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【UE4 C++】迷宫生成——DFS、Prim、Kruskal算法实现

DFS 算法

  • 主要步骤

    1. 初始化大地图，只有0和1的状态。其中，0和1分别代表道路和墙体，注意四周皆墙
    2. 靠近边缘随机选取状态为1的道路点，作为起点 a
    3. 在起点 a 的上下左右四个方向，跨两个寻找同样为1的道路点 c
      1. 如果找到，则将它们之间的墙体 b 打通，然后将 c 作为新的起点，然后继续进行第2步
      2. 如果四个方向都没有找到，则不断回退到上一点，直到找到有一点其他方向满足条件，然后继续查询
    4. 当查无可查的时候，迷宫也就填充完毕了

  • 效果

    • 这种算法生成的迷宫会有比较明显的主路

  • UE4 实现主要代码

    • 头文件

      点击查看代码 
      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
public:	
	UPROPERTY(VisibleAnywhere)
		USceneComponent* rootComp;
	UPROPERTY()
		TArray<UStaticMeshComponent*> roadrMeshs;
	UPROPERTY(EditAnywhere)
		UStaticMesh* PlaneMesh;
	UPROPERTY(EditAnywhere)
		UStaticMesh* BlockMesh;

	UPROPERTY(EditAnywhere)
		uint32 width;
	UPROPERTY(EditAnywhere)
		uint32 height;
	UPROPERTY(EditAnywhere)
		float playRate=0.2f; // 演示速度

	UPROPERTY(EditAnywhere)
		int32 creationMode=0; // 生成迷宫的方式，三选一
	
	UPROPERTY()
		FTimerHandle timerHandle;

	std::vector<std::vector<int32>>  roadArr; //迷宫矩阵
	TQueue<TTuple<int32, int32>> taskQueue; //绘制队列

public:	
	//改变mesh 生成道路
	void ChangeMesh();

	// 按照间隔规则，DFS算法生成迷宫
	// 此时 roadArr 中，0代表墙，1代表道路点，2代表已经确认过的道路点
	void Simple_CreateMaze();
	void Simple_DFSFindPath(int32 x, int32 y);
	bool Simple_checkPointValid(int32 x, int32 y);

    • CPP

      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
// 创建迷宫
void AMazeCreator::Simple_CreateMaze()
{
	roadArr = std::vector<std::vector<int32>>(width, std::vector<int32>(height, 0));
	//初始化
	for (int32 i = 0; i < (int32)width; i++) {
		for (int32 j = 0; j < (int32)height; j++)
		{
			UStaticMeshComponent* smComp = NewObject<UStaticMeshComponent>(this);
			smComp->SetupAttachment(rootComp);
			smComp->RegisterComponent();
			smComp->SetRelativeScale3D(FVector(1.0f));			
			smComp->SetRelativeLocation(FVector((j - (int32)height / 2) * 100, (i - (int32)width / 2) * 100, 0));
			
			//判断是否可以作为道路点
			bool bCanBeRoad = (i % 2) && (j % 2) && i * j != 0 && i != height - 1 && j != width - 1;
			roadArr[i][j] = (int32)bCanBeRoad;
			smComp->SetStaticMesh(bCanBeRoad ? PlaneMesh : BlockMesh);
			roadrMeshs.Add(smComp);
		}
	}
	Simple_DFSFindPath(1, 1); // 搜索
	GetWorld()->GetTimerManager().SetTimer(timerHandle,this, &AMazeCreator::ChangeMesh, playRate, true,1);
}

// 此时 roadArr 中，0代表墙，1代表道路点，2代表已经确认过的道路点
void AMazeCreator::Simple_DFSFindPath(int32 x, int32 y)
{

	roadArr[x][y] = 2;
	taskQueue.Enqueue(TTuple<int32, int32>(x, y));
	
