Bài tập lớn xây dựng chương trình ai cờ vua

Chương trình sẽ quản lý các trạng thái bàn cờ và thực hiện các thao tác cần thiết để AI chơi cờ vua một cách hiệu quả.. Yêu cu:  Xây dựng các lớp đói tượng trên các phương thức: 

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

Đinh Quang Dũng - 96670 Đào Trung Long Đặng Đình Phong

BÀI TẬP LỚN

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH AI CỜ VUA

HẢI PHÒNG - 2024

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

ĐINH QUANG DŨNG – 96670

ĐÀO TRUNG LONG – Mã sv ĐẶNG ĐÌNH PHONG -Mã sv BÀI TẬP LỚN XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH AI CỜ VUA

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN; MÃ SỐ: D114

CHUYÊN NGÀNH: CNTGiảng viên hướng dẫn: T.s Nguyễn Hạnh Phúc

HẢI PHÒNG - 2024

LỜI CẢM ƠN

Tác giả Bài tập lớn bày tỏ tình cảm của mình đối với các cá nhân, tập thể cơ quan, gia đình, các đơn vị đã giúp đỡ, cộng tác và tài trợ trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là T.s Nguyễn Hạnh Phúc Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tàinày là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tàiliệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả bài tập lớn của mình

ĐINH QUANG DŨNG – 96670

(ký) ĐÀO TRUNG LONG - Mã sv

(ký) ĐẶNG ĐÌNH PHONG - Mã sv

(ký)

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC

Trang MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

PHẦN MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Các lớp cần thiết

1.1.1 Lớp GameState

1.1.2 lớp CastleRights

1.1.3 Lớp Move

1.2 Các đối tượng

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CÁC L|P ĐỐI TƯ}NG

2.1 Lớp GameState

2.2 Lớp Move

2.3 Lớp CastleRights

CHƯƠNG 3 Thiết kế AI

3.1 Mục tiêu của AI

3.2 Phương pháp và các thuật toán

3.3 Lớp Danh

3.4 Hàm chính (main())

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Box Box1;// Khai bao Box1 la cua kieu Box

Box Box2;// Khai bao Box2 la cua kieu Box

chieurong

Box2.sdfsdf =2.3;

// thetich of box 1

thetich =Box1.chieucao *Box1.chieudai *Box1.chieurong;

def findMoveNegaMaxAlphaBeta(gs, validMoves, depth, alpha, beta,turnMultiplier):

global nextMove, counter

PHẦN MỞ ĐẦU

Bi ton:

Để xây dựng một chương trình AI chơi cờ vua sử dụng lập trình hướng đối tượng Chương trình sẽ quản lý các trạng thái bàn cờ và thực hiện các thao tác cần thiết để AI chơi cờ vua một cách hiệu quả

Yêu cu:

 Xây dựng các lớp đói tượng trên các phương thức:

 Các hàm trạng thái, quản lý,

 Cách thức di chuyển của các quân cờ

 Xây dựng các thuật toán phù hợp dể có thê tối ưu bước đi tiếp theo

Phân tích hoạt động của chương trình:

1 Bắt đầu ván cờ

 Khởi tạo bàn cờ với các nước đi cần thiết

2 AI thực hiện nước đi

 Sinh nước đi hợp lệ

 Tính toán nước đi tốt nhất bằng thuật toán MiniMax

 Cập nhật bàn cờ

3 Kiểm tra trạng thái ván cờ

 Kiểm tra ván cờ đã kết thúc hay chưa (hòa hoặc chiếu bí)

