Actividad – Piedra, Papel o Tijeras

Objetivo

En esta actividad construiremos un videojuego en el que la computadora jugará contra nosotros al popular juego “piedra, papel o tijeras”. Y lo hará viendo e interpretando los gestos de nuestras manos. Esto es, tendrá que ser capaz de reconocer el gesto de la mano que simboliza cada una de las jugadas permitidas en el juego. En este vide puedes ver el resultado final, pare que te hagas una idea.

Aunque seguramente el 99% de la población conoce el juego, lo explicaremos para el 1% de la población restante. Dos jugadores se enfrentan, esconden tras la espalda una de sus manos y las colocan en una de las tres posibles posiciones: piedra, con el puño cerrado, papel, con la palma abierta o tijeras, con los dedos índice y anular extendidos y el resto contraídos. Entonces se entona el canto: “piedra, papel o tijeras”, y al terminarlo ambos jugadores muestran su jugada. Si ambos han jugado el mismo gesto empatan. Si no, la piedra gana a las tijeras, pues la rompe, la tijera al papel, pues lo corta y el papel a la piedra, pues la envuelve. Y así se repite jugada tras jugada hasta que los jugadores se aburren.

La intención de la aplicación que vamos a desarrollar es que uno de los jugadores sea la computadora, y el otro una persona. Teniendo en cuenta las reglas del juego, un posible análisis del problema sería el siguiente:

  1. Un objeto, al que llamaremos Árbitro dirá: “piedra, papel o tijeras”.
  2. Un objeto, al que llamaremos Computadora, jugará de manera aleatoria una de las tres posibles jugadas, y se almacenará en una variable. Podemos llamarla jugada_computadora.
  3. Un objeto, al que llamaremos Persona, activará la cámara de la computadora, y el jugador le mostrará su gesto, es decir, la jugada que ha elegido.
  4. El computador, a través del objeto Persona, reconocerá la jugada que corresponde al gesto del jugador, y cuando la confianza en el reconocimiento de la imagen sea suficientemente alta, almacenará el resultado en una variable. Podemos llamarla jugada_persona.
  5. Entonces, el objeto Árbitro, aplicando las reglas del juego, decidirá quién de los dos ha ganado y el juego termina.

Aunque parece que la computadora es juez y parte en el juego, no tiene porqué ser así. Recordemos que la computadoras es una máquina absolutamente obediente, solo hace lo que nosotros le ordenemos mediante nuestro programa, así que el objeto Computadora, cuando selecciona su juego, no tiene que usar la información que la computadora tiene sobre el gesto que ha usado la persona. Eso es algo que el programador decide. Por tanto la computadora no juega con ventaja. 

Pues bien, ¡vamos al lío! El análisis que hemos realizado parece fácil de convertir en un programa informático. Sin embargo, hay una parte que podría parecer muy complicada de implementar: el reconocimiento del gesto que la persona expone a la computadora a través de la cámara. Pero nosotros ya sabemos que este tipo de problemas se resuelve aplicando las técnicas de Machine Learning que estamos aprendiendo en este curso. Para resolver esa parte del problema podemos crear un modelo de ML capaz de reconocer los tres gestos del juego, y una vez que funcione correctamente, lo podemos usar, como cualquier otro bloque, en nuestro videojuego.

Comencemos por ahí. Por construir el modelo de ML. Abrimos el editor de LearningML y en la sección 1. Entrenar, creamos cuatro clases, una para cada jugada que llamaremos piedra, papel y tijeras, y la cuarta para reconocer la ausencia de gesto, que llamaremos sin gesto. Esta última nos vendrá bien para que la computadora no asocie por error una de las jugadas cuando aún no la hemos mostrado a la cámara.

A cada clase añadimos unas 30 imágenes del gesto que le corresponda. Es importante colocar la mano en distintas posiciones de la cámara, es decir, más arriba, más abajo, hacia la derecha, hacia la izquierda, más cerca, más lejos, etcétera. La intención es que el conjunto de imágenes sea representativo del gesto, y que el modelo sea capaz de reconocer cada gesto con independencia de la posición exacta que la mano ocupe en el cuadro de la cámara. 

