A*尋路演算法C++簡單實現
阿新 • • 發佈：2019-02-18
參考文章：
A*尋路演算法是遊戲中常用的AI演算法，這裡用C++簡單實現了一下演算法，便於理解。
搜尋區域
如圖所示簡易地圖, 其中綠色方塊的是起點 (用 A 表示), 中間藍色的是障礙物, 紅色的方塊 (用 B 表示) 是目的地. 為了可以用一個二維陣列來表示地圖, 我們將地圖劃分成一個個的小方塊。
開始尋路
- 1.從起點A開始, 把它作為待處理的方格存入一個"開啟列表", 開啟列表就是一個等待檢查方格的列表.
- 2.尋找起點A周圍可以到達的方格, 將它們放入"開啟列表", 並設定它們的"父方格"為A.
- 3.從"開啟列表"中刪除起點 A, 並將起點 A 加入"關閉列表", "關閉列表"中存放的都是不需要再次檢查的方格
圖中淺綠色描邊的方塊表示已經加入 "開啟列表" 等待檢查. 淡藍色描邊的起點 A 表示已經放入 "關閉列表" , 它不需要再執行檢查.
從 "開啟列表" 中找出相對最適宜的方塊, 通過公式來計算.
F = G + H
其實這個公式就可以成為代價因子 ，計算方法多種多樣，需要仔細研究才能得出較優的演算法
- G 表示從起點 A 移動到網格上指定方格的移動耗費 (可沿斜方向移動).
- H 表示從指定的方格移動到終點 B 的預計耗費 (H 有很多計算方法, 本文程式碼使用簡單的歐幾里得距離計算方法).
我們假設橫向移動一個格子的耗費為10, 為了便於計算, 沿斜方向移動一個格子耗費是14. 為了更直觀的展示如何運算 FGH, 圖中方塊的左上角數字表示 F, 左下角表示 G, 右下角表示 H. 看看是否跟你心裡想的結果一樣?
從 "開啟列表" 中選擇 F 值最低的方格 C (綠色起始方塊 A 右邊的方塊), 然後對它進行如下處理:
（如果C上方和下方都是障礙物的話會走入死衚衕嗎？不會，根據演算法，這時候C會被直接放到關閉列表，沒有發生任何節點的F更新和父節點更新）
- 4.把它從 "開啟列表" 中刪除, 並放到 "關閉列表" 中.
- 5.檢查它所有相鄰並且可以到達 (障礙物和 "關閉列表" 的方格都不考慮) 的方格. 如果這些方格還不在 "開啟列表" 裡的話, 將它們加入 "開啟列表", 計算這些方格的 G, H 和 F 值各是多少, 並設定它們的 "父方格" 為 C.
- 6.如果某個相鄰方格 D 已經在 "開啟列表" 裡了, 檢查如果用新的路徑 (就是經過C 的路徑) 到達它的話, G值是否會更低一些, 如果新的G值更低, 那就把它的 "父方格" 改為目前選中的方格 C, 然後重新計算它的 F 值和 G 值 (H 值不需要重新計算, 因為對於每個方塊, H 值是不變的). 如果新的 G 值比較高, 就說明經過 C 再到達 D 不是一個明智的選擇, 因為它需要更遠的路, 這時我們什麼也不做.
如圖, 我們選中了 C 因為它的 F 值最小, 我們把它從 "開啟列表" 中刪除, 並把它加入 "關閉列表". 它右邊上下三個都是牆, 所以不考慮它們. 它左邊是起始方塊, 已經加入到 "關閉列表" 了, 也不考慮. 所以它周圍的候選方塊就只剩下 4 個. 讓我們來看看 C 下面的那個格子, 它目前的 G 是14, 如果通過 C 到達它的話, G將會是 10 + 10, 這比 14 要大, 因此我們什麼也不做.
然後我們繼續從 "開啟列表" 中找出 F 值最小的, 但我們發現 C 上面的和下面的同時為 54, 這時怎麼辦呢? 這時隨便取哪一個都行, 比如我們選擇了 C 下面的那個方塊 D.
D 右邊已經右上方的都是牆, 所以不考慮, 但為什麼右下角的沒有被加進 "開啟列表" 呢? 因為如果 C 下面的那塊也不可以走, 想要到達 C 右下角的方塊就需要從 "方塊的角" 走了, 在程式中設定是否允許這樣走. (圖中的示例不允許這樣走)
就這樣, 我們從 "開啟列表" 找出 F 值最小的, 將它從 "開啟列表" 中移掉, 新增到 "關閉列表". 再繼續找出它周圍可以到達的方塊, 如此迴圈下去...
