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A*搜寻算法

2019-07-29 19:50:51 百科
A*搜寻算法

A*搜寻算法

A*搜寻算法俗称A星算法。A*算法是比较流行的启发式搜寻算法之一,被广泛套用于路径最佳化领域[。它的独特之处是检查最短路径中每个可能的节点时引入了全局信息,对当前节点距终点的距离做出估计,并作为评价该节点处于最短路线上的可能性的量度。

基本介绍

  • 中文名:A*搜寻算法
  • 外文名:A-star Algorithm
  • 别名:A星算法
  • 套用领域:图最优路径搜寻/查找
  • 类型:求出最低通过成本的算法

算法描述

A*改变它自己行为的能力基于启发式代价函式,启发式函式在游戏中非常有用。在速度和精确度之间取得折衷将会让你的游戏运行得更快。在很多游戏中,你并不真正需要得到最好的路径,仅需要近似的就足够了。而你需要什幺则取决于游戏中发生着什幺,或者运行游戏的机器有多快。 假设你的游戏有两种地形,平原和山地,在平原中的移动代价是1而在山地的是3,那幺A星算法就会认为在平地上可以进行三倍于山地的距离进行等价搜寻。 这是因为有可能有一条沿着平原到山地的路径。把两个邻接点之间的评估距离设为1.5可以加速A*的搜寻过程。然后A*会将3和1.5比较,这并不比把3和1比较差。然而,在山地上行动有时可能会优于绕过山脚下进行行动。所以花费更多时间寻找一个绕过山的算法并不经常是可靠的。 同样的,想要达成这样的目标,你可以通过减少在山脚下的搜寻行为来打到提高A星算法的运行速率。若想如此可以将A星算法的山地行动耗费从3调整为2即可。这两种方法都会给出可靠地行动策略。
用C语言实现A*最短路径搜寻算法,作者 Tittup frog(跳跳蛙)。
#include <stdio.h>#include <math.h>#define MaxLength 100    //用于优先伫列(Open表)的数组#define Height     15    //地图高度#define Width      20    //地图宽度#define Reachable   0    //可以到达的结点#define Bar         1    //障碍物#define Pass        2    //需要走的步数#define Source      3    //起点#define Destination 4    //终点#define Sequential  0    //顺序遍历#define NoSolution  2    //无解决方案#define Infinity    0xfffffff#define East       (1 << 0)#define South_East (1 << 1)#define South      (1 << 2)#define South_West (1 << 3)#define West       (1 << 4)#define North_West (1 << 5)#define North      (1 << 6)#define North_East (1 << 7)typedef struct{    signed char x, y;} Point;const Point dir[8] ={    {0, 1},   // East    {1, 1},   // South_East    {1, 0},   // South    {1, -1},  // South_West    {0, -1},  // West    {-1, -1}, // North_West    {-1, 0},  // North    {-1, 1}   // North_East};unsigned char within(int x, int y){    return (x >= 0 && y >= 0        && x < Height && y < Width);}typedef struct{    int x, y;    unsigned char reachable, sur, value;} MapNode;typedef struct Close{    MapNode *cur;    char vis;    struct Close *from;    float F, G;    int H;} Close;typedef struct //优先伫列(Open表){    int length;        //当前伫列的长度    Close* Array[MaxLength];    //评价结点的指针} Open;static MapNode graph[Height][Width];static int srcX, srcY, dstX, dstY;    //起始点、终点static Close close[Height][Width];// 优先伫列基本操作void initOpen(Open *q)    //优先伫列初始化{    q->length = 0;        // 队内元素数初始为0}void push(Open *q, Close cls[Height][Width], int x, int y, float g){    //向优先伫列(Open表)中添加元素    Close *t;    int i, mintag;    cls[x][y].G = g;    //所添加节点的坐标    cls[x][y].F = cls[x][y].G + cls[x][y].H;    q->Array[q->length++] = &(cls[x][y]);    mintag = q->length - 1;    for (i = 0; i < q->length - 1; i++)    {        if (q->Array[i]->F < q->Array[mintag]->F)        {            mintag = i;        }    }    t = q->Array[q->length - 1];    q->Array[q->length - 1] = q->Array[mintag];    q->Array[mintag] = t;    //将评价函式值最小节点置于队头}Close* shift(Open *q){    return q->Array[--q->length];}// 地图初始化操作void initClose(Close cls[Height][Width], int sx, int sy, int dx, int dy){    // 地图Close表初始化配置    int i, j;    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            cls[i][j].cur = &graph[i][j];        // Close表所指节点            cls[i][j].vis = !graph[i][j].reachable;        // 是否被访问            cls[i][j].from = NULL;                // 所来节点            cls[i][j].G = cls[i][j].F = 0;            cls[i][j].H = abs(dx - i) + abs(dy - j);    // 评价函式值        }    }    cls[sx][sy].F = cls[sx][sy].H;            //起始点评价初始值    //    cls[sy][sy].G = 0;                        //移步花费代价值    cls[dx][dy].G = Infinity;}void initGraph(const int map[Height][Width], int sx, int sy, int dx, int dy){    //地图发生变化时重新构造地    int i, j;    srcX = sx;    //起点X坐标    srcY = sy;    //起点Y坐标    dstX = dx;    //终点X坐标    dstY = dy;    //终点Y坐标    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            graph[i][j].x = i; //地图坐标X            graph[i][j].y = j; //地图坐标Y            graph[i][j].value = map[i][j];            graph[i][j].reachable = (graph[i][j].value == Reachable);    // 节点可到达性            graph[i][j].sur = 0; //邻接节点个数            if (!graph[i][j].reachable)            {                continue;            }            if (j > 0)            {                if (graph[i][j - 1].reachable)    // left节点可以到达                {                    graph[i][j].sur |= West;                    graph[i][j - 1].sur |= East;                }                if (i > 0)                {                    if (graph[i - 1][j - 1].reachable                        && graph[i - 1][j].reachable                        && graph[i][j - 1].reachable)    // up-left节点可以到达                    {                        graph[i][j].sur |= North_West;                        graph[i - 1][j - 1].sur |= South_East;                    }                }            }            if (i > 0)            {                if (graph[i - 1][j].reachable)    // up节点可以到达                {                    graph[i][j].sur |= North;                    graph[i - 1][j].sur |= South;                }                if (j < Width - 1)                {                    if (graph[i - 1][j + 1].reachable                        && graph[i - 1][j].reachable                        && map[i][j + 1] == Reachable) // up-right节点可以到达                    {                        graph[i][j].sur |= North_East;                        graph[i - 1][j + 1].sur |= South_West;                    }                }            }        }    }}int bfs(){    int times = 0;    int