转自：https://indienova.com/indie-game-development/rooms-and-mazes-a-procedural-dungeon-generator/
文章来源
微博上的 @大城小胖（indienova 个人资料）向我们推荐了这篇文章，在此表示感谢。
本文的作者是：Bob Nystroms，本文的转载和翻译已经获得了他的授权。
原文地址在：Rooms and Mazes: A Procedural Dungeon Generator，有兴趣的同学可以前往阅读原文。阅读原文是一种良好的习惯，一方面回访原作者增加他的访问量，同时也增加他写文章的动力。另一方面，原文下有些讨论的内容会比文章本身还有价值，非常值得常回去看看。
前言
几个月之前，我承诺要针对之前的一篇针对我的 Roguelike 游戏的 blog：回合制的游戏主循环（turn-based game loops）。然后我就投入到我自己发行的新书：《游戏编程模式（Game Programming Patterns）》中去，并且把这件事情彻底忘掉了。我把大家扔在一边了～～
好，今天我终于有时间再思考一下我的 Roguelike 了，那么，忘掉游戏主循环，让我们来研究一下 Roguelike 游戏最有趣也是最有挑战的部分：生成地牢！
点击下面的这个小方块看看最后是什么效果。
看起来很整齐吧？如果你不想深究，那么代码在这里。
我关于计算机最早的记忆之一，就是看到我家 Apple IIe 电脑上运行的一个迷宫生成程序。它先将屏幕用绿色的小方块格子填满，然后不断的在墙上挖洞。最后，所有网格上的方块都被连接起来，屏幕上展现出一个完美、完整的迷宫。
我小小的家用电脑能够创造这么神奇的东西－－每个方块都可以同其它的连接－－尽管看起来很混乱－－它向随机的方向雕刻，所以每个迷宫都不一样。这给我十岁的大脑留下了深刻的印象。直到今天也还会有这种感觉。
什么是地牢？
程序生成（Procedural generation）－－让程序随机生成取代手工创作－－当它工作正常的时候是非常有趣的。由于每一次都不同，你会获得成倍的重玩乐趣。哪怕作为一个开发者，你也无法预计自己能否通过自己用程序写出来的关卡，甚至会出现你意想不到的惊喜。
有时候，使用程序生成会让人觉得简单。手工制作显然需要投入大量的精力和工作。如果你想要一个游戏有 100 的关卡，那么你将不得不制作 100 个关卡。但是如果你使用了一个随机生成关卡的生成器，那么你将会免费得到 100 关，1000 关，或者 1 百万关！
哈，当然没那么简单。设计这样一个程序比你用手工来设计关卡要难得多。你必须要努力动脑，想清楚怎么做，并且想法子将它转换成代码。你其实是要亲自编写一个模拟体系。
它必须要在技术和审美上取得平衡。对我来说，我将注意集中在：
- 它需要有合理的性能。生成器只需要在进入关卡前运行，所以它不需要非常快。但我们也不希望要让玩家浪费生命中的好几秒等待着生成。
- 地牢需要被连接起来。就像在我绿色屏幕的 Apple 上的迷宫那样。这意味着在地牢中的任意一点，都有一条道路－－哪怕是迂回的－－通往另外一点。
这是非常重要的。如果玩家领取了一个任务，却无法到达那里，会是很残酷的事情。同时，生成玩家到不了的地方也完全是在浪费时间。
- 还有，地牢的迷宫应该是不完美的。“完美”的迷宫意味着两点之间只有唯一的一条通路。所有的走廊分布得就像一棵树，它有树叉，但是中间没有交集。而“不完美”的迷宫则有着可循环的通路－－从 A 到 B 有多个可选通路。
“不完美”的迷宫是游戏机制的需要，而不是技术上的需求。你可以造一个基于“完美”的迷宫的 Roguelike，而且确实有不少 Roguelike 是按照这个方法来做的，因为它的实现比较简单。
