如何用CNN玩转AlphaGo版的五子棋？

作者 | 李秋键

责编| 郭芮

出品| CSDN（ID：CSDNnews）

近几年来，AI在游戏方面的发展如火如荼，尤其是自从阿法狗AI围棋战胜围棋之后，更是引起了AI发展的狂潮，同时也引起了很多AI游戏的应用与深化发展。其实游戏中的AI有非常悠久的历史，相当多的游戏都是围绕着对抗“敌人”展开，而这个“敌人”，就是AI，其中包含一些行为方式固定没有一丁点变化的低级AI，也有一些另外的随机因素高级一点的AI，不过这里的AI本质上是一段固定的程序脚本，如果玩家掌握到其中的规律，游戏性就会瞬间降低。 

而深度学习的AI版本却是不同，他与多个位置的参数与多方向的选择，拓展了其中AI的智能性，让玩家找到其中的规律性变得基本不可能，这也是深度学习的重要意义之一。今天，我们就将利用CNN实现智能五子棋。

实验前的准备

首先我们使用的python版本是3.6.5。所测试的系统有windows10，windows7，Linux系统以及苹果系统。从这点也可以修剪python多平台和多扩展性，易于迁移的优点。

所使用的的python库有tkinter，其目的是用于规划棋盘布局，实现下棋功能；SGF文件用于读取棋谱并加载训练模型；os库用于读取和存储本地文件；TensorFlow库用于建立CNN网络模型以及训练等事项。

棋盘的建立

1.初始化棋盘：

其中各参数设定意义如下：初始化：someoneWin：标识是否有人赢了；humanChessed：人类玩家是否下了；IsStart：是否开始游戏了；玩家：玩家是哪一方；玩法：模式，和机器人下棋，还是和ai下棋；bla_start_pos：黑棋开局时下在正中间的位置；bla_chessed：保存黑棋已经下过的棋子；whi_chessed：保存白棋已经下过过的棋子；board：棋盘；窗口：窗口；var：用于标记选择玩家颜色的一个变量；var1：用于标记选择robot或ai的一个变量；可以：画布，用于绘制出棋盘；net_board：棋盘的点信息；robot：机器人；sgf：处理棋谱；cnn：cnnc神经网络。

其中代码如下：

def __init__(self):
        self.someoneWin = False
        self.humanChessed = False
        self.IsStart = False
        self.player = 0
        self.playmethod = 0
        self.bla_start_pos = [235, 235]
        self.whi_chessed = []
        self.bla_chessed = []
        self.board = self.init_board()
        self.window = Tk()
        self.var = IntVar()
        self.var.set(0)
        self.var1 = IntVar()
        self.var1.set(0)
        self.window.title("myGoBang")
        self.window.geometry("600x470+80+80")
        self.window.resizable(0, 0)
        self.can = Canvas(self.window, bg="#EEE8AC", width=470, height=470)
        self.draw_board()
        self.can.grid(row=0, column=0)
        self.net_board = self.get_net_board()
        self.robot = Robot(self.board)
        self.sgf = SGFflie()
        self.cnn = myCNN()
        self.cnn.restore_save()
    def init_board(self):
        """初始化棋盘"""
        list1 = [[-1]*15 for i in range(15)]
        return list1

