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實 驗 報 告
實驗名稱： 五子棋實驗報告
姓名： 王文政 學 號： 201303011159
班級：計科13-1
學院： 信息學院
五子棋JAVA實驗報告
一、實驗目的和要求
1、能夠用編程語言實現一個簡單的五子棋程序
2、在實際系統中使用、實現人工智能的相關算法
3、進一步加深對人工智能算法的理解
二、五子棋的基本常識與原理
1、五子棋的起源
五子棋，是一種兩人對弈的純策略型棋類游戲，亦稱“串珠”、“連五子”；是中國民間非常熟知的一個古老棋種。相傳，它起源於四千多年前的堯帝時期，比圍棋的歷史還要悠久。亦有傳說，五子棋最初流行於少數民族地區，以后漸漸演變成圍棋並在炎黃子孫后代中遍及開來。
五子棋發展於日本，流行於歐美。容易上手，老少皆宜，而且趣味橫生，引人入勝；不僅能增強思維能力，提高智力，而且富含哲理，有助於修身養性。
傳統五子棋的棋具與圍棋相同，棋子分為黑白兩色，棋盤為19X19，棋子放置於棋盤線交叉點上。兩人對局，各執一色，輪流下一子，先將橫、豎或斜線的5個或5個以上同色棋子連成不間斷的一排者為勝。因為傳統五子棋在落子后不能移動或拿掉，所以也可以用紙和筆來進行游戲。
2、五子棋的基本常識
與任何一種競技棋一樣，五子棋的每一局棋也分為三個階段：開局，中局和殘局。
五子棋的開始階段稱為開局，或稱布局。其開局階段是十分短暫的，大約在七着與十幾着之間。在這一階段的爭奪中，雙方的布局，應對將對以后的勝負起着極為關鍵的作用。在開局階段取得的形勢好壞，主動與被動，先手與后手的優劣程度，往往直接影響中局的戰斗。因此積極處理好開局和開局向中局的過渡十分重要。
五子棋是從一至五，逐漸布子，發展連系，同時運用限制和反限制的智慧，在連子的過程中為自己的棋子爭得相對的主動權和優勢，逐步擴展優勢，或者從劣勢轉化為優勢，擊潰對方的防線，最后連五取勝或抓禁手取勝或迫使對方投子認負。
3、五子棋比賽的相關規定
(1) 職業連珠規則
a. 黑方先下子，白后下，從天元開始相互順序落子。
b. 最先在棋盤橫向、豎向、斜向形成連續的相同色五個棋子的一方為勝。
c. 黑棋禁手判負，白棋無禁手。黑棋禁手包括“三三”(包括“四三三”)、“四四”(包括“四四三”)、“長連”。即黑棋只能以“四三”取勝。 有關術語解釋請見圖示說明。
d. 如分不出勝負，則定為平局。對局中拔子、中途退場均判為負。
e. 五連與禁手同時形成，判勝。
(2) 比賽中的規定和特例
a. 對局開始前，雙方猜子，大數減小數，單數交換，偶數不換。
b. 白棋第一手(即盤面第二着棋)應在天元為界自己一側布子，主要以示尊重對方，之后雙方可任意行子。
c. 對局中雙方應遵守“職業連珠五子棋規則”，如出現爭議，應由裁判判定。
d. 對局中掉子(棋子掉落在棋盤上)的一方判負。如遇推子或蹭子，以盤面第一落點為准。用手將棋子扶正不算違規。
e. 對局中應禮貌行棋，防止不正常聲音、動作影響對方思考。
f.. 比賽結束后，雙方應將各自棋子放回原處。
g. 對局中如黑方出現禁手，白方應立即指出禁手點，黑方即負。如白方在黑方出現禁手后，又下一步白子，黑棋禁手則不成立了。
h. 比賽對局時間，雙方分別為15分鍾、1小時、2小時、5小時四個等級標准，超時判負。
(3) 特殊規定
職業五子棋雖然對黑棋采取了種種限制，但黑子先行的優勢依然很大。因此，在高段位的職業比賽中，又出現了三種特殊的規定。
a. 指定打法：是指比賽雙方按照約定好的開局進行對弈，由白棋先行。
b. 三手可交換：是指黑棋下盤面第3手棋后，白方在下第四手之前，如感覺黑方棋形不利於己方，可提出交換，即執白棋一方變為執黑棋一方，而黑方不可以不換。
c. 五手兩打法：是指黑棋在下盤面上關鍵的第5手棋時，必須下兩步棋，讓白棋在這兩步棋中拿掉一粒棋子，然后再繼續對弈。一般說來，白棋肯定拿掉對白方不利的一點，而保留對黑方較為不利的那點讓黑方行棋。
三、五子棋的系統設計
1、系統用例模型設計
