A算法详解word资料11页.docx

A算法详解word资料11页.docx

《A算法详解word资料11页.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《A算法详解word资料11页.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

A算法详解word资料11页

A算法详解

A*算法详解

A*算法详解

虽然掌握了A*算法的人认为它容易，但是对于初学者来说，A*算法还是很复杂的。

搜索区域（TheSearchArea）

我们假设某人要从A点移动到B点，但是这两点之间被一堵墙隔开。

如图1，绿色是A，红色是B，中间蓝色是墙。

你应该注意到了，我们把要搜寻的区域划分成了正方形的格子。

这是寻路的第一步，简化搜索区域，就像我们这里做的一样。

这个特殊的方法把我们的搜索区域简化为了2维数组。

数组的每一项代表一个格子，它的状态就是可走（walkalbe）和不可走（unwalkable）。

通过计算出从A到B需要走过哪些方格，就找到了路径。

一旦路径找到了，人物便从一个方格的中心移动到另一个方格的中心，直至到达目的地。

方格的中心点我们成为"节点（nodes）"。

如果你读过其他关于A*寻路算法的文章，你会发现人们常常都在讨论节点。

为什么不直接描述为方格呢?

因为我们有可能把搜索区域划为为其他多变形而不是正方形，例如可以是六边形，矩形，甚至可以是任意多变形。

而节点可以放在任意多边形里面，可以放在多变形的中心，也可以放在多边形的边上。

我们使用这个系统，因为它最简单。

开始搜索（StartingtheSearch）

一旦我们把搜寻区域简化为一组可以量化的节点后，就像上面做的一样，我们下一步要做的便是查找最短路径。

在A*中，我们从起点开始，检查其相邻的方格，然后向四周扩展，直至找到目标。

我们这样开始我们的寻路旅途：

1.从起点A开始，并把它就加入到一个由方格组成的openlist（开放列表中。

这个openlist有点像是一个购物单。

当然现在openlist里只有一项，它就是起点A，后面会慢慢加入更多的项。

Openlist里的格子是路径可能会是沿途经过的，也有可能不经过。

基本上openlist是一个待检查的方格列表。

2.查看与起点A相邻的方格忽略其中墙壁所占领的方格，河流所占领的方格及其他非法地形占领的方格，把其中可走的（walkable）或可到达的（reachable）方格也加入到openlist中。

把起点A设置为这些方格的父亲（parentnode或parentsquare）。

当我们在追踪路径时，这些父节点的内容是很重要的。

稍后解释。

3.把A从openlist中移除，加入到closelist（封闭列表中，closelist中的每个方格都是现在不需要再关注的。

如下图所示，深绿色的方格为起点，它的外框是亮蓝色，表示该方格被加入到了closelist。

与它相邻的黑色方格是需要被检查的，他们的外框是亮绿色。

每个黑方格都有一个灰色的指针指向他们的父节点，这里是起点A。

下一步，我们需要从openlist中选一个与起点A相邻的方格，按下面描述的一样或多或少的重复前面的步骤。

但是到底选择哪个方格好呢?