4 Lặp lại cho đến khi kết thúc

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Các lớp cần thiết

1.1.1 Lớp GameStates

- Chức năng: Quản lý trạng thái cờ vua

- Thuộc tính:

 board: Mảng 2D chứa trạng thái của bàn cờ

 whiteToMove: Xác định lượt chơi (trắng hoặc đen)

 moveLog: Nhật ký lưu lại các nước đi

 whiteKingLocation, blackKingLocation: Vị trí của Vua trắng và Vua đen

 checkMate, staleMate: Xác định tình trạng chiếu hết hoặc hòa cờ

 enpassantPossible: Ghi nhận ô mà nước bắt tốt qua đường có thể xảy ra

 currentCastlingRight: Ghi nhận quyền nhập thành hiện tại

 castleRightsLog: Lịch sử quyền nhập thành

- Phương thức:

 makeMove: Thực hiện một nước đi

 undoMove: Hoàn tác một nước đi

 getValidMove: Trả về các nước đi hợp lệ

 inCheck, squareUnderAttack: Xác định xem có bị chiếu hay không

 getAllPossibleMoves: Tìm tất cả nước đi hợp lệ

 updateCastleRights: Cập nhật quyền nhập thành

 Các hàm phụ trợ như getPawnMoves, getRookMoves,

getKingMoves… để tính nước đi cho từng quân cờ

1.1.2 Lớp CastleRights

- Chức năng: Ghi nhận và quản lý quyền nhập thành (castling).

- Thuộc tính:

wks: Nhập thành cánh vua cho quân trắng

bks: Nhập thành cánh vua cho quân đen

wqs: Nhập thành cánh hậu cho quân trắng

bqs: Nhập thành cánh hậu cho quân đen

Phương thức:

init : Hàm khởi tạo lớp.

1.1.3 Lớp Move

- Chức năng: Định nghĩa một nước đi cụ thể trong bàn cờ

- Thuộc tính:

 startRow, startCol: Vị trí bắt đầu của quân cờ.

 endRow, endCol: Vị trí kết thúc của quân cờ.

 pieceMoved: Quân cờ được di chuyển.

 pieceCaptured: Quân cờ bị ăn (nếu có).

 isPawnPromotion: Xác định nước phong cấp tốt.

 isEnpassantMove: Xác định nước bắt tốt qua đường.

Trong đoạn mã, các đối tượng của lớp được tạo như sau:

1 Đối tượng GameState:

 Được tạo khi gọi GameState() trong chương trình chính

 Chức năng: Quản lý toàn bộ trạng thái của ván cờ.

python

game_state = GameState()

2 Đối tượng CastleRights:

 Được khởi tạo bên trong lớp GameState để lưu thông tin nhập thành

 Ví dụ trong init của GameState:

python

self.currentCastlingRight = CastleRights(True, True, True, True)

3 Đối tượng Move:

 Được khởi tạo mỗi khi có nước đi được tạo ra

 Ví dụ trong các hàm như getPawnMoves, getRookMoves:python

moves.append(Move((r, c), (r - 1, c), self.board))

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CÁC LỚP ĐỐI TƯỢNG

Chương trình bao gồm 4 lớp đối tượng: GameState, Move, CastleRights

2.1 Lớp GameState

 Mục đích: Lớp này sẽ quản lý toàn bộ trạng thái của ván cờ, bao gồm bảng cờ, lượt đi của người chơi, các nước đi đã thực hiện, và trạng thái của trò chơi (ví dụ: chiếu hết, hòa cờ)

o undoMove(): Hoàn tác một nước đi trước đó

o getValidMoves(): Trả về các nước đi hợp lệ cho quân hiện tại

o isCheck(): Kiểm tra nếu có tình trạng chiếu

o getGameStatus(): Trả về trạng thái hiện tại của trò chơi (chiếu hết, hòa cờ, hoặc tiếp tục)

2.2 Lớp Move

 Mục đích: Lớp này đại diện cho một nước đi cụ thể trong trò chơi, bao gồm

vị trí bắt đầu, vị trí kết thúc, quân cờ được di chuyển và các thuộc tính liên quan đến nước đi đó (như phong cấp, bắt tốt qua đường)

 Thuộc tính:

o  startRow, startCol: Vị trí bắt đầu của quân cờ

o  endRow, endCol: Vị trí kết thúc của quân cờ

o  pieceMoved: Quân cờ bị di chuyển (ví dụ: "P" cho tốt, "R" cho xe)

o  pieceCaptured: Quân cờ bị bắt (nếu có)

o  isPawnPromotion: Boolean xác định nếu quân tốt phong cấp

o  isEnpassantMove: Boolean xác định nếu đây là nước đi bắt tốt quađường

o wks: Boolean xác định quyền nhập thành cánh vua cho quân trắng.