	TArray<int32> offsetX = { -1, 0, 1, 0 };
	TArray<int32> offsetY = { 0, -1, 0, 1 };
	int32 randomInt = UKismetMathLibrary::RandomInteger(4); //随机某个方向开始
	for (int32 j = randomInt; j < randomInt + 4; ++j) {
		int32 i = j % 4;
		if (Simple_checkPointValid(x + offsetX[i] * 2, y + offsetY[i] * 2)) {
			roadArr[x + offsetX[i]][y + offsetY[i]] = 2;
			taskQueue.Enqueue(TTuple<int32, int32>(x + offsetX[i], y + offsetY[i]));
			Simple_DFSFindPath(x + offsetX[i] * 2, y + offsetY[i] * 2);   
		}		
	}
}

bool AMazeCreator::Simple_checkPointValid(int32 x, int32 y)
{
	return (0 < x && x < (int32)width - 1) && (0 < y && y < (int32)height - 1) && roadArr[x][y] == 1;
}

void AMazeCreator::ChangeMesh()
{
	TTuple<int32, int32> point;
	if (taskQueue.Dequeue(point) && roadrMeshs.Num() > 0) {
		roadrMeshs[point.Get<0>() * height + point.Get<1>()]->SetStaticMesh(PlaneMesh);
		roadrMeshs[point.Get<0>() * height + point.Get<1>()]->AddRelativeLocation(FVector(0, 0, -50));
	}
}

void AMazeCreator::BeginPlay()
{
	Super::BeginPlay();
	switch (creationMode) {
		case 0:Simple_CreateMaze(); break;
		case 1:Prim_CreateMaze(); break;
		case 2:Kruskal_CreateMaze(); break;
	}
}

随机Prim算法

  • 主要步骤

    1. 初始化大地图，只有0和1的状态。其中，0和1分别代表道路和墙体，注意四周皆墙
    2. 靠近边缘随机选取状态为1的道路点，作为起点 a
    3. 然后将 a 点周围所有的墙体点标记为待检测点，加入到待检测集合
    4. 从待检测集合随机取一个点 b ，判断顺着它方向的下一个点 c，是否是道路
      1. 如果是，则将这个待检测点墙体打通，将其移出待检测集合；将下一个点 c作为新的起点，重新执行第3步
      2. 如果不是就把这个待检测点移出待检测集合，重新作为墙体点
    5. 不断重复，直到待检测集合全部检查过，重新为空。

  • 效果及小结

    • 该算法不会出现明显的主路，迷宫相对比较自然，但迷宫的分岔路会比较多

  • UE4 实现主要代码

    • 头文件

      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
// 按照间隔规则，随机Prim算法生成迷宫
// 此时 roadArr 中，0代表墙，1代表道路点，2代表待确认的道路点，3代表已经确认过的道路点
TArray<TTuple<int32, int32,int32, int32>> CheckCache;   //待确定点和其再往外一点的坐标
void Prim_CreateMaze();
void Prim_FindPath(int32 x, int32 y);
bool Prim_checkPointValid(int32 x, int32 y, int32 checkState);

std::vector<std::vector<int32>>  roadArr; //迷宫矩阵
TQueue<TTuple<int32, int32>> taskQueue; //绘制队列

    • CPP

      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
// 创建迷宫
void AMazeCreator::Prim_CreateMaze()
{
	roadArr = std::vector<std::vector<int32>>(width, std::vector<int32>(height, 0));
	//初始化
	for (int32 i = 0; i < (int32)width; i++) {
		for (int32 j = 0; j < (int32)height; j++)
		{
			UStaticMeshComponent* smComp = NewObject<UStaticMeshComponent>(this);
			smComp->SetupAttachment(rootComp);
			smComp->RegisterComponent();
			smComp->SetRelativeScale3D(FVector(1.0f));			
			smComp->SetRelativeLocation(FVector((j - (int32)height / 2) * 100, (i - (int32)width / 2) * 100, 0));
			
			//判断是否可以作为道路点
			bool bCanBeRoad = (i % 2) && (j % 2) && i * j != 0 && i != width - 1 && j != height - 1;
			roadArr[i][j] = (int32)bCanBeRoad;
			smComp->SetStaticMesh(bCanBeRoad ? PlaneMesh : BlockMesh);
			roadrMeshs.Add(smComp);
		}
	}
	Prim_FindPath(1, 1); // 搜索
	GetWorld()->GetTimerManager().SetTimer(timerHandle,this, &AMazeCreator::ChangeMesh, playRate, true,1);
}

