Modern Artificial Intelligence for Ancient Games
  
Cameron Browne

Thousands of games have left evidence of their existence scattered throughout history. They hide a wealth of information: for example, about the culture of the people that played them and about the cultural influences those players were subjected to. However, our knowledge about historical games is limited. What little we do know relies on interpretation. The Digital Ludeme Project aims to reconstruct the missing knowledge of ancient games using state-of-the-art artificial intelligence. The goal is to construct a ‘family tree’ of games, showing how games evolved and spread across the world.

Consider the Indian game of Pachisi and the Mexican game of Patolli. At first glance, they look remarkably similar: both game boards are shaped like a plus and some of the cells appear crossed out. Are they the same games? Do they share a common ancestor? While there is currently no way of knowing, the Asian and North-American games pre-date Columbus’ journey to the Americas in 1492. Columbus is typically credited with the discovery of a new continent, but the obvious similarities between Pachisi and Patolli raise some questions.

Pachisi (left) and Patolli (right). Image credit: Daniel Schwen (right, CC BY-SA 4.0)

Of course, it could all be a coincidence. Pachisi and Patolli may not be the same game, and even if they are, they could have arisen independently. There is no way of telling without knowing the details of these games. For example, the boards used to play chess and checkers appear alike, but the games are far from identical. Conversely, two chess sets may look different while they are still used to play the same game. We can say this only because we know chess and checkers well.

Reconstructing Lost Knowledge with Ludii

This is not the case for the vast majority of ancient games. Scholars learned of them through artefacts hidden away in tombs, travel diaries, boards carved out in rocks or hieroglyphs, for example. Based on such limited information, it is impossible to determine whether games are related, and where and when those relations came about. The Digital Ludeme Project aims to fill these gaps in historical knowledge. To do this, we are developing an advanced platform that uses artificial intelligence to reconstruct approximately one thousand historical games.

The Royal Game of Ur – The origins of the Royal Game of Ur trace back to Mesopotamia. The wooden game board pictured on the left was excavated in Iraq and is estimated to be between 4300 and 4600 years old. The rules of the game were only discovered in 1990, when British Museum curator Irving Finkel realised that two Sumerian clay tablets (one shown right) described how to play the Royal Game of Ur. By then, one of the tablets had already been destroyed 50 years ago during World War II, only its photograph surviving.                                                                  Image credit: Fæ (right, CC BY-SA 3.0)

The platform, Ludii, incorporates different types of information in its reconstructions. It relies on archeological data sourced from archives and museums around the world. Ludii also draws from historical knowledge, for example about trade routes like the Silk Road and travels undertaken by the Vikings. Furthermore, the platform simulates playing the game like a human being would. Ideally, its reconstructed games are in line with the human perception of ‘fun’. Lastly, Ludii draws from its own predictions. For example, over time Ludii will be able to tell how likely it is for a game to appear during a certain time period and to adjust its findings for historical accuracy. The combination of disciplines and methods is unique enough to warrant the founding of an entire new field of study: digital archeoludology.

Senet – The game set on the left has the name of pharaoh Amenhotep III inscribed in it, who ruled Ancient Egypt around 1350 BC. Many similar game sets survived, yet the only clues for how to play Senet come from hieroglyphs. The image to the right shows the Egyptian Queen Nefertari on a hieroglyph found in her tomb. Other hieroglyphs show Senet as the two-player game it probably was; even so, it remains unclear what the rules really were. Multiple versions of the game’s rules are in use today.                                           Image credit: Charles Edwin Wilbour Fund, Brooklyn Museum (left, CC-BY)

Advancing Game Studies through Ludemes

The power of Ludii comes from the way we break down a game’s rules and properties. Such properties may include the number of players, the way pieces can move across the board or victory conditions. Each property is converted into a small piece of computer code, a so-called ludeme. Together, all ludemes used to model a game form its unique fingerprint. Ludii can easily exchange ludemes and evaluate the outcome of different combinations. The end result is a probable reconstruction of each historical game. We can then compare games to each other and see how closely they are related based on the amount of ludemes they share.

Ludemes offer a uniquely powerful approach to modeling games in general. Both programmers and computers benefit from their relative simplicity. Ludemes are easier to program and adjust than current methods. Their use also drastically reduces computation times. It is only through ludemes that the project can span 1,000+ games, and we hope to implement our method as an optimized and standardized way for describing and modeling games.

Hnefatafl – This game was played by the Vikings and spread on their travels. There is no known record of the game’s original rules, and modern renditions are based on notes that Carolus Linnaeus made (in Latin) while watching the related game of Tabut being played in Lappland in 1732. Unfortunately, these notes were mistranslated in 1811 and the "official" rule set published in 1913 contains a critical flaw that makes the game all but unwinnable for the defending player. Players have been correcting this mistake ever since, resulting in many different versions of Hnefatafl today.                     Image credit: National Museum of Iceland (collection of ancient Hnefatafl pieces)

Ancient Games, Modern Implications

Ultimately, we aim to create a family tree of board games going back as far as recorded history itself. The family tree will reveal the cultural spread of games and of the mathematical principles behind the way they are played. As such, the Digital Ludeme Project has the potential to uncover new perspectives on history and will shed light on what happened with Pachisi and Patolli, among other cases.