i, curX, curY, surX, surY;    unsigned char f = 0, r = 1;    Close *p;    Close* q[MaxLength] = { &close[srcX][srcY] };    initClose(close, srcX, srcY, dstX, dstY);    close[srcX][srcY].vis = 1;    while (r != f)    {        p = q[f];        f = (f + 1) % MaxLength;        curX = p->cur->x;        curY = p->cur->y;        for (i = 0; i < 8; i++)        {            if (! (p->cur->sur & (1 << i)))            {                continue;            }            surX = curX + dir[i].x;            surY = curY + dir[i].y;            if (! close[surX][surY].vis)            {                close[surX][surY].from = p;                close[surX][surY].vis = 1;                close[surX][surY].G = p->G + 1;                q[r] = &close[surX][surY];                r = (r + 1) % MaxLength;            }        }        times++;    }    return times;}int astar(){    // A*算法遍历    //int times = 0;    int i, curX, curY, surX, surY;    float surG;    Open q; //Open表    Close *p;    initOpen(&q);    initClose(close, srcX, srcY, dstX, dstY);    close[srcX][srcY].vis = 1;    push(&q, close, srcX, srcY, 0);    while (q.length)    {    //times++;        p = shift(&q);        curX = p->cur->x;        curY = p->cur->y;        if (!p->H)        {            return Sequential;        }        for (i = 0; i < 8; i++)        {            if (! (p->cur->sur & (1 << i)))            {                continue;            }            surX = curX + dir[i].x;            surY = curY + dir[i].y;            if (!close[surX][surY].vis)            {                close[surX][surY].vis = 1;                close[surX][surY].from = p;                surG = p->G + sqrt((curX - surX) * (curX - surX) + (curY - surY) * (curY - surY));                push(&q, close, surX, surY, surG);            }        }    }    //printf("times: %d\n", times);    return NoSolution; //无结果}const int map[Height][Width] = {    {0,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1},    {0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1},    {0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,1},    {0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,1},    {0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0},    {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0},    {0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,1},    {0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0}};const char Symbol[5][3] = { "□", "▓", "▽", "☆", "◎" };void printMap(){    int i, j;    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            printf("%s", Symbol[graph[i][j].value]);        }        puts("");    }    puts("");}Close* getShortest(){    // 获取最短路径    int result = astar();    Close *p, *t, *q = NULL;    switch(result)    {    case Sequential:    //顺序最近        p = &(close[dstX][dstY]);        while (p)    //转置路径        {            t = p->from;            p->from = q;            q = p;            p = t;        }        close[srcX][srcY].from = q->from;        return &(close[srcX][srcY]);    case NoSolution:        return NULL;    }    return NULL;}static Close *start;static int shortestep;int printShortest(){    Close *p;    int step = 0;    p = getShortest();    start = p;    if (!p)    {        return 0;    }    else    {        while (p->from)        {            graph[p->cur->x][p->cur->y].value = Pass;            printf("(%d,%d)→\n", p->cur->x, p->cur->y);            p = p->from;            step++;        }        printf("(%d,%d)\n", p->cur->x, p->cur->y);        graph[srcX][srcY].value = Source;        graph[dstX][dstY].value = Destination;        return step;    }}void clearMap(){    // Clear Map Marks of Steps    Close *p = start;    while (p)    {        graph[p->cur->x][p->cur->y].value = Reachable;        p = p->from;    }    graph[srcX][srcY].value = map[srcX][srcY];    graph[dstX][dstY].value = map[dstX][dstY];}void printDepth(){    int i, j;    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            if (map[i][j])            {                printf("%s ", Symbol[graph[i][j].value]);            }            else            {                printf("%2.0lf ", close[i][j].G);            }        }        puts("");    }    puts("");}void printSur(){    int i, j;    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            printf("%02x ", graph[i][j].sur);        }        puts("");    }    puts("");}void printH(){    int i, j;    for (i = 0; i < Height; i++)    {        for (j = 0; j < Width; j++)        {            printf("%02d ", close[i][j].H);        }        puts("");    }    puts("");}int main(int argc, const char **argv){    initGraph(map, 0, 0, 0, 0);    printMap();    while (scanf("%d %d %d %d", &srcX, &srcY, &dstX, &dstY) != EOF)    {        if (within(srcX, srcY) && within(dstX, dstY))        {            if (shortestep = printShortest())            {                printf("从(%d,%d)到(%d,%d)的最短步数是: %d\n",                    srcX, srcY, dstX, dstY, shortestep);                printMap();                clearMap();                bfs();                //printDepth();                puts((shortestep == close[dstX][dstY].G) ? "正确" : "错误");                clearMap();            }            else            {                printf("从(%d,%d)不可到达(%d,%d)\n",                    srcX, srcY, dstX, dstY);            }        }        else        {            puts("输入错误!");        }    }    return (0);}