具有最小F值的那个。

路径排序（PathSorting）

计算出组成路径的方格的关键是下面这个等式：

F=G+H

这里，

G=从起点A移动到指定方格的移动代价，沿着到达该方格而生成的路径。

H=从指定的方格移动到终点B的估算成本。

这个通常被称为试探法，有点让人混淆。

为什么这么叫呢，因为这是个猜测。

直到我们找到了路径我们才会知道真正的距离，因为途中有各种各样的东西比如墙壁，水等。

本教程将教你一种计算H的方法，你也可以在网上找到其他方法。

我们的路径是这么产生的：

反复遍历openlist，选择F值最小的方格。

这个过程稍后详细描述。

我们还是先看看怎么去计算上面的等式。

如上所述，G是从起点A移动到指定方格的移动代价。

在本例中，横向和纵向的移动代价为10，对角线的移动代价为14。

之所以使用这些数据，是因为实际的对角移动距离是2的平方根，或者是近似的1.414倍的横向或纵向移动代价。

使用10和14就是为了简单起见。

比例是对的，我们避免了开放和小数的计算。

这并不是我们没有这个能力或是不喜欢数学。

使用这些数字也可以使计算机更快。

稍后你便会发现，如果不使用这些技巧，寻路算法将很慢。

既然我们是沿着到达指定方格的路径来计算G值，那么计算出该方格的G值的方法就是找出其父亲的G值，然后按父亲是直线方向还是斜线方向加上10或14。

随着我们离开起点而得到更多的方格，这个方法会变得更加明朗。

有很多方法可以估算H值。

这里我们使用Manhattan方法，计算从当前方格横向或纵向移动到达目标所经过的方格数，忽略对角移动，然后把总数乘以10。

之所以叫做Manhattan方法，是因为这很像统计从一个地点到另一个地点所穿过的街区数，而你不能斜向穿过街区。

重要的是，计算H是，要忽略路径中的障碍物。

这是对剩余距离的估算值，而不是实际值，因此才称为试探法。

把G和H相加便得到F。

我们第一步的结果如下图所示。

每个方格都标上了F，G，H的值，就像起点右边的方格那样，左上角是F，左下角是G，右下角是H。

好，现在让我们看看其中的一些方格。

在标有字母的方格，G=10。

这是因为水平方向从起点到那里只有一个方格的距离。

与起点直接相邻的上方，下方，左方的方格的G值都是10，对角线的方格G值都是14。

H值通过估算起点于终点红色方格的Manhattan距离得到，仅作横向和纵向移动，并且忽略沿途的墙壁。

使用这种方式，起点右边的方格到终点有3个方格的距离，因此H=30。

这个方格上方的方格到终点有4个方格的距离注意只计算横向和纵向距离，因此H=40。

对于其他的方格，你可以用同样的方法知道H值是如何得来的。

每个方格的F值，再说一次，直接把G值和H值相加就可以了。

继续搜索（ContinuingtheSearch）

为了继续搜索，我们从openlist中选择F值最小的方格节点，然后对所选择的方格作如下操作：

4.把它从openlist里取出，放到closelist中。

5.检查所有与它相邻的方格，忽略其中在closelist中或是不可走（unwalkable）的方格比如墙，水，或是其他非法地形，如果方格不在openlsit中，则把它们加入到openlist中。

把我们选定的方格设置为这些新加入的方格的父亲。

6.如果某个相邻的方格已经在openlist中，则检查这条路径是否更优，也就是说经由当前方格我们选中的方格到达那个方格是否具有更小的G值。

如果没有，不做任何操作。

相反，如果G值更小，则把那个方格的父亲设为当前方格我们选中的方格，然后重新计算那个方格的F值和G值。

如果你还是很混淆，请参考下图。

Ok，让我们看看它是怎么工作的。

在我们最初的9个方格中，还有8个在openlist中，起点被放入了closelist中。

在这些方格中，起点右边的格子的F值40最小，因此我们选择这个方格作为下一个要处理的方格。

它的外框用蓝线打亮。

首先，我们把它从openlist移到closelist中这就是为什么用蓝线打亮的原因了。

然后我们检查与它相邻的方格。

它右边的方格是墙壁，我们忽略。

它左边的方格是起点，在closelist中，我们也忽略。

其他4个相邻的方格均在openlist中，我们需要检查经由这个方格到达那里的路径是否更好，使用G值来判定。

让我们看看上面的方格。

它现在的G值为14。

如果我们经由当前方格到达那里，G值将会为20（其中10为到达当前方格的G值，此外还要加上从当前方格纵向移动到上面方格的G值10）。

显然20比14大，因此这不是最优的路径。

如果你看图你就会明白。

直接从起点沿对角线移动到那个方格比先横向移动再纵向移动要好。

当把4个已经在openlist中的相邻方格都检查后，没有发现经由当前方格的更好路径，因此我们不做任何改变。

现在我们已经检查了当前方格的所有相邻的方格，并也对他们作了处理，是时候选择下一个待处理的方格了。

因此再次遍历我们的openlist，现在它只有7个方格了，我们需要选择F值最小的那个。

有趣的是，这次有两个方格的F值都54，选哪个呢?