但是我发现它们玩起来缺少乐趣。当玩家遇到一个死胡同的时候，必须要回溯回到之前的路线去，然后寻找新的可探索的地方。同时，你也无法绕着敌人转圈儿，或者走一条小路绕过敌人－－针对这些情况，如果能实现的话其实都不赖。因为从根本上来说：游戏本来就是一个决定和做出不同选择的过程。所以，“完美”的地牢只给玩家一条路径并不太合适。
- 我需要有开放的房间。我可以创造出没有房间，完全由狭窄的走廊和过道组成的迷宫。但是这样玩家就无法真对敌人做出合理的躲避，也无从采取策略来对付敌人，这会丧失很多游戏乐趣。
大的、开放的空间可以让玩家有空间释放法术，或者进行大型战斗。同时，房间也可以通过不同的装饰风格来增强游戏场景的表现力。宝箱、陷阱、深渊、藏宝室等等，这些都需要有房间来表现。所以，房间在游戏中起着至关重要的作用。
- 我也需要走廊。同时，我也不希望这个地牢完全由房间组成。有些游戏会将房间连着房间生成。它玩儿起来并没有什么问题，但是会有一些乏味。我希望玩家在游戏过程中有不同的感受，走廊会让他们感到封闭感，同时，在面对怪兽的时候，将它们引入到狭窄的走廊里面一个一个干掉也是一种策略，游戏体验会更加丰富。
- 所有这些应该是可调的。很多 Roguelike 会生成大量的难度逐渐提高的多层地牢，但是除此之外就没有其它的了。我的游戏则不是这样。它有多种不同的区域。每一个区域都有自己的风格和感觉。有些可能很小，感觉很局促，其它的则可能很宽敞而又井井有条。
我采用了多种不同的地牢生成算法来实现它。户外的区域采用完全不同的生成策略（我可能需要针对这个再写一篇教程。瞧～又一个雄心勃勃的承诺！）但是，从头开始编写一个新的地牢生成器会浪费掉大量的时间。所以，理想的做法是将生成器的一些参数设置成可调，这样我就可以通过同一套代码生成不同风格和感觉的地牢。
看得见风景的房间
我几乎一直在开发这个游戏（还使用了四种不同的语言！），而且我也尝试了多种不同的地牢生成器。我主要的灵感来源是 Angband。我研究这款游戏所花的时间要超过我开发自己游戏所用的时间。
Angband 已经非常老了。在那个时代的电脑上，很难实现快速的地牢生成算法，所以它采用的方法非常简单：
- 随机生成一批互不覆盖的房间；
- 用随机的通道将它们连接起来。
为了确保房间们不覆盖，我们在每次生成一个新房间的时候，如果发现它跟其它房间有重合，那就丢弃掉。不过这样可能会造成无限循环，所以我限制了生成房间的总次数。当房间越来越多的时候，生成失败房间的几率就会越来越高－－最后你会发现只能放这么多房间啦－－但是通过调整这个总次数还是会让你对房间的密度有所控制，比如：
| 尝试次数 |
| 60 |
一个黑暗扭曲的走廊
我写的大部分地牢生成器都是从这儿开始的。但是最难的地方在于：如何将它们连接起来。这也是我这篇教程的主要目的－－一个优雅完美的解决方案。
Angband 的解决方案粗暴但是却令人惊讶的有效。它选择一对儿房间－－完全不管它们距离有多远－－然后从一个房间开始一条随机的线路连接到另外一个房间（希望能）。它聪明的使用了不少方法来避免过多的交错和叠加，不过也允许这些线路有机会同房间、走道以及死胡同交错。
我花了不少时间试着实现它，但是从未得到理想的结果（应该是我自己的问题）。我生成的走道总是要么太直，要么就是交错得很难看。
然后，几个月前，我偶然在 reddit 的 /r/roguelikedev 上发现了 u/FastAsUcan 的 地牢生成的描述（description of a dungeon generator），以及他基于 Jamis Buck 地牢生成器的：Karcero。如果你之前有做过地牢生成的代码，你知道－－或者你应该知道－－Buck 是谁。他在随机迷宫生成方面有着大量的文章。