那麼什麼時候停止呢? —— 當我們發現 "開始列表" 裡出現了目標終點方塊的時候, 說明路徑已經被找到.
輸出路徑
如上圖所示, 除了起始方塊, 每一個曾經或者現在還在 "開啟列表" 裡的方塊, 它都有一個 "父方塊", 通過 "父方塊" 可以索引到最初的 "起始方塊", 這就是路徑.
演算法偽碼
把起始格新增到 "開啟列表"
do
{
尋找開啟列表中F值最低的格子, 我們稱它為當前格.
把它切換到關閉列表.
對當前格相鄰的8格中的每一個
if (它不可通過 || 已經在 "關閉列表" 中)
{
什麼也不做.
}
if (它不在開啟列表中)
{
把它新增進 "開啟列表", 把當前格作為這一格的父節點, 計算這一格的 FGH
if (它已經在開啟列表中)
{
if (用G值為參考檢查新的路徑是否更好, 更低的G值意味著更好的路徑)
{
把這一格的父節點改成當前格, 並且重新計算這一格的 GF 值.
}
} while( 目標格已經在 "開啟列表", 這時候路徑被找到)
如果開啟列表已經空了, 說明路徑不存在.
最後從目標格開始, 沿著每一格的父節點移動直到回到起始格, 這就是路徑.
C++實現程式碼
Astar.h
#pragma once
/*
//A*演算法物件類
*/
#include <vector>
#include <list>
const int kCost1=10; //直移一格消耗
const int kCost2=14; //斜移一格消耗
struct Point
{
int x,y; //點座標，這裡為了方便按照C++的陣列來計算，x代表橫排，y代表豎列
int F,G,H; //F=G+H
Point *parent; //parent的座標，這裡沒有用指標，從而簡化程式碼
Point(int _x,int _y):x(_x),y(_y),F(0),G(0),H(0),parent(NULL) //變數初始化
{
}
};
class Astar
{
public:
void InitAstar(std::vector<std::vector<int>> &_maze);
std::list<Point *> GetPath(Point &startPoint,Point &endPoint,bool isIgnoreCorner);
private:
Point *findPath(Point &startPoint,Point &endPoint,bool isIgnoreCorner);
std::vector<Point *> getSurroundPoints(const Point *point,bool isIgnoreCorner) const;
bool isCanreach(const Point *point,const Point *target,bool isIgnoreCorner) const; //判斷某點是否可以用於下一步判斷
Point *isInList(const std::list<Point *> &list,const Point *point) const; //判斷開啟/關閉列表中是否包含某點
Point *getLeastFpoint(); //從開啟列表中返回F值最小的節點
//計算FGH值
int calcG(Point *temp_start,Point *point);
int calcH(Point *point,Point *end);
int calcF(Point *point);
private:
std::vector<std::vector<int>> maze;
std::list<Point *> openList; //開啟列表
std::list<Point *> closeList; //關閉列表
};
Astar.cpp
#include <math.h>
#include "Astar.h"
void Astar::InitAstar(std::vector<std::vector<int>> &_maze)
{
maze=_maze;
}
int Astar::calcG(Point *temp_start,Point *point)
{
int extraG=(abs(point->x-temp_start->x)+abs(point->y-temp_start->y))==1?kCost1:kCost2;
int parentG=point->parent==NULL?0:point->parent->G; //如果是初始節點，則其父節點是空
return parentG+extraG;
}
int Astar::calcH(Point *point,Point *end)
{
//用簡單的歐幾里得距離計算H，這個H的計算是關鍵，還有很多演算法，沒深入研究^_^
return sqrt((double)(end->x-point->x)*(double)(end->x-point->x)+(double)(end->y-point->y)*(double)(end->y-point->y))*kCost1;
}
int Astar::calcF(Point *point)
{
return point->G+point->H;
}
Point *Astar::getLeastFpoint()
{
if(!openList.empty())
{
auto resPoint=openList.front();
for(auto &point:openList)
if(point->F<resPoint->F)
resPoint=point;
return resPoint;
}
return NULL;
}
Point *Astar::findPath(Point &startPoint,Point &endPoint,bool isIgnoreCorner)
{
openList.push_back(new Point(startPoint.x,startPoint.y)); //置入起點,拷貝開闢一個節點，內外隔離
while(!openList.empty())
{
auto curPoint=getLeastFpoint(); //找到F值最小的點
openList.remove(curPoint); //從開啟列表中刪除
closeList.push_back(curPoint); //放到關閉列表
//1,找到當前周圍八個格中可以通過的格子
auto surroundPoints=getSurroundPoints(curPoint,isIgnoreCorner);
for(auto &target:surroundPoints)
{
//2,對某一個格子，如果它不在開啟列表中，加入到開啟列表，設定當前格為其父節點，計算F G H