Cuando hayamos completado el conjunto de entrenamiento, pasamos a la fase de aprendizaje para que el algoritmo de ML construya un modelo a partir de las imágenes. Esto lo hacemos haciendo clic en el botón “Aprender a reconocer imágenes” de la sección 2. Aprendizaje.

Construcción del modelo en la fase de aprendizaje

Y cuando haya finalizado, es el momento de probarlo y comprobar si funciona correctamente. Esto lo hacemos usando los controles de la sección 3. Probar. Hacemos clic en el botón con la cámara y comprobamos si los gestos que presentamos a la cámara se reconocen correctamente y con suficiente confianza.

Evaluación del modelo

Si durante la evaluación vemos que el modelo no está funcionando correctamente, hay que mejorar el conjunto de datos de entrenamiento, añadiendo o quitando imágenes a las clases que presentan problemas en la clasificación.

¡Y ya tenemos el modelo! Ahora hay que usarlo en el videojuego que vamos a construir. Este modelo constituirá el componente de Inteligencia Artificial de la aplicación. 

Ahora hacemos clic en el botón del gatito de Scratch, para iniciar la plataforma de programación. Una vez en ella, crearemos  3 objetos: uno para implementar las acciones del jugador, otro para las de la computadora y el último para el árbitro.

Primero eliminamos el objeto del gatito que viene por defecto y después creamos las variables jugada_persona y jugada_computadora, que almacenarán las jugadas realizadas por la persona y la computadora respectivamente. Además crearemos una lista, que llamaremos jugadas, con los elementos piedra, papel y tijera.

Ahora añadimos el objeto Persona usando la herramienta de creación manual de objetos. Se accede a ella haciendo clic en el desplegable de creación de objetos y eligiendo el botón del pincel. 

Usaremos Persona como nombre del objeto.

Y en la sección disfraces del editor de código añadiremos tres disfraces que se llamarán como las jugadas: piedra, papel y tijera. En cada uno de los disfraces dibujaremos algo que recuerde a una piedra, a un papel y a una tijera respectivamente. También puedes usar imágenes que descargues de internet o  fotografías que tú mismos hagas. 

Ahora vamos a crear el objeto Computadora copiando el objeto Persona y cambiándole el nombre. 

Finalmente, tenemos dos objetos con los mismos disfraces.

Por último, creamos el objeto Árbitro a partir de un objeto predefinido de Scratch.

Y nos quedará algo así:

Seleccionamos el objeto Árbitro y añadimos el siguiente código que implementa la cuenta atrás para sacar la jugada. 

El último bloque envía el mensaje “a jugar”, y será recogido tanto por el objeto Computadora como por Persona.

Comencemos con el código del objeto Computadora

Cuando hacemos clic en la bandera, es decir, cuando se inicia el programa, fijamos el tamaño del objeto a la mitad, lo colocamos a la izquierda de la pantalla y lo escondemos, pues aún no queremos mostrar la jugada de la computadora. Además, cuando reciba el mensaje “mostrar”, el objeto se mostrará. Este mensaje lo enviará el árbitro cuando las dos partes hayan realizado su jugada. Por último, cuando reciba el mensaje “a jugar”, el objeto genera un número aleatorio entre 1 y 3 (ambos inclusive) que será utilizado para elegir uno de los elementos de la lista jugadas, y almacenarlo en la variable jugada_computadora. Es decir, esta variable terminará conteniendo uno de los textos “piedra”, “papel” o “tijeras”. Finalmente, como hemos llamado a los disfraces con los nombres de las jugadas, podemos usar el contenido de la variable jugada_computadora  para seleccionar el disfraz que mostrará la computadora. 

Llegados a este punto puedes probar el código. Si todo va bien el árbitro dará comienzo al juego y la computadora seleccionará su jugada.

A continuación añadimos el siguiente código al objeto Persona.

