Projekt nr 1 - generator ewolucyjny

3-rd semester, Object Oriented Programming, 2020/21

About

Niniejsza treść została zaadaptowana na podstawie opisu oraz ilustracji przygotowanych przez Wojciecha Kosiora. Inspiracją dla niego był z kolei książki "Land of Lisp" Conrada Barskiego, który zaś zainspirował się artykułem w "Scientific American" :-)

Cel projektu

Stwórzmy grę! Nie będzie to jednak gra, w którą my gramy. Zamiast tego będzie to świat, który ewoluuje na naszych oczach! Stworzymy środowisko stepów i dżungli ze zwierzętami, które biegają, buszują w zaroślach, jedzą i rozmnażają się. A po kilka milionach lat zobaczymy, że wyewoluowały w różne gatunki!

Świat naszej gry jest niezmiernie prosty. Składa się ze zwykłej, prostokątnej połaci, której brzegi zawijają się na drugą stronę. Większość świata pokrywają stepy, na których rośnie niewiele roślin stanowiących pożywienie zwierząt. Na środku świata znajduje się niewielka dżungla, gdzie rośliny rosną dużo szybciej.

Nasze zwierzęta, które są roślinożercami, będą przemierzały ten świat w poszukiwaniu pożywienia. Każde zwierzę ma określoną energię, która zmniejsza się co dnia. Znalezienie i zjedzenie rośliny zwiększa poziom energii o pewną wartość.

Rośliny będą wyrastały w losowych miejscach, ale ich koncentracja będzie większa w dżungli niż na stepie. Codziennie w naszym świecie pojawią się dwie nowe rośliny – jedna w każdej ze stref.

Anatomia zwierzęcia

Musimy śledzić kilka cech każdego zwierzęcia. Po pierwsze, zarówno w przypadku rośliny jak i tych, którzy je zjadają, musimy znać koordynaty x i y. Wskazują nam one, gdzie dane zwierzę lub roślina jest na mapie. Musimy także wiedzieć, ile energii ma dane zwierzę. To Darwinowska gra o przetrwanie, więc jeśli zwierzątko nie zdoła zdobyć odpowiedniej ilości pożywienia, będzie głodować i umrze. Atrybut "energia" mówi nam ile dni zostało jeszcze danemu zwierzątku. Musi ono koniecznie znaleźć więcej jedzenia, zanim zapas energii się wyczerpie. Musimy także pamiętać, w którą stronę zwrócone jest zwierzę. Jest to ważne, ponieważ będzie ono przechodzić na sąsiedni kwadracik na mapie świata każdego dnia. Jest osiem różnych możliwych obrotów.

Obrót 0 oznacza, że zwierzę nie zmienia swojej orientacji, obrót 1 oznacza, że zwierzę obraca się o 45°, 2, o 90°, itd. Przykładowo, jeśli zwierzę było skierowane na północ i obrót wynosi 1, to zwierzę skierowane jest na północny wschód.

Na koniec musimy także przechowywać geny zwierzaka. Każdy zwierzę ma 32 geny składające się z jednej liczby w zakresie od 0 do 7. Te geny reprezentują preferencje zwierzęcia względem określonego obrotu. Każdego dnia zwierzę zadecyduje czy dalej podążać w tym samym kierunku, czy skręcić i zwrócić się w inną stronę. Zrobi to na podstawie tych i losowo wybierze nowy kierunek. Szansa na wybranie odpowiedniej strony jest proporcjonalna do liczby genów reprezentujących określony obrót. Weźmy jako przykład zwierzę z genami: 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 6 6 7 7 7 7

To zwierzę najbardziej preferuje brak obrotu (p=0.25), na drugim miejscu jest obrót w prawo (2) oraz obrót w tył (4) (p=0.1875), następny w kolejności jest obrót o 315 stopni (p=0.125). Pozostałe obroty mają takie samo prawdopodobieństwo (p=0.0625).