没什么关系。

从速度上考虑，选择最后加入openlist的方格更快。

这导致了在寻路过程中，当靠近目标时，优先使用新找到的方格的偏好。

但是这并不重要。

对相同数据的不同对待，导致两中版本的A*找到等长的不同路径。

我们选择起点右下方的方格，如下图所示。

这次，当我们检查相邻的方格时，我们发现它右边的方格是墙，忽略之。

上面的也一样。

我们把墙下面的一格也忽略掉。

为什么?

因为如果不穿越墙角的话，你不能直接从当前方格移动到那个方格。

你需要先往下走，然后再移动到那个方格，这样来绕过墙角。

注意：

穿越墙角的规则是可选的，依赖于你的节点是怎么放置的

这样还剩下5个相邻的方格。

当前方格下面的2个方格还没有加入openlist，所以把它们加入，同时把当前方格设为他们的父亲。

在剩下的3个方格中，有2个已经在closelist中一个是起点，一个是当前方格上面的方格，外框被加亮的，我们忽略它们。

最后一个方格，也就是当前方格左边的方格，我们检查经由当前方格到达那里是否具有更小的G值。

没有。

因此我们准备从openlist中选择下一个待处理的方格。

不断重复这个过程，直到把终点也加入到了openlist中，此时如下图所示。

注意，在起点下面2格的方格的父亲已经与前面不同了。

之前它的G值是28并且指向它右上方的方格。

现在它的G值为20，并且指向它正上方的方格。

这在寻路过程中的某处发生，使用新路径时G值经过检查并且变得更低，因此父节点被重新设置，G和F值被重新计算。

尽管这一变化在本例中并不重要，但是在很多场合中，这种变化会导致寻路结果的巨大变化。

那么我们怎么样去确定实际路径呢?

很简单，从终点开始，按着箭头向父节点移动，这样你就被带回到了起点，这就是你的路径。

如下图所示。

从起点A移动到终点B就是简单从路径上的一个方格的中心移动到另一个方格的中心，直至目标。

就是这么简单！

A*算法总结（SummaryoftheA*Method）

Ok，现在你已经看完了整个的介绍，现在我们把所有步骤放在一起：

1.把起点加入openlist。

2.重复如下过程：

a.遍历openlist，查找F值最小的节点，把它作为当前要处理的节点。

b.把这个节点移到closelist。

c.对当前方格的8个相邻方格的每一个方格?

◆如果它是不可抵达的或者它在closelist中，忽略它。

否则，做如下操作。

◆如果它不在openlist中，把它加入openlist，并且把当前方格设置为它的父亲，记录该方格的F，G和H值。

◆如果它已经在openlist中，检查这条路径即经由当前方格到达它那里是否更好，用G值作参考。

更小的G值表示这是更好的路径。

如果是这样，把它的父亲设置为当前方格，并重新计算它的G和F值。

如果你的openlist是按F值排序的话，改变后你可能需要重新排序。

d.停止，当你

◆把终点加入到了openlist中，此时路径已经找到了，或者

◆查找终点失败，并且openlist是空的，此时没有路径。

3.保存路径。

从终点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，这就是你的路径。

题外话（SmallRant）

请原谅我的离题，当你在网上或论坛上看到各种关于A*算法的讨论时，你偶尔会发现一些A*的代码，实际上他们不是。

要使用A*，你必须包含上面讨论的所有元素--尤其是openlist，closelist和路径代价G，H和F。

也有很多其他的寻路算法，这些算法并不是A*算法，A*被认为是最好的。

在本文末尾引用的一些文章中BryanStout讨论了他们的一部分，包括他们的优缺点。

在某些时候你可以二中择一，但你必须明白自己在做什么。

Ok，不废话了。

回到文章。

实现的注解（NotesonImplemetation）

现在你已经明白了基本方法，这里是你在写自己的程序是需要考虑的一些额外的东西。

下面的材料引用了一些我用C++和Basic写