o bks: Boolean xác định quyền nhập thành cánh vua cho quân đen

o wqs: Boolean xác định quyền nhập thành cánh hậu cho quân trắng

 Phương thức

o init : Khởi tạo các quyền nhập thành mặc định

o str : Trả về chuỗi mô tả quyền nhập thành

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ AI 3.1 Mục tiêu của AI

- AI sẽ tính toán và chọn nước đi tốt nhất từ trạng thái hiện tại của bàn cờ để tăng khả năng thắng trận đấu

3.2 Phương pháp và các thuật toán

3.2.1 Thuật toán MinMax

Minimax giả định cả hai bên đều chơi tối ưu Người chơi (AI) sẽ cố gắng tối đa hóa lợi ích của mình (Max), trong khi đối thủ sẽ giảm thiểu lợi ích

đó (Min).

AI thực hiện các nước đi giả lập

Tính toán giá trị của bàn cờ tại độ sâu nhất định dựa trên hàm đánh giá (scoring function)

Lựa chọn nước đi mang lại điểm số tốt nhất

3.2.2 Thuật toán Negamax

Negamax là phiên bản tối ưu của Minimax Thay vì tính toán riêng biệt cho Max và Min, nó dùng một hàm duy nhất với giá trị điểm số được phủ định (-score)

Lợi ích:

Giảm bớt mã nguồn cần viết

Hiệu suất tốt hơn khi triển khai

3.2.3 Cắt tỉa Alpha - Beta

Vấn đề: Minimax và Negamax duyệt tất cả các nước đi có thể dẫn đến tính

toán chậm khi không gian trạng thái quá lớn

Cải tiến: Cắt tỉa Alpha-Beta loại bỏ các nhánh không cần thiết trong cây trò

chơi mà không làm ảnh hưởng kết quả cuối cùng

Alpha: Giá trị tốt nhất mà người chơi Max có thể đảm bảo.

Beta: Giá trị tốt nhất mà người chơi Min có thể đảm bảo.

giờ chọn nhánh này), thì dừng xét nhánh đó.

3.3 Hàm đánh giá bàn cờ

3.3.1 Đánh giá dựa trên quân cờ

 Mỗi quân cờ trên bàn cờ được gán một điểm số cố định đại diện cho giá trị của nó:

Vua (K) 0 Không thể định giá

Hậu (Q) 10 Quân cờ mạnh nhất

Xe (R) 5 Quan trọng trong endgame

Tượng (B) 3 Đi trên đường chéo

Mã (N) 3 Linh hoạt ở trung tâm

Tốt (p) 1 Giá trị nhỏ nhưng quan trọng

Ví dụ:

Trắng có 1 Hậu, 2 Xe và 5 Tốt → 10 + 5*2 + 1*5 = 25

Tổng điểm: 25 - 15 = +10 → Trắng chiếm ưu thế.

3.3.2 Đánh giá vị trí dựa trên vị trí quân cờ

Quân cờ không chỉ có giá trị về mặt "vật chất" mà còn phụ thuộc vào vị trí của nó trên bàn cờ:

 Quân cờ ở trung tâm bàn cờ thường mạnh hơn

 Quân cờ ở biên hoặc góc ít linh hoạt hơn

Mã (Knight): Thường mạnh ở trung tâm bàn cờ.

Tượng (Bishop): Tốt hơn khi kiểm soát đường chéo dài.