Konsumpcja i rozmnażanie

Jedzenie jest prostym procesem. Zakładamy, że zwierzę zjada roślinę, gdy stanie na jej polu, a jego energia wzrasta wtedy o zdefiniowaną wartość.

Rozmnażanie jest zwykle najciekawszą częścią każdej symulacji ze zwierzętami. Zdrowe młode może mieć tylko zdrowa para rodziców, dlatego nasze zwierzęta będą się rozmnażać tylko jeśli mają odpowiednią ilość energii. Przy reprodukcji rodzice tracą na rzecz młodego jedną czwartą swojej energii.

Atrybuty urodzonego zwierzęcia są takie same jak rodzica, z wyjątkiem genów. Wszystkie geny dzielone są na 3 grupy w losowo wybranych miejscach (na wybranych indeksach). Dziecko otrzymuje 2 grupy genów od jednego rodzica oraz 1 grupę genów od drugiego rodzica. Wartości są porządkowane, a jeśli okazałoby się, że któryś kierunek (lub kierunki) zostały wyeliminowane, to losowo wybrane geny przyjmują wartość brakujących obrotów. Innymi słowy zwierzę zawsze posiada co najmniej jeden gen każdego obrotu.

Symulacja

Symulacja każdego dnia składa się z kilku kolejnych akcji:

• usunięcie martwych zwierząt z mapy,
• skręt i przemieszczenie każdego zwierzęcia,
• jedzenie (roślina jest zjadana przez zwierzę posiadające najwięcej energii lub kilka najsilnijeszych zwierząt, jeśli więcej niż jedno posiada taką samą, największą energię; w takim przypadku energia rośliny jest dzielona),
• rozmnażanie zwierząt (rozmnażają się zawsze dwa zwierzęta o najwyższej energii, jeśli występuje więcej zwierząt o tej samej energii, wybór jest losowy),
• dodanie nowych roślin do mapy.

Oczywiście na początku symulacji na środku świata umieszczamy jedno lub kilka zwierząt (Adam/Ewa).

Szczegółowe wymagania

1. Program ma wyświetlać animację pokazującą pozycję zwierząt, ich energię w dowolnej formie (np. koloru) oraz pozycje roślin.
2. Można użyć dowolnego sposobu wyświetlania animacji (również tekstowego), ale aniamcja nie może polegać na wyświetlaniu po sobie łańuchów tekstu (można natomiast wyświetlać łańcuchy tekstu w tym samym miejscu, wymaga to jednak użycia odpowiedniej biblioteki).
3. Program musi umożliwiać zatrzymywanie oraz wznawianie animacji w dowolnym momencie.
4. Program ma pozwalać na śledzenie następujących statystyk dla aktualnej sytuacji w symulacji:
   • liczby wszystkich zwierząt,
   • liczby wszystkich roślin,
   • dominujących genotypów,
   • średniego poziomu energii dla żyjących zwierząt,
   • średniej długości życia zwierząt dla martwych zwierząt,
   • średniej liczby dzieci dla żyjących ziwerząt.
5. Po zatrzymaniu programu można:
   • wskazać pojedyncze zwierzę, co powoduje wyświetlenie jego genomu,
   • wskazać pojedyncze zwierzę, w celu śledzenia jego historii:
     • określenie liczby wszystkich dziedzi, po n-epokach,
     • określenia liczby wszystkich potomków, po n-epokach,
     • określenie epoki, w której zmarło,
   • wskazać wszystkie zwierzęta z dominującym genomem.
6. Program ma umożliwić wyświetelenie symulacji jednocześnie na dwóch mapach, z identycznymi parametrami początkowymi, lecz niezależnie losowanymi decyzjami.
7. Program powinien umożliwiać uzyskanie statyski (jak w punkcie 4) po określonej liczbie epok w formie pliku tekstowego. Statystyki powinny stanowić uśrednienie wartości z poszczególnych epok