += this.velocity;
	    }
    }
}

A variável “steering” será a força que resistirá à velocidade desejada. A função “limit” limita o valor máximo da variável, fazendo com que os valores não fiquem muito altos.

Diferente do primeiro exemplo, o agente mostra uma certa resistência ao modificar o seu trajeto. Esse efeito é bastante parecido com a inércia, fenômeno que acontece na vida real, pois não é possível anular uma força instantaneamente após aplicar outra.

Implementação do comportamento de fuga (flee)

A lógica do comportamento de fuga é totalmente igual ao comportamento de busca, a única diferença é que o agente irá fugir do alvo. Ao invés da sua velocidade desejada apontar para a direção do alvo, ela irá aponta para a direção contrária do alvo.

O agente irá repetir o mesmo movimento circular do comportamento de busca, alternando para a direção mais longe possível do alvo.

A função “flee” pode copiar a função “seek”. A única diferença é que a velocidade desejada irá ser negativa.

 class Vehicle {
    ...
    function flee() {
	    if (target != null) {
		    // Distância entre o alvo e o agente
		    let destination = this.position - target.position;
		    let direction = destination.normalize();
		    let desiredVelocity = direction * this.maxSpeed;
			
			// Multiplica por -1 e torna o valor negativo
			let flee = desiredVelocity * -1;
		    
		    let steering = flee - this.velocity;
		    steering = steering.limit(this.maxForce);
		    
		    this.velocity += steering;
		    this.velocity = this.velocity.limit(this.maxSpeed);
		    
		    this.position += this.velocity;
	    }
    }
}

Ao modificar o sinal do valor da velocidade desejada para negativo, o trajeto que o agente irá percorrer será contrário ao que era antes.

Implementação do comportamento de chegada (arrival)

O comportamento de chegada será combinado com o comportamento de busca. Ao agente chegar no seu destino ele deve parar. A lógica do comportamento de chegada é desacelerar o agente aos poucos até ele entrar na fase de repouso encima do destino. A área de desaceleração da velocidade do agente é definida por um círculo ao redor do alvo. Quanto mais o agente penetra no círculo mais ele perde velocidade. Quando o agente chegar no centro do círculo (encima do alvo) a velocidade dele será zerada, entrando em repouso.

Para saber se estamos dentro do círculo de chegada, usaremos a magnitude do vetor da distância entre o agente e o alvo. Caso a magnitude da distância entre o alvo e o agente seja menor do que o raio do círculo de chegada, o processo de desaceleração é iniciado. O processo de desaceleração é feito diminuindo a magnitude da velocidade desejada conforme o agente se aproxima do centro do círculo.

class Vehicle {
    ...
    function seek() {
	    if (target != null) {
		    // Distância entre o alvo e o agente
		    let destination = this.position - target.position;
		    let magnitude = destination.magnitude();
		    
		    let desiredVelocity = destination.normalize() * this.maxSpeed;
		    if (magnitude < target.radius) {
			    let newMagnitude = map(magnitude, 0, target.radius, 0, this.maxSpeed)
		        desiredVelocity = desiredVelocity.setMagnitude(newMagnitude)
		    }
		    
		    let steering = desiredVelocity - this.velocity;
		    steering = steering.limit(this.maxForce);
		    
		    this.velocity += steering;
		    this.velocity = this.velocity.limit(this.maxSpeed);
		    
		    this.position += this.velocity;
	    }
    }
}

function map(number, inMin, inMax, outMin, outMax) {
    return (number - inMin) * (outMax - outMin) / (inMax - inMin) + outMin;
}

A função “map” vai ajustar o valor da magnitude da velocidade desejada e manter o valor entre 0 e 4 (this.maxSpeed). Conforme a distância entre o agente e o alvo vai se aproximando, menor vai ficando a magnitude da velocidade desejada, até chegar no zero.

Conclusão

Os comportamentos de busca, fuga e chegada são uma porção do conjunto de comportamentos que steering behaviors (comportamentos de navegação) proporciona. Esses movimentos podem ser usados em vários tipos de aplicativos conforme as demandas dos desenvolvedores. A sua grande vantagem é a facilidade na sua implementação, não precisando de cálculos muito complexos e necessitando poucas linhas de código.