原作者：Markus Dablander

摘要

电子游戏是人工智能（AI）天然的协同应用领域，既能提升玩家体验与沉浸感，也为AI技术提供了测试基准与虚拟环境。本报告概述了五个前沿AI技术在数字游戏中的应用方向，旨在为未来研究提供启发：

大型语言模型（LLM）用于游戏智能体建模

神经细胞自动机（NCA）用于程序化内容生成

深度替代建模加速高计算成本的游戏内模拟

自监督学习获取游戏状态表征

基于无标注视频数据训练交互式世界生成模型 报告还探讨了当前技术挑战，并指出未来需突破的关键领域

过去十年，深度学习推动了AI技术的突破性进展。游戏作为AI研究的试验场具有悠久历史（如国际象棋、围棋），而现代数字游戏（如《星际争霸II》《Dota 2》）因其复杂性与实时性成为AI研究新前沿。游戏与AI的协同关系体现在：

游戏为AI提供测试环境

AI为游戏开发提供创新工具

Yannakakis与Togelius提出AI在游戏中的三大核心应用：

游戏智能体建模（NPC、玩家行为模拟）

程序化内容生成（关卡、角色、音乐生成）

玩家建模（玩家行为与情感分析）

本报告聚焦前两大领域，结合最新技术探索其潜力。

LLM（如GPT-4、Llama 3）基于Transformer架构，通过自监督学习捕捉文本长程依赖关系，已应用于：

游戏关卡生成（如《超级马里奥》）

玩家评论情感分析

动态NPC对话系统

认知架构设计：

感知模块：将游戏状态转为文本描述

思考模块（LLM核心）：生成行动方案

行动模块：执行游戏内操作

角色扮演模块：注入NPC个性特征

学习模块：通过强化学习优化决策

案例：Park等人构建的虚拟村庄中，25个LLM驱动的NPC表现出自然对话、协作与社交关系更新能力（图1）。

细胞自动机（CA）通过局部规则生成复杂模式（如《生命游戏》），但传统CA存在可控性差的问题。神经细胞自动机（NCA）将CA的局部规则替换为可训练的神经网络，实现精准控制。

突破性研究：Mordvintsev等人（2020）证明NCA可通过梯度下降法生成任意目标图像（图2），并具备自修复能力。

游戏关卡生成（Earle等人利用NCA生成2D游戏关卡）

3D物体合成（如《我的世界》中的城堡与树木生成）

纹理与生态系统模拟

使用深度学习模型替代高计算成本的物理模拟（图3）：

数据生成：通过原始模拟创建训练集

模型训练：训练深度网络近似模拟结果

应用阶段：快速预测新输入的结果

案例：

量子化学计算：Gilmer等人的图神经网络将模拟速度提升10万倍

游戏环境生成：Bhatt等人用替代模型加速新环境生成

自监督学习无需标注数据，可提取通用特征嵌入，适用于：

玩家情感预测

游戏状态翻译为自然语言

输入：当前游戏画面（x）与玩家动作（z）

编码器（Φ_θ, Ψ_γ）：提取嵌入向量

预测器（P_η）：预测未来状态嵌入（图4）

案例：Trivedi等人证明自监督学习可有效预测敌人位置与足球运动员坐标。

架构：视频分词器 + 潜在动作模型 + 动态模型

功能：通过单张图像生成可交互的2D平台游戏

局限：帧率低（1帧/秒）、世界稳定性不足

扩展至3D：支持物理交互与角色动画

潜在应用：

游戏原型快速开发

机器人训练环境生成

计算成本：训练大模型需昂贵硬件

可解释性：神经网络决策机制不透明

数据需求：标注数据稀缺，隐私问题突出

泛化能力：模型易受边缘案例干扰

开发流程整合：传统游戏开发管线与AI工具兼容性差

解决方向：

自监督学习与合成数据降低标注需求

模型蒸馏与剪枝减少计算开销

可解释性研究提升模型透明度

本报告提出的五个方向展现了AI赋能游戏开发的巨大潜力，但也需突破技术瓶颈。未来研究应关注：

LLM与游戏智能体的认知泛化能力

NCA在复杂内容生成中的可控性

替代模型在实时游戏中的部署效率

自监督表征的跨任务迁移性

生成式模型的稳定性与多样性平衡

游戏不仅是AI技术的试验场，更是推动通用人工智能（AGI）发展的重要平台。通过解决当前挑战，AI将重塑游戏体验与开发范式。

报告来源：Beam Foundation委托研究，2025年公开版本。

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