if(!isInList(openList,target))
{
target->parent=curPoint;
target->G=calcG(curPoint,target);
target->H=calcH(target,&endPoint);
target->F=calcF(target);
openList.push_back(target);
}
//3，對某一個格子，它在開啟列表中，計算G值, 如果比原來的大, 就什麼都不做, 否則設定它的父節點為當前點,並更新G和F
else
{
int tempG=calcG(curPoint,target);
if(tempG<target->G)
{
target->parent=curPoint;
target->G=tempG;
target->F=calcF(target);
}
}
Point *resPoint=isInList(openList,&endPoint);
if(resPoint)
return resPoint; //返回列表裡的節點指標，不要用原來傳入的endpoint指標，因為發生了深拷貝
}
}
return NULL;
}
std::list<Point *> Astar::GetPath(Point &startPoint,Point &endPoint,bool isIgnoreCorner)
{
Point *result=findPath(startPoint,endPoint,isIgnoreCorner);
std::list<Point *> path;
//返回路徑，如果沒找到路徑，返回空連結串列
while(result)
{
path.push_front(result);
result=result->parent;
}
// 清空臨時開閉列表，防止重複執行GetPath導致結果異常
openList.clear();
closeList.clear();
return path;
}
Point *Astar::isInList(const std::list<Point *> &list,const Point *point) const
{
//判斷某個節點是否在列表中，這裡不能比較指標，因為每次加入列表是新開闢的節點，只能比較座標
for(auto p:list)
if(p->x==point->x&&p->y==point->y)
return p;
return NULL;
}
bool Astar::isCanreach(const Point *point,const Point *target,bool isIgnoreCorner) const
{
if(target->x<0||target->x>maze.size()-1
||target->y<0||target->y>maze[0].size()-1
||maze[target->x][target->y]==1
||target->x==point->x&&target->y==point->y
||isInList(closeList,target)) //如果點與當前節點重合、超出地圖、是障礙物、或者在關閉列表中，返回false
return false;
else
{
if(abs(point->x-target->x)+abs(point->y-target->y)==1) //非斜角可以
return true;
else
{
//斜對角要判斷是否絆住
if(maze[point->x][target->y]==0&&maze[target->x][point->y]==0)
return true;
else
return isIgnoreCorner;
}
}
}
std::vector<Point *> Astar::getSurroundPoints(const Point *point,bool isIgnoreCorner) const
{
std::vector<Point *> surroundPoints;
for(int x=point->x-1;x<=point->x+1;x++)
for(int y=point->y-1;y<=point->y+1;y++)
if(isCanreach(point,new Point(x,y),isIgnoreCorner))
surroundPoints.push_back(new Point(x,y));
return surroundPoints;
}
main.cpp
#include <iostream>
#include "Astar.h"
using namespace std;
int main()
{
//初始化地圖，用二維矩陣代表地圖，1表示障礙物，0表示可通
vector<vector<int>> maze={
{1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1},
{1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,0,1},
{1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,1},
{1,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,1},
{1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1},
{1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1},
{1,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,1},
{1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1}
};
Astar astar;
astar.InitAstar(maze);
//設定起始和結束點
Point start(1,1);
Point end(6,10);
//A*演算法找尋路徑
list<Point *> path=astar.GetPath(start,end,false);
//列印
for(auto &p:path)
cout<<'('<<p->x<<','<<p->y<<')'<<endl;
system("pause");
return 0;
}
ps：感謝評論中的@lnplnp_同學的反饋，已經已經根據提到的問題修復了程式碼中的bug，另外關於代價因子的計算是需要多方向研究和商榷的，沒有一個放之四海而皆準的通用計算公式
執行結果