// 此时 roadArr 中，0代表墙，1代表道路点，2代表待确认的道路点，3代表已经确认过的道路点
void AMazeCreator::Prim_FindPath(int32 x, int32 y)
{
	roadArr[x][y] = 3;
	taskQueue.Enqueue(TTuple<int32, int32>(x, y));
	
	TArray<int32> offsetX = { -1, 0, 1, 0 };
	TArray<int32> offsetY = { 0, -1, 0, 1 };
	
	for (int32 i = 0; i < 4; ++i) {
		if (Prim_checkPointValid(x + offsetX[i], y + offsetY[i], 0)){	//判断周边一格是否是墙
			roadArr[x + offsetX[i]][y + offsetY[i]] = 2;				//设为待确定点
			CheckCache.Add(TTuple<int32, int32, int32, int32>(x + offsetX[i], y + offsetY[i], x + offsetX[i] * 2, y + offsetY[i] * 2)); //将其放入待确定点集合			
		}	
	}
	while (CheckCache.Num() > 0) {
		int32 idx = UKismetMathLibrary::RandomInteger(CheckCache.Num()); //随机选取待确定点
		int32 x1 = CheckCache[idx].Get<0>();
		int32 y1 = CheckCache[idx].Get<1>();
		int32 x2 = CheckCache[idx].Get<2>();
		int32 y2 = CheckCache[idx].Get<3>();
		if (Prim_checkPointValid(x2, y2, 1)){					//判断待确定点向外一点是否是道路点
			roadArr[x1][y1] = 3;								//待确定点转为确定点			
			taskQueue.Enqueue(TTuple<int32, int32>(x1, y1));	//将该点压入改变mesh队列
			CheckCache.Swap(idx, CheckCache.Num() - 1); //与最后一个元素交换，并移出
			CheckCache.Pop();

			Prim_FindPath(x2, y2); //递归，往外一点作为下次监测点
		}
		else {
			roadArr[x1][y1] = 0; //待确定点重新转为墙
			CheckCache.Swap(idx, CheckCache.Num() - 1); //与最后一个元素交换，并移出
			CheckCache.Pop();
		}
	}
	
}

bool AMazeCreator::Prim_checkPointValid(int32 x, int32 y, int32 checkState)
{
	return (0 < x && x < (int32)width - 1) && (0 < y && y < (int32)height - 1) && roadArr[x][y] == checkState;
}

随机Kruskal算法 (并查集)

  • 主要步骤

    1. 创建所有墙的列表（除了四边），并且创建所有单元的集合，每个集合中只包含一个单元。
    2. 随机从墙的列表中选取一个，取该墙两边分隔的两个单元
      1. 两个单元属于不同的集合，则将去除当前的墙，把分隔的两个单元连同当前墙三个点作为一个单元集合；并将当前选中的墙移出列表
      2. 如果属于同一个集合，则直接将当前选中的墙移出列表
    3. 不断重复第 2 步，直到所有墙都检测过

  • 效果及小结

    • 该算法同样不会出现明显的主路，岔路也比较多

  • UE4 实现主要代码

    • 头文件

      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
//随机Kruskal算法 (并查集)
TMap<TTuple<int32, int32>, TTuple<int32, int32>> rootArr;	//根节点
TMap<TTuple<int32, int32>, int32> rank;						//深度
TArray<TTuple<int32, int32>> blockArr;						//墙的列表 

TTuple<int32, int32>& Kruskal_Find(const TTuple<int32, int32>& coord);//查找根
void Kruskal_Union(const TTuple<int32, int32>& coord1, const TTuple<int32, int32>& coord2);
void Kruskal_CreateMaze();
void Kruskal_FindPath();

std::vector<std::vector<int32>>  roadArr; //迷宫矩阵
TQueue<TTuple<int32, int32>> taskQueue; //绘制队列