多年以前，我记得他曾经为纸上 D&D 写过的一个真的地牢生成器。跟他之前的大多数迷宫不同，这一个有真正的房间，而且结果看上去很棒。
但是，在那时候，我不知道它是怎么工作的。它是怎样基于迷宫生成了走廊和房间？我把这个疑问放在脑子的某个角落并且很快忘了它。
FastAsUcan 的帖子提供了解答，它大概是这样工作的：
- 创建一个完美的迷宫。有很多算法，都相当直接；
- 将迷宫简化。找到死胡同并将它们重新用石头填充；
- 选择一些剩余死胡同，然后在毗邻的墙上打洞，让它们连接起来。这样迷宫就不完美了。（记住，这是好事情！）
- 创建房间，并且寻找合适的放置处。“合适的”意味着不会覆盖迷宫，但是要接近迷宫，这样才好给它加上门并且连接到走廊。
这里最神奇的部分，也是我没想到的部分，就是迷宫的简化。一个正常的迷宫会把所有区域都覆盖，不会给你留下任何可以放置房间的空间。Jamis 和 FastAsUcan 所做的则是：先雕刻出迷宫，然后再将死胡同“反雕刻”回去。
这做起来其实相当容易。死胡同就是三面都是墙的那个。当你找到一个死胡同的时候，你将它重置回石块就可以了。这样做的结果就是：之前跟它相连的那个走廊块儿就变成了死胡同。这样持续做下去，直到再也找不到死胡同，你会发现就有了大量可以放置房间的空间。
当然，如果你从一个完美的迷宫开始这么做，你到最后会将整个迷宫都“简化”掉！完美的迷宫没有循环，只要你持续这么做下去，所有的走廊都会变成死胡同。Jamis 的解决方案是：不去掉所有的死胡同，只去掉一些。它运行一会儿就停下来，就像这样：
| 保留的过道： |
| 1000 |
一旦你这么做了之后，就有机会可以放置房间了。Jamis 采用的方法很有趣，他生成某种尺寸的房间然后试着将它放到迷宫中的每一个位置去，一旦有重合冲突的房间或者走廊，那么这个位置就被丢弃。剩余下来的位置会进行一个“排序”，排序的依据是距离走廊越近的排名越高。最后，根据排序结果选择最好的位置将房间放到那里。然后再在房间边上放上门来连接走廊。
不断的重复这个过程，最后你就得到一个地牢。
房间，然后是迷宫
我立即按照这个方法开始编写代码。结果看上去还不错。但是我发现最后放置房间的步骤显得非常缓慢。对小面积的纸上游戏来说当然效率还不错，但是针对基于计算机的 Roguelike 显然有些吃力。
于是，我做了些思考和修改。在这上面我的贡献其实很小，但我觉得值得将它记下来。（说实话，我觉得看着地牢动态的生成充满乐趣）
Buck 和 Karcero 都是先从迷宫开始，然后添加房间。我的则是反其道而行。首先，它会放置一堆房间。然后遍历整个地牢，当它发现一个完整的开阔空间的时候，从这里开始生成迷宫。
迷宫生成器持续的雕刻路径，并且避免同现有的开放的空间交错。这样你就可以保证迷宫只有一个解法。如果你让它雕刻进已有的走廊，那你就会得到循环。
让你的迷宫填满房间周围奇形怪状的空隙是很方便的。换句话说，迷宫的生成是一个随机的洪水填充（flood fill） 算法。通过在不连接的空间内进行迷宫的填充，我们就会得到一个地牢：充满了互相不连接的房间和走廊。
寻找一个连接
现在剩下来的任务就是将所有这些搞成一个连通的地牢。幸运的是，这很容易做到。因为通过前面的房间和迷宫生成工作，我们可以确定：每一个尚未连接的区域跟它的邻居之间只相隔一个图块（Tile）。
我们可以轻易的找到可能的连接点：
- 石块；
- 毗邻的两个不同颜色的区域。
高亮显示的连接点：