Igual que con el objeto Computadora, cuando se hace clic en la bandera, se fija el tamaño a la mitad, se coloca en la parte derecha de la pantalla y se esconde, pues no queremos que se vea la jugada de la persona hasta que no llegue el momento. Además, se apagará la cámara, pues como el juego aún no ha comenzado, no es necesaria.  Al recibir el mensaje “mostrar”, el objeto aparecerá en pantalla. Como ya hemos comentado, es el objeto Árbitro quien decide cuándo enviar ese mensaje.

Y la parte más compleja sucede cuando el objeto recibe el mensaje “a jugar”. Primero definiremos la transparencia de la cámara al 50%. Para usar ese bloque hay que añadir la extensión “sensor de video”. Se hace clic en el botón de abajo a la izquierda. Aparecen las extensiones disponibles entre las que se encuentra “sensor de video”. Una vez seleccionada ya tienes disponible dicho bloque.

El siguiente bloque activa la cámara. Este bloque se encuentra en la sección “learningml-images”. A continuación esperamos 1 segundo. Esto se hace con la intención de estabilizar la cámara de video. 

Creamos una variable llamada confianza, para almacenar la confianza del reconocimiento realizado por el modelo de ML, y le asignamos el valor inicial cero. A continuación, creamos un bucle que se repetirá hasta que se cumpla el valor de la confianza sea superior a 0.8 y además la clasificación realizada sea distinta “sin gesto”. Esta última nos garantiza que no se realizará lectura de la jugada hasta que la mano sea presentada a la cámara. Durante la ejecución del bucle la variable confianza se va actualizando con el valor calculado por el bloque “confianza para la imagen <imagen>” y la variable jugada_persona se carga con el valor dado por el bloque “clasificar imagen <imagen>”, es decir, con el resultado que ofrece nuestro modelo de ML. Ambos bloques se encuentran en la sección “learningml-images”. Por último ten en cuenta que estos bloques pueden leer la imagen de entrada desde uno de los disfraces del objeto o desde la cámara. En nuestro caso queremos que se haga desde la cámara. Por eso debes colocar el bloque “imagen de video” como argumentos de ambos bloques.

Cuando la persona presenta el gesto a la cámara y la condición de salida del bucle se ha cumplido, tenemos almacenado en la variable jugada_persona, el valor que el modelo de ML ha interpretado sobre el gesto de la persona. Y como hemos tenido la precaución de llamar a los nombre de las clases de jugadas igual que a los disfraces, esto es, “piedra”, “papel”, o “tijeras”, podemos usar el valor de la variable juagada_persona para fijar el disfraz que el objeto Persona debe mostrar. 

Por último apagamos la cámara y enviamos el mensaje “listo jugador”, para indicar al árbitro que la lectura del gesto del jugador ya se ha realizado correctamente.

Ahora volvemos al código del objeto Árbitro. Vamos a ocultar la representación de las variables y de la lista y a resolver el juego. Para ello usamos el siguiente código:

Aprovechamos para esconder todas las variables y colocar al árbitro en el centro de la pantalla. Además añadimos el programa que se ejecutará cuando el árbitro reciba el mensaje “listo jugador”, es decir, cuando ha sido interpretado correctamente el gesto mostrado por la persona a la cámara. Este programa, tal y como se ve en la imagen es muy sencillo: primero dice “Listo”, para indicar que ya se ha terminado la partida, después envía el mensaje “mostrar”, que es recibido por los objetos Computadora y Persona para aparecer en pantalla y mostrar el disfraz que corresponde a su jugada. Y por último se resuelve el juego en los bloques “si – si no” anidados.

Primero se comprueba si ambos jugadores han sacado la misma jugada, en cuyo caso se produce un empate. En caso contrario se comprueban todas las opciones ganadoras de la persona. Esto se hace en el bloque con forma de diamante que es tan largo que no cabe en la imagen. Construir la condición puede resultar algo lioso, pero no es difícil. Hay que concatenar dos bloques de condición “O”:

Meter en cada hueco un bloque de condición “Y”:

Y en cada uno de esos bloque conjuntivos (Y), meter una de las condiciones ganadoras:

Finalmente podemos añadir dos objetos sin código para indicar quién es la computadora y quién la persona.

Y con esto ya tenemos una versión sencilla del juego “piedras, papel o tijeras”. Ya solo nos queda probarlo y jugar.