2.棋盘布局：

其主要功能就是画出棋盘和棋子。具体代码如下：

def draw_board(self):
        """画出棋盘"""
        for row in range(15):
            if row == 0 or row == 14:
                self.can.create_line((25, 25 + row * 30), (445, 25 + row * 30), width=2)
            else:
                self.can.create_line((25, 25 + row * 30), (445, 25 + row * 30), width=1)
        for col in range(15):
            if col == 0 or col == 14:
                self.can.create_line((25 + col * 30, 25), (25 + col * 30, 445), width=2)
            else:
                self.can.create_line((25 + col * 30, 25), (25 + col * 30, 445), width=1)
        self.can.create_oval(112, 112, 118, 118, fill="black")
        self.can.create_oval(352, 112, 358, 118, fill="black")
        self.can.create_oval(112, 352, 118, 358, fill="black")
        self.can.create_oval(232, 232, 238, 238, fill="black")
        self.can.create_oval(352, 352, 358, 358, fill="black")
def draw_chessed(self):
        """在棋盘中画出已经下过的棋子"""
        if len(self.whi_chessed) != 0:
            for tmp in self.whi_chessed:
                oval = pos_to_draw(*tmp[0:2])
                self.can.create_oval(oval, fill="white")
        if len(self.bla_chessed) != 0:
            for tmp in self.bla_chessed:
                oval = pos_to_draw(*tmp[0:2])
                self.can.create_oval(oval, fill="black")
    def draw_a_chess(self, x, y, player=None):
        """在棋盘中画一个棋子"""
        _x, _y = pos_in_qiju(x, y)
        oval = pos_to_draw(x, y)
        if player == 0:
            self.can.create_oval(oval, fill="black")
            self.bla_chessed.append([x, y, 0])
            self.board[_x][_y] = 1
        elif player == 1:
            self.can.create_oval(oval, fill="white")
            self.whi_chessed.append([x, y, 1])
            self.board[_x][_y] = 0
        else:
            print(AttributeError("请选择棋手"))
        return

3.判断胜负条件：

根据是否是五子连在一线断定输赢。

def have_five(self, chessed):
        """检测是否存在连五了"""
        if len(chessed) == 0:
            return False
        for row in range(15):
            for col in range(15):
                x = 25 + row * 30
                y = 25 + col * 30
                if self.check_chessed((x, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x, y + 30), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x, y + 60), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x, y + 90), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x, y + 120), chessed) == True:
                    return True
                elif self.check_chessed((x, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 30, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 60, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 90, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 120, y), chessed) == True:
                    return True
                elif self.check_chessed((x, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 30, y + 30), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 60, y + 60), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 90, y + 90), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 120, y + 120), chessed) == True:
                    return True
                elif self.check_chessed((x, y), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 30, y - 30), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 60, y - 60), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 90, y - 90), chessed) == True and \
                                self.check_chessed((x + 120, y - 120), chessed) == True:
                    return True
                else:
                    pass
        return False
    def check_win(self):
        """检测是否有人赢了"""
        if self.have_five(self.whi_chessed) == True:
            label = Label(self.window, text="White Win!", background='#FFF8DC', font=("宋体", 15, "bold"))
            label.place(relx=0, rely=0, x=480, y=40)
            return True
        elif self.have_five(self.bla_chessed) == True:
            label = Label(self.window, text="Black Win!", background='#FFF8DC', font=("宋体", 15, "bold"))
            label.place(relx=0, rely=0, x=480, y=40)
            return True
        else:
            return False