Last, but not least, researchers, game fans and future archaeologists alike will benefit from the rigorous evaluation of ancient game rules. Ludii and its output will be publicly available for anyone to use; all games will be made available online, where anyone can play against their friends or even against Ludii itself.

The Digital Ludeme Project runs from 2018 until 2023. It is supported by a €2 million ERC Consolidator Grant from the European Research Council to Dr. Cameron Browne.

DUTCH VERSION

Moderne kunstmatige intelligentie voor eeuwenoude spellen

Duizenden spellen hebben hun sporen achtergelaten in de geschiedenis. Ze kunnen ons veel vertellen, bijvoorbeeld over de cultuur van de mensen die ze speelden en over de culturele invloeden waar die spelers aan werden blootgesteld. Helaas is onze kennis van historische spellen zeer beperkt. De dingen die we wel weten zijn gekleurd door interpretatie. Het Digital Ludeme-project hoopt de gaten in onze kennis op te vullen met behulp van de nieuwste technieken op het gebied van kunstmatige intelligentie. Uiteindelijk moet een ‘familieboom’ van zo’n duizend spellen ontstaan, die laat zien hoe de spellen zich ontwikkelden en verspreidden over de wereld.

Neem bijvoorbeeld het Indiase spel Pachisi en het Mexicaanse spel Patolli. Op het eerste oog lijken ze sterk op elkaar. Beide spelborden hebben de vorm van een plus, sommige vakjes zijn afgekruisd. Zijn Pachisi en Patolli dezelfde spellen? Of zijn ze wellicht uit hetzelfde oer-spel ontstaan? Momenteel is daar niks over te zeggen. Maar: de Aziatische en Noord-Amerikaanse spellen dateren van vóór de reis van Columbus in 1492. Hoewel Columbus door die reis vaak de ontdekking van een nieuw continent krijgt toegedicht, hebben de overeenkomsten tussen Pachisi en Patolli wetenschappers doen afvragen of iemand Columbus misschien voor was, en of de sterk gelijkende spellen daar getuige van zijn.

Pachisi (links) en Patolli (rechts) Foto: Daniel Schwen (rechts, CC BY-SA 4.0)

Het kan toeval zijn. Pachisi en Patolli zijn misschien niet hetzelfde, en als dat wel zo is, ontstonden ze misschien op twee plekken tegelijk. Zonder de achtergrond van de spellen te kennen is daar geen uitspraak over te doen. Schaakborden en damborden lijken bijvoorbeeld sterk op elkaar, maar de spellen verschillen sterk. Tegelijkertijd kunnen twee schaaksets er anders uitzien, terwijl ze voor hetzelfde spel gebruikt worden. We kunnen die conclusies makkelijk trekken omdat we veel over deze moderne spellen weten.

Ludii haalt verloren kennis terug

Dat is niet het geval voor de meeste historische spellen. Historici kennen ze bijvoorbeeld als artefacten uit graftombes, van beschrijvingen uit reisdagboeken, via spelborden uitgehakt in rotsformaties of van hiëroglyfen. Op basis van zulke beperkte informatie is het onmogelijk om de verbanden tussen de spellen te ontdekken, laat staan om te weten waar of wanneer die verbanden ontstaan zijn. Het Digital Ludeme-project vult onze historische kennis aan. Hiervoor ontwikkelen we een platform dat kunstmatige intelligentie gebruikt om ongeveer duizend historische spellen te reconstrueren.

Het Koningsspel van Ur – De oorsprong van het Koningsspel van Ur ligt in Mesopotamië. Het houten bord links op de foto werd opgegraven in Irak en is waarschijnlijk tussen de 4300 en 4600 jaar oud. De regels van het spel zijn echter pas in 1990 ontdekt. Irving Finkel, curator van het British Museum, realiseerde zich toen dat twee Sumerische kleitabletten (een daarvan staat rechts op de foto) de regels van het Koningsspel van Ur bevatten. Een van de tabletten bestond toen al niet meer: het werd in de Tweede Wereldoorlog vernietigd. Van die tablet resteert alleen nog een foto. Foto: Fæ (rechts, CC BY-SA 3.0)

Het platform, Ludii, gebruikt uiteenlopende informatiebronnen bij het maken van reconstructies. Denk bijvoorbeeld aan archeologische data uit archieven en musea vanuit de hele wereld, en aan geschiedkundige kennis over handelsroutes als de Zijderoute of de reizen van de Vikingen. Ludii speelt de gereconstrueerde spellen daarnaast op het niveau van een gewone mens en toetst of ze aansluiten bij ons idee van ‘leuk’. Tenslotte leert Ludii van zijn eigen voorspellingen. Op den duur leert het systeem bijvoorbeeld welke soorten spellen bij welke tijdsperioden horen, en past het zijn voorspellingen daar op aan. Deze combinatie van wetenschappelijke disciplines en methodes is uniek genoeg om er een compleet nieuw onderzoeksveld aan te koppelen: digitale archeoludologie.