Hàm đánh giá cuối cùng sẽ tổng hợp tất cả các yếu tố trên:

Score=Material Score+Positional Score+Other Factors

CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT CÁC LỚP VÀ THUẬT TOÁN 4.1 Lớp GameState

self.endCol = endSq[1]

self.pieceMoved = board[self.startRow][self.startCol]

self.pieceCaptured = board[self.endRow][self.endCol]

#kiem tra tot phong cap

self.isPawnPromotion = (self.pieceMoved == 'wp' and self.endRow == 0) or ( self.pieceMoved == 'bp' and self.endRow == 7)

# Trả về ký hiệu nước đi (ví dụ: e2e4)

return self.getRankFile(self.startRow, self.startCol) +

4.4 Thuật toán Minmax

def findBestMoveMinMaxNoRecursion(gs, validMoves): turnMultiplier = 1 if gs.whiteToMove else -1

4.5 Thuật toán Megamax

def findMoveNegaMax(gs, validMoves, depth, turnMultiplier): global nextMove, counter

counter += 1

if depth == 0:

return turnMultiplier * scoreBoard(gs)

4.6 Thuật toán cắt tỉa Alpha – Beta

def findMoveNegaMaxAlphaBeta(gs, validMoves, depth, alpha, beta, turnMultiplier):

global nextMove, counter

from Chess import SmartMoveFinder

from Chess import ChessEngine

# Kích thước cửa sổ và cấu hình bàn cờ

IMAGES[piece] = p.transform.scale(p.image.load("images/" + piece +

sqSelected = None # Ô vuông được chọn

playerClicks = [] # Theo dõi lần nhấp chuột

if e.type == p.QUIT:

running = False

# Điều khiển chuột

elif e.type == p.MOUSEBUTTONDOWN:

if not gameOver and humanTurn:

location = p.mouse.get_pos()

col = location[0] // SQ_SIZE

row = location[1] // SQ_SIZE

if sqSelected == (row, col):

elif e.type == p.KEYDOWN:

if e.key == p.K_z: # Hoàn tác nước đi

#Tạo bước đi AI

if not gameOver and not humanTurn:

AIMove = SmartMoveFinder.findBestMoveMinMaxNoRecursion(gs, validMoves)

if AIMove is None:

AIMove = SmartMoveFinder.findRandomMove(validMoves) gs.makeMove(AIMove)

winner = 'Black' if gs.whiteToMove else 'White'

drawText(screen, f'{winner} wins by checkmate')

def highlightSquares(screen, gs, validMoves, sqSelected):

if sqSelected is not None:

for move in validMoves:

if move.startRow == r and move.startCol == c:

screen.blit(s, (move.endCol * SQ_SIZE, move.endRow * SQ_SIZE))def drawGameState(screen, gs, validMoves, sqSelected):

def animateMove(move, screen, board, clock):

colors = [p.Color("white"), p.Color("gray")]

coords = []

dR = move.endRow - move.startRow

dC = move.endCol - move.startCol

framesPerSquare = 10

frameCount = (abs(dR) + abs(dC)) * framesPerSquare

for frame in range(frameCount + 1):

r, c = (move.startRow + dR * frame / frameCount, move.startCol + dC * frame / frameCount)

drawBoard(screen)

drawPieces(screen, board)

color = colors[(move.endRow + move.endCol) % 2]

endSquare = p.Rect(move.endCol * SQ_SIZE, move.endRow * SQ_SIZE,

p.draw.rect(screen, color, endSquare)

if move.pieceCaptured != ' ':

screen.blit(IMAGES[move.pieceCaptured], endSquare) p.display.flip()

clock.tick(60)

def drawText(screen, text):

font = p.font.SysFont("Helvetica", 32, True, False)

textObject = font.render(text, 0, p.Color('Gray'))

textLocation = p.Rect(0, 0, WIDTH, HEIGHT).move(WIDTH / 2 - textObject.get_width() / 2, HEIGHT / 2 - textObject.get_height() / 2) screen.blit(textObject, textLocation)

textObject = font.render(text, 0, p.Color("Black"))

screen.blit(textObject, textLocation.move(2, 2))

if name == ' main ':

main()

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

- Nhóm đã giải quyết được những gì theo yêu cầu của bài tập lớn

- Những điểm gì nhóm chưa làm được

- Hướng phát triển

2 Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Văn Ất, Lập trình Hướng đối tượng với C++, Nhà xuất bản KHKT,2015

[2] Allan B Downey , Think Python