得到的UI界面如下：

深度学习建模

1.初始化神经网络：

其中第一层和第二层为卷积层，第四层为全连接层，然后紧接着连接池化和softmax。和一般的CNN网络基本无异。基本参数见代码，如下：

def __init__(self):
        '''初始化神经网络'''
        self.sess = tf.InteractiveSession()
        # paras
        self.W_conv1 = self.weight_varible([5, 5, 1, 32])
        self.b_conv1 = self.bias_variable([32])
        # conv layer-1
        self.x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 225])
        self.y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 225])
        self.x_image = tf.reshape(self.x, [-1, 15, 15, 1])
        self.h_conv1 = tf.nn.relu(self.conv2d(self.x_image, self.W_conv1) + self.b_conv1)
        self.h_pool1 = self.max_pool_2x2(self.h_conv1)
        # conv layer-2
        self.W_conv2 = self.weight_varible([5, 5, 32, 64])
        self.b_conv2 = self.bias_variable([64])
        self.h_conv2 = tf.nn.relu(self.conv2d(self.h_pool1, self.W_conv2) + self.b_conv2)
        self.h_pool2 = self.max_pool_2x2(self.h_conv2)
        # full connection
        self.W_fc1 = self.weight_varible([4 * 4 * 64, 1024])
        self.b_fc1 = self.bias_variable([1024])
        self.h_pool2_flat = tf.reshape(self.h_pool2, [-1, 4 * 4 * 64])
        self.h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(self.h_pool2_flat, self.W_fc1) + self.b_fc1)
        # dropout
        self.keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
        self.h_fc1_drop = tf.nn.dropout(self.h_fc1, self.keep_prob)
        # output layer: softmax
        self.W_fc2 = self.weight_varible([1024, 225])
        self.b_fc2 = self.bias_variable([225])
        self.y_conv = tf.nn.softmax(tf.matmul(self.h_fc1_drop, self.W_fc2) + self.b_fc2)
        # model training
        self.cross_entropy = -tf.reduce_sum(self.y * tf.log(self.y_conv))
        self.train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-3).minimize(self.cross_entropy)
        self.correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(self.y_conv, 1), tf.argmax(self.y, 1))
        self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(self.correct_prediction, tf.float32))
        self.saver = tf.train.Saver()
        init = tf.global_variables_initializer()  # 不存在就初始化变量
        self.sess.run(init)
    def weight_varible(self, shape):
        '''权重变量'''
        initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)
        return tf.Variable(initial)
    def bias_variable(self, shape):
        '''偏置变量'''
        initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
        return tf.Variable(initial)
    def conv2d(self, x, W):
        '''卷积核'''
        return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    def max_pool_2x2(self, x):
        '''池化核'''
        return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

2.保存和读取模型：

def restore_save(self, method=1):
        '''保存和读取模型'''
        if method == 1:
            self.saver.restore(self.sess, 'save\model.ckpt')
            #print("已读取数据")
        elif method == 0:
            saver = tf.train.Saver(write_version=tf.train.SaverDef.V2)
            saver.save(self.sess, 'save\model.ckpt')
            #print('已保存')

3.建立预测函数和训练函数：

def predition(self, qiju):
        '''预测函数'''
        _qiju = self.createdataformqiju(qiju)
        pre = self.sess.run(tf.argmax(self.y_conv, 1), feed_dict={self.x: _qiju, self.keep_prob: 1.0})
        point = [0, 0]
        l = pre[0]
        for i in range(15):
            if ((i + 1) * 15) > l:
                point[0] = int(i*30 + 25)
                point[1] = int((l - i * 15) * 30 + 25)
                break
        return point
    def train(self, qiju):
        '''训练函数'''
        sgf = SGFflie()
        _x, _y = sgf.createTraindataFromqipu(qiju)
        for i in range(10):
            self.sess.run(self.train_step, feed_dict={
                self.x: _x,
                self.y: _y
            })
        self.restore_save(method=0)
    def train1(self, x, y):
        '''另一个训练函数'''
        for i in range(100):
            self.sess.run(self.train_step, feed_dict={
                self.x: x,
                self.y: y,
                self.keep_prob: 0.5
            })
        print('训练好了一次')
        #self.restore_save(method=0)

4.生成数据：

def createdataformqiju(self, qiju):
        '''生成数据'''
        data = []
        tmp = []
        for row in qiju:
            for point in row:
                if point == -1:
                    tmp.append(0.0)
                elif point == 0:
                    tmp.append(2.0)
                elif point == 1:
                    tmp.append(1.0)
        data.append(tmp)
        return data

其中此处CNN在棋盘应用和图像识别的不同之处在于，图像识别加载的参数来自于图像本身的指向值作为训练的参数，而此处训练的参数则是自定义的棋盘棋谱参数，例如说棋盘左上角的位置参数等等各个位置参数都是预先设定好的，通过加载棋谱即可以让电脑知道当时黑白棋子在该位置。然后通过加载各个位置以及胜负情况进行判断，最终电脑加载模型即可预测可能胜利的下棋位置，达到智能下棋效果。

最终效果：

作者简介：李秋键，CSDN博客专家，CSDN人达课作者硕士在读于农历矿业大学，开发有安卓武侠游戏一部，VIP视频解析，文意转换写作机器人等项目，发表论文若干，多次高数竞赛获奖等等。

声明：本文为作者原创投稿，未经允许不要转载。

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