五子棋系統應該具有選擇玩家先落子還是電腦先落子的功能，應該具有開始游戲和重新開始的功能，當然了，必須具有在玩家指定位置落子的功能。以上描述，用用例圖在圖1中做進一步描述。這部分功能，主要通過界面與系統的交互來實現。
圖1 五子棋系統的玩家用例圖
各個用例，簡單描述如下：
l 選擇電腦先落子：選擇后，在游戲過程中，由電腦執黑子，先落子；玩家執白子，於電腦后落子；
l 選擇玩家先落子：選擇后，在游戲過程中，由玩家執黑子，先落子；電腦執白子，於玩家后落子；
l 落子：原則上說，只要不違反禁手規則，在玩家鼠標點擊最近的落子點落子，但是在本系統中，簡單起見，沒有考慮禁手規則；
l 開始游戲：選擇后，根據設定的電腦還是玩家先落子，開始游戲；
l 重新開始：在游戲途中，可以選擇重新開始，中斷游戲並重新開始游戲。
同時，五子棋系統本身應該具有棋盤繪制、棋勢掃描、棋勢排序、棋勢評估、擇位落子，以及勝負判定的功能，尤其是對於棋勢排序、棋勢評估和擇位落子，這里是體現五子棋系統人工智能（AI）的關鍵之處。以上描述，用用例圖在圖2中進一步描述。
圖2 五子棋系統的系統用例圖
各個用例，簡單描述如下：
l 棋盤繪制：繪制19*19的棋盤及相關按鈕和選項，並負責電腦、玩家落子后棋子的具體繪制；
l 棋勢掃描：掃描目前棋盤上的所有八個方向上的落子情況，獲取整個對弈雙方的棋勢；
l 棋勢排序：對獲取的八個方向的棋勢（實際上下合一，左右合一，左下右上合一，坐上右下合一，為四個方向），進行排序，便於進行棋勢評估；
l 棋勢評估：分別對電腦和玩家的棋勢進行評估，量化棋勢；
l 擇位落子：比較電腦和玩家的棋勢，若有利於玩家，則采取“守、堵”的策略，若有利於電腦，則采取“攻、走”的策略；
l 勝負判定：每次電腦或是玩家落子后，判斷勝負情況，若出現“五子連珠”，則“連珠”一方取勝，另一方失敗，游戲結束。
2、系統界面設計
為了實現玩家的用例所需要的功能，同時又便於使用，五子棋系統的界面設計得比較簡單，如圖3所示。
整體界面為一個19*19的棋盤，在f-06、f-14、j-10、n-06、n-14這五個位置畫了一個小方塊，以提醒玩家棋盤的中央位置，便於把握有利位置落子。
在棋盤的右側是一些控制和提醒選項、按鈕和對弈狀態標簽。
其中，選項有“我是老大我先來”和“讓讓電腦也無妨”兩個。選擇前者，則玩家先落子；選擇后者，則電腦先落子。
按鈕有“人機對戰，快沖啊”和“不行了？那重來吧”兩個。單擊前者，則游戲開始；單擊后者，則中斷游戲，重新開始。
標簽有“就不告訴你是誰贏了”和“就不告訴你這是第幾步”兩個。前者是在游戲分出勝負后，顯示是黑方取勝還是白方取勝；后者是在游戲過程中，不論是電腦落子還是玩家落子，都提示現在是第幾步落子。
圖3 五子棋系統界面
3、系統模塊設計
為了實現五子棋系統本身具有的功能，將系統分為這幾個模塊：五子棋主模塊、棋勢掃描模塊、棋勢排序模塊、棋勢評估模塊以及隨機落子模塊。其中，五子棋主模塊實現棋盤繪制、勝負判定的功能，以及對弈過程中對比雙方棋勢的擇位落子模塊。棋勢掃描模塊、棋勢排序模塊、棋勢評估模塊分別實現棋勢掃描、棋勢排序、棋勢評估的功能；而隨機落子模塊則實現在前兩步棋勢尚未形成時，電腦緊鄰玩家落子位置隨機擇位落子的功能，是用例圖中擇位落子功能的一部分。
對應的，系統一共有五個類，分別對應五個模塊；分別為：五子棋主模塊Gobang類、棋勢掃描StatusScan類、棋勢排序StatusSort類、棋勢評估StatusEvaluation類，以及隨機落子RandomPlay類。類圖如圖4所示。
其中Gobang類中的屬性和方法並沒有完全列出，只列出了主要的屬性和方法；其余類基本列出了所有的屬性和方法。具體細節將在第四部分“五子棋的實現與測試”一節討論，這里不再贅述。
圖4 五子棋系統的類圖
四、五子棋的實現與測試
1、Gobang類的實現
Gobang類是五子棋的核心類，棋盤繪制、棋子落子，響應事件的處理，游戲的控制和模式設置，勝負判定，以及對棋勢掃描、排序、評估等的調用都在這里實現。Gobang類的類圖如圖5所示。
圖5 Gobang類類圖