性质

可採纳性

在一些问题的求解过程中,如果存在最短路径,无论在什幺情况之下,如果一个搜寻算法都能够保证找到这条最短路径,则称这样的搜寻算法就具有可採纳性。

单调性

A*算法扩展的所有节点的序列的f值是递增的,那幺它最先生成的路径一定就是最短的。

信息性

如何判断两种策略哪一个更好呢?具有的启发信息越多,搜寻的状态就越少,越容易找到最短路径,这样的策略就更好。在两个启发策略中,如果有h(n1)
h(n2),则表示策略h:比h,具有更多的启发信息,同时h(n)越大表示它所搜寻的空间数就越少。但是同时需要注意的是:信息越多就需要更多的计算时间,从而有可能抵消因为信息多而减少的搜寻空间所带来的好处。

缺陷

A*算法进行下一步将要走的节点的搜寻的时候,每次都是选择F值最小的节点,因此找到的是最优路径。但是正因为如此A*算法每次都要扩展当前节点的全部后继节点,运用启发函式计算它们的F值,然后选择F值最小的节点作为下一步走的节点。在这个过程中,OPEN表需要保存大量的节点信息,不仅存储量大是一个问题,而且在查找F值最小的节点时,需要查询的节点也非常多,当然就非常耗时,这个问题就非常严重了。再加上如果游戏地图庞大,路径比较複杂,路径搜寻过程则可能要计算成千上万的节点,计算量非常巨大。因此,搜寻一条路径需要一定的时间,这就意味着游戏运行速度降低。
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