我们使用它们来将不同的区域连接起来。通常，我们会将整个地牢看做一个图（Graph），然后每一个图块（Tile）是一个点（Vertex）。但是我们可以将它抽象到更高的层级。现在我们将每个区域看作一个点，而将连接点们当作它们之间的边。如果我们利用所有的连接点，那么这个地牢的连通状态就会变得非常复杂。这并不是我们想要的，所以，我们只需要雕刻那些连接两个区域的连接点一次。换个漂亮而又专业的说法就是：我们在寻找一个 spanning tree（生成树）。
这个过程相当直接：
- 随机选取一个房间，将它作为主区域。
- 随机选取一个主区域边上的连接点并将其打开。在演示中，我们将其变成一个门，但你也可以将其变成一个开放的走廊、上锁的门或者一个魔法衣橱。看你怎么想了，可以充分发挥你的创造力。
记住，我们并不知道确定的门或者走廊，它们统一表现为“区域”。所以我们有时可能会直接将两个房间连接起来。当然你可以避免发生这种情况，但是相信我，这会使得生成的地牢更有趣。 - 连接好的区域现在跟主区域是一个整体了，合并成为新的主区域。在演示中，我用了 flood fill 算法来将新的主区域填充上颜色，因为这看起来比较醒目。在实际应用中，不需要有这个填充的步骤。只需要创建一个简单的数据结构来表示“区域 X 已经被合并了”。
- 移除掉无关的连接点。在两个区域合并后，有很大的可能还存在一些两个区域的连接点。因为不再需要通过它们来连接这两个区域了，而且我们需要的是 spanning tree。所以将它们移除掉。
- 如果还有剩余的连接点，那么再次进行 #2 步的操作。因为剩余的连接点表明还有至少一个尚未连接的区域。我们需要循环来将它们合并成最后一个完整的主区域。
前面我说过，我们不需要一个完美的地牢，因为那会玩起来很无趣。但是，既然我们创建了一个 spanning tree，我们反而得到了一个完美的地牢。我们只允许使用一个连接点来连接两个区域，于是它变成了一个树，这意味着地牢中的任意两点之间只有一条通路。
修正这个问题也很简单，在 #3 步，当我们准备移除不需要的连接点的时候，我们可以给这些连接点一个很小的几率来变成开放的，就像这样：
if (rng.oneIn(50)) _carve(pos, CELL_DOOR);
这样我们就会偶尔的在两个区域之间多开放一些连接点。这样我们就会得到有循环、不完美但是更加有趣的地牢。而且这也很容易进行调整，如果我们增加开放额外连接点的几率，那么我们就会得到连通状态更加复杂的地牢。
反雕刻
如果我们现在就停下，那么我们会得到一堆包含了迷宫和走廊的地牢，里面有很多死胡同。这看起来很令人抓狂，不过这并不是我们想要的。我们需要简化它。
我们现在已经将所有房间都互相连接起来了，我们可以移除掉迷宫中的那些死胡同。我们这样做的话，只有那些用来连接房间的走廊会被保留。这样，每一段走廊都会引领玩家去到一个有趣的地方，而不是死胡同。
最后我们得到什么
总结一下：
- 放置一堆随机的互相不会覆盖的房间；
- 把房间之外的空地用迷宫填满；
- 将所有相邻的迷宫和房间连接起来，同时也增加少量的连接；
- 移除掉所有的死胡同。
我很高兴我们走到这一步。尽管它并不完美。它致力于在房间之间创造讨厌、曲折的走廊。你可以调整自己的地牢算法，但是如果走廊不够曲折它们就会贴着地牢的边缘，看起来很奇怪。
房间和迷宫沿着边界对齐让事情变得简单，填充贴合得也比较完美，但是这样的地牢看起来反而有些人工的痕迹。不过相比我之前的工作它无疑已经有了很大的进步，而且生成的地牢看上去玩起来应该很有趣。
如果你想要自己看看，那么你可以在浏览器中直接玩这个游戏。演示代码在这里，但是相对比较粗糙。我为了演示而将它们制作成动画，这增加了代码的复杂性。所以，这里是我在游戏中使用的干净的版本。
作为走到这里的奖赏，这里有一个非常巨大的地牢。我觉得非常迷人：