其中棋盤的繪制，有paint()和init()來實現，棋子落子由setQizi()來實現，響應事件的處理也在這個類中添加監視器並處理，而游戲的控制和設置在Game_start()和Game_rastart()中實現，游戲勝負的判定由Judge()方法和四個判定不同方向上是否五子連珠的Game_win_*()函數來實現。而最為重要的棋勢掃描、排序和評估，則由其屬性scanp、scanc、sort、evaluatep、evaluatec分別調用它們的方法來實現。隨機落子由屬性randomPlay調用其方法實現。
2、StatusScan類的實現
StatusScan類通過掃描目前棋盤上的所有八個方向上的落子情況，獲取整個對弈雙方的棋勢。StatusScan類的類圖如圖6所示。
圖6 StatusScan類類圖
其中三維數組shape為一個20*20*5的數組，用來存儲所獲取的整個對弈雙方的棋勢。當然了，在實際實現中，實例化了兩個StatusScan類的對象scanp和scanc，這兩個對象分別用來存儲玩家的棋勢和電腦的棋勢。而statusScan()方法具體實現從棋盤上獲取整個棋勢的具體過程，參數chesspad存儲棋盤上的詳細落子情況，參數colour決定需要獲取的是黑方的棋勢還是白方的棋勢。具體掃描時，對於棋盤(i, j)處，有上下、左右、左下右上、坐上右下八個方向，但是統計時，將上下、左右、左下右上、左上右下分別合一，則一共有四個結果，分別存儲在shape[i][j][0]、shape[i][j][1]、shape[i][j][2]、shape[i][j][3]中。
3、StatusSort類的實現
StatusSort類對StatusScan類掃描得到的棋勢進行排序，以便於做進一步的棋勢評估。StatusSort類的類圖如圖7所示。
圖7 StatusSort類類圖
其中，StatusSort類只有一個方法statusSort()，參數shape即為StatusScan類掃描獲取的棋勢數據，該方法主要是對shape中的棋勢數據進行排序，使得shape數組滿足以下條件：
排序后的結果仍然存儲在shape數組中。
4、StatusEvaluation類的實現
StatusEvaluate類對StatusSort類排序過的棋勢進行評估，為對弈時電腦擇位落子提供依據。StatusEvaluate類的類圖如圖8所示。
圖8 StatusEvaluate類類圖
其中，StatusEvaluate類也只有一個方法statusEvaluate()，參數shape即為StatusSort類排序后的棋勢，該方法主要是根據棋盤上每一個位置(i, j)的棋勢數據shap[i][j][0]、shap[i][j][1]、shap[i][j][2]以及shap[i][j][3]的取值，計算該位置的棋勢評估值，並保存在shap[i][j][4]中。此外，還要比較每一個位置的棋勢評估值，將最大的評估值記錄在屬性max中，相應的位置坐標記錄在max_x和max_y中。
5、RandomPlay類的實現
RandomPlay類主要是在前兩步，棋勢尚未形成，在玩家落子后，電腦緊鄰玩家落子位置，隨機落子。RandomPlay類的類圖如圖9所示。
圖9 RandomPlay類類圖
其中，方法randomPlay()方法具體實現這一過程，屬性chesspad存儲目前棋盤上的落子情況，參數a、b即為玩家最近一次的落子位置。randomPlay()方法通過檢測隨機數的值，分別在緊鄰玩家落子(a, b)處的正上、正下、正左、正右、左下、右上、左上以及右下八個位置中的一個位置落子，最終選取的電腦落子位置，存儲在屬性x、y之中。
6、五子棋系統的測試
運行系統后，選擇“讓讓電腦也無妨”，單擊“人機對戰，快沖啊”，開始游戲。游戲過程中，能夠正確顯示相關的游戲信息，如圖10所示。
圖10 系統運行截圖
從圖中，可以看到“就不告訴你是誰贏了”標簽顯示的勝負信息“五子連珠白棋贏了”；而“就不告訴你這是第幾步”標簽顯示進度信息“這是第13步”。
五、分析與總結
通過五子棋實驗，從分析、設計、編程、調試，到最后運行成功，自己得到了很多的鍛煉。