Senet – De naam ‘Amhenhotep III’ staat gegraveerd in de blauwe spelset links op de foto. Farao Amhenhotep III was koning van Egypte rond 1350 voor Christus. Er zijn veel soortgelijke Senet-sets gevonden, maar de enige hints over hoe we het spel moeten spelen komen van hiëroglyfen. De hiëroglyf rechts komt uit de graftombe van de Egyptische koningin Nefertari en laat zien hoe ze Senet speelt. Op andere hiëroglyfen staat Senet afgebeeld als spel voor twee spelers, wat het waarschijnlijk ook was. Desondanks blijft de onduidelijkheid over de spelregels bestaan. Vandaag de dag zijn dan ook meerdere versies van Senet in omloop. Foto: Charles Edwin Wilbour Fund, Brooklyn Museum (links, CC-BY)

Spelwetenschap verder brengen met behulp van ludemes

De kracht van Ludii ligt besloten in de manier waarop spellen worden voorgesteld als verzamelingen van spelregels en -eigenschappen. Dit kan het aantal spelers zijn, maar ook het type spelbord of de manier waarop een pion zich mag bewegen. Elke eigenschap wordt omgezet in een klein stukje computercode: een zogenaamde ludeme. Alle ludemes die samen een spel beschrijven vormen samen de unieke vingerafdruk van dat spel. Ludii kan de ludemes eenvoudig uitwisselen en bepalen welke combinatie het best overeenkomt met zowel de geschiedenis als de basisvoorwaarden waaraan een spel moet voldoen. Het eindresultaat is een waarschijnlijke reconstructie van spellen, die ons laat zien welke spellen elkaar hebben beïnvloed op basis van de hoeveelheid gedeelde ludemes.

Ludemes bieden daarnaast unieke voordelen voor het simuleren van spellen in het algemeen. Zowel programmeurs als computers hebben baat bij hun relatieve eenvoudigheid. Ludemes zijn makkelijker te programmeren en aan te passen dan de huidige standaardmethoden. Ze zorgen er ook voor dat de rekentijd van computers drastisch gereduceerd wordt. Alleen het gebruik van ludemes maakt het mogelijk dat het Digital Ludeme-project meer dan duizend spellen kan omvatten, en we hopen dat we deze methode zal worden gebruikt als geoptimaliseerde standaardmanier voor het omschrijven en programmeren van spellen.

Hnefatafl – Dit spel werd door de Vikingen gespeeld en verspreidde zich op hun reizen. Voor zover bekend bestaat er geen handleiding voor het spel. Moderne versies baseren zich op notities van Carolus Linnaeus, die tijdens een reis door Lapland in 1732 zag hoe het verwante spel Tablut werd gespeeld. Deze notities werden in 1811 echter verkeerd vertaald uit het Latijn. De ‘officiële’ set regels van Hnefatafl bevat daardoor een fout waardoor het voor één van de twee spelers bijna onmogelijk is om te winnen. Spelers corrigeren de regels daarom al sinds hun publicatie in 1913, waardoor Hnefatafl tegenwoordig op allerlei verschillende manieren wordt gespeeld. Foto: Nationaal Museum IJsland

Eeuwenoude spellen, moderne gevolgen

Uiteindelijk maken we een familieboom van spellen die net zo ver teruggaat als de geschreven geschiedenis zelf. De familieboom maakt het verspreiden van spellen en de wiskundige principes erachter zichtbaar. Op die manier kan het Digital Ludeme-project mogelijk nieuwe perspectieven geven op de geschiedenis van de mensheid en duidelijkheid geven over wat er met Pachisi en Patolli is gebeurd, naast talloze andere voorbeelden.

Onderzoekers, spelers en toekomstige archeologen hebben daarnaast allemaal baat bij deze grondige evaluatie van historische spellen. Ludii en zijn resultaten zijn straks voor iedereen beschikbaar. We willen daarnaast alle spellen online speelbaar maken, zodat iedereen tegen zijn vrienden of tegen Ludii kan spelen.

Het Digital Ludeme-project loopt van 2018 tot 2023. Het project wordt mogelijk gemaakt door een onderzoeksbeurs van €2 miljoen van de European Research Council aan Dr. Cameron Browne.

     Cameron Browne
     cambolbro@gmail.com