    • CPP

      //@本文原创地址 https://www.cnblogs.com/shiroe/p/15506909.html
// 创建迷宫
void AMazeCreator::Kruskal_CreateMaze()
{
	roadArr = std::vector<std::vector<int32>>(width, std::vector<int32>(height, 0));
	//初始化
	for (int32 i = 0; i < (int32)width; i++) {
		for (int32 j = 0; j < (int32)height; j++)
		{
			UStaticMeshComponent* smComp = NewObject<UStaticMeshComponent>(this);
			smComp->SetupAttachment(rootComp);
			smComp->RegisterComponent();
			smComp->SetRelativeScale3D(FVector(1.0f));			

			//判断是否可以作为道路点
			bool bCanBeRoad = (i % 2) && (j % 2) && i * j != 0 && i != width - 1 && j != height - 1;
			roadArr[i][j] = (int32)bCanBeRoad;
			smComp->SetStaticMesh(bCanBeRoad ? PlaneMesh : BlockMesh);
			smComp->SetRelativeLocation(FVector((j - (int32)height / 2) * 100, (i - (int32)width / 2) * 100, (int32)bCanBeRoad*-50));
			roadrMeshs.Add(smComp);

			//并查集初始化，不含边界
			if (i * j != 0 && i != width - 1 && j != height - 1) {
				TTuple<int, int> coord = TTuple<int, int>(i, j);
				rootArr.Emplace(coord, coord);	//初始化集合，每个集合的根都是自己
				rank.Add(coord, 1);
				if (!bCanBeRoad) {													//记录墙体
					blockArr.Add(coord);					
				}				
			}

		}
	}

	Kruskal_FindPath(); // 搜索
	GetWorld()->GetTimerManager().SetTimer(timerHandle,this, &AMazeCreator::ChangeMesh, playRate, true,1);
}

void AMazeCreator::Kruskal_FindPath()
{
	while (blockArr.Num()>0)
	{
		int32 idx = UKismetMathLibrary::RandomInteger(blockArr.Num()); //随机选取墙
		auto  coords= blockArr[idx];
		int32 x = coords.Get<0>();
		int32 y = coords.Get<1>();
		//取墙体两边的点
		TTuple<int32, int32> p1 = x % 2 ? TTuple<int32, int32>(x, y - 1) : TTuple<int32, int32>(x - 1, y);
		TTuple<int32, int32> p2 = x % 2 ? TTuple<int32, int32>(x, y + 1) : TTuple<int32, int32>(x + 1, y);
		if (roadArr[p1.Get<0>()][p1.Get<1>()] == 1      //被墙隔离的两条道路是否相交
			&& roadArr[p2.Get<0>()][p2.Get<1>()] == 1
			&& Kruskal_Find(p1) != Kruskal_Find(p2))
		{
			Kruskal_Union(p1, p2);			//合并两条无交集的道路
			rootArr[coords] = p1;			//该墙的根节点也应该变化
			roadArr[x][y] = 1;
			taskQueue.Enqueue(coords);  
		}

		blockArr.Swap(idx, blockArr.Num() - 1);
		blockArr.Pop();
	}
}

TTuple<int32, int32>& AMazeCreator::Kruskal_Find(const TTuple<int32, int32>& coord)
{
	if (rootArr[coord] != coord) //路径压缩
		rootArr[coord] = Kruskal_Find(rootArr[coord]);
	return rootArr[coord];
}

void AMazeCreator::Kruskal_Union(const TTuple<int32, int32>& coord1, const TTuple<int32, int32>& coord2)
{
	auto& root1 = Kruskal_Find(coord1);
	auto& root2 = Kruskal_Find(coord2);
	if (rank[root1] <= rank[root2])
		rootArr[root1] = root2;
	else
		rootArr[root2] = root1;
	if (rank[root1] == rank[root2] && root1 != root2)
		rank[root2]++;
}

其他参考

posted @ 2021-11-04 10:02  砥才人  阅读(3154)  评论(0)  编辑  收藏  举报