尋路演算法 A 演算法介紹

2021-07-01 21:20:34 字數 2106 閱讀 2798

原文:

遊戲開發中,較之控制物體移動,尋路演算法要複雜得多。例如:

物體初始位於地圖下方,目標是地圖頂部,如紅色線路所示,該物體向上走直至偵測到障礙,改變方向,繞了乙個大彎。而理想尋路系統需要類似藍色所示,通過搜尋更廣範圍以尋找更短路線。

灰色區域是凹陷形狀的障礙,可以通過凸包方式使得物體在凸包外移動。如下圖,虛擬障礙區域就是凸包區域(圖形學對凸包的解釋是剛好包圍乙個物體的凸多邊形,此處可引申為曲線)。

如果地圖較大路徑較長則使用尋路規劃,而對於區域性區域或短路徑使用改進的物體移動演算法。

將遊戲中的地圖轉化為計算機中的圖,每乙個方格是圖的頂點,而兩個相鄰方格之間是通過邊連線的,如圖所示:

大部分尋路演算法是應用於圖的,而非網格化的遊戲地圖。

dijkstra演算法簡而言之,就是從起始點開始訪問其相鄰節點,若該相鄰點之前未被檢測,並將該節點加入待檢查節點集合中,使用鬆弛演算法更新待檢查節點的路徑長度值。只要圖不存在負權值的邊,dijkstra演算法能夠確保找到最短路徑。在下圖中,粉色的方格為起始點,紫色的方格為目標點,青綠色的方格則為dijkstra演算法所掃瞄的節點。距離起始點越遠,顏色越淡。

貪心最好優先搜尋演算法對目標點的距離有乙個啟發值。對於待檢查節點集合,該演算法不是找距離起始點近的節點,而是選擇距離目標點近的節點。該演算法並不能保證尋找到最優路徑,卻能大大提高尋路速度,因其啟發式方法引導了路徑走向。舉例來說,如果目標節點在起始點的南方,那麼貪心最好優先搜尋演算法會將注意力集中在向南的路徑上。下圖中的黃色節點(顏色較淺節點)指示了具有高啟發值的節點(即到目標節點可能開銷較大的節點),而黑色(顏色較深節點)則是低啟發值的節點(即到目標節點的開銷較小的節點)。下圖說明相比於dijkstra演算法,貪心最好優先演算法能夠更加快速地尋路。

考慮前文中曾經提到的凹陷障礙物,dijkstra演算法仍然能夠尋找到最短路徑:

貪心最好優先演算法雖然做了較少的計算,但卻並不能找到一條較好的路徑。

問題在於最好優先搜尋演算法的貪心屬性。由於演算法僅考慮從目前節點到最終節點的開銷,而忽略之前路徑已經付出的開銷,因此即使在路徑可能錯誤的情況下仍然要移動物體。

2023年提出的a*演算法結合了貪心最好優先搜尋演算法和dijsktra演算法的優點。a*演算法不僅擁有啟發式演算法的快速,同時能夠保證生成確定的最短路徑。

下面我們主要討論a*演算法。a*十分靈活,能夠被應用於各種需要尋路的場景中。

與dijkstra演算法相似的是,a*演算法也能保證找到最短路徑。同時a*演算法也像貪心最好優先搜尋演算法一樣,使用一種啟發值對演算法進行引導。在剛才的簡單尋路問題中,它能夠像貪心最好優先搜尋演算法一樣快:

而在後面的具有凹陷障礙物的地圖中,a*演算法也能夠找到與dijkstra演算法所找到的相同的最短路徑。

該演算法的秘訣在於,它結合了dijkstra演算法使用的節點資訊(傾向於距離起點較近的節點),以及貪心最好優先搜尋演算法的資訊(傾向於距離目標較近的節點)。之後在討論a*演算法時,我們使用g(n)表示從起點到任意節點n的路徑花費,h(n)表示從節點n到目標節點路徑花費的啟發值。在上面的圖中,黃色體現了節點距離目標較遠,而青色體現了節點距離起點較遠。a*演算法在物體移動的同時平衡這兩者的值。定義f(n)=g(n)+h(n),a*演算法將每次檢測具有最小f(n)值的節點。

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