【VC++游戏开发#十二】2D篇 —— 人工智能(二)：最短路径 & 智能越过障碍 By BlueCoder

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注：

    本来如约要来讲一下A*算法的，但我发现国外有位前辈(ios开发工程师)已经讲得很好了，通俗易懂。因此，对A*感兴趣的朋友可以，拜读它的一篇文章：

A*寻路算法介绍(By Johann Fradj)

BlueCoder

2014/2/5

上期呢，我用C++写了一个简易框架BCF，从今起呢，我就会继续使用它来写游戏效果……

如果还没瞧见过BCF的朋友，请先看看BCF的庐山真面目吧：

【VC++游戏开发十一】用C++来架构一个适合windows游戏编程的框架——取名为BCF

今天我们来聊一聊游戏中最常见的一种AI(Artificial Intelligence，人工智能)：寻路 —— 最短路径 & 智能越过障碍

言下之意，就是人物能智能寻找到达目的地的最短路径，并能够越过障碍

这些功能在程序背后是有很多种算法可以来支撑的，可能大家最熟悉的就是A*算法，还有深度优先、广度优先搜索算法、递归、回溯…… 而本次呢，我决定先讲一个较为简单的算法 —— 回溯+递归

这个算法来的也很蹊跷，去年参加了一个程序设计竞赛，里面有类似的寻找最短路径的算法题，当时我想到的也就是今天要讲到的这个算法，不过我现在优化了许多

下面，我们切入正题……

想必你很像提前阅览一下程序效果吧？呵呵，那我们就先一睹为快：(截图中加入一些说明，方便阅览)

可以发现，人物是按照最短路径到达了目的地，并越过了途中的障碍。还有一点就是，当鼠标点击的位置是障碍点时，是不能到达的：

一、封装的C++类

类图如下：

可见，工程中有四个类(全为BlueCoder自己写的C++类)：

1、CCWindow类：熟悉BCF的朋友，应该知道这个类就是负责窗口的创建、消息的路由，整个程序的控制

2、CPathFind类：负责寻路(寻找最短可行路径)

3、CRole类：负责人物角色的控制(人物移动、切换下一帧构成动画==)

4、CScene类：负责场景的控制(贴地图、播放背景音乐)

二、回溯+递归寻路算法(重点)

用 回溯+递归 的算法进行深度优先搜索，将所有可行的路径进行比较，找出最短路径

这个算法，如前所诉，我封装一个c++类CPathFind，先看一看该类的定义：

class CPathFind
{
private:
	static const int BLOCK = 0;	//障碍(不能通过)
	static const int PASS = 1;	//非障碍(能通过)

	static const int YES = 1;	//是否遍历(是)
	static const int NO = 0;	//是否遍历(否)

	static const int R = 6;		//行
	static const int C = 7;		//列

	static int path[R][C];		//保存地图路径

private:
	int path_through[R][C];		//经过的当前最短路径
	int least_path[R][C];		//最短路径

	int least;	//最短路径长度

	PT end;		//终点

public:
	bool IsPass(int i, int j);		//是否能通过当前点

	void Initial();					//初始化

	void SetEndPoint(int i, int j);	//设置终点

	void GetCurLeastPath();			//获取当前最短路径

	void PathFinding(int i,
					 int j,
					 int count);	//回溯法计算最短路径
	
	bool IsNext(int i, int j);		//是否是下一个结点

	int GetNextNode(int &i, int &j);//获取最短路径中的下一个结点

public:
	CPathFind(void);
	~CPathFind(void);
};

补充一点：为了让地图和实际寻路的路径关联，我们需要一个二维数组保存地图中对应的路径(0表示不能通过的障碍，1表示可通过的点)

如下：

//初始化路径(1表示能走, 0表示不能走(障碍))
int CPathFind::path[R][C] = {
		1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
		1, 0, 1, 0, 1, 0, 1,
		1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
		1, 1, 1, 0, 1, 1, 1,
		1, 0, 1, 0, 1, 0, 1,
		1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
};

对应于地图中的路径状态：(空白方块对应1：可通过， 黑色网格方块对应0：不能通过)

具体的算法思路如下：

基本思路就是遍历所有的点，遇到不可行的点，就回溯到上一个点继续遍历。分步骤讲述如下：

       (1)、从起点开始遍历，继续(2)。

       (2)、如果当前点可以通过(即不是障碍点、且没有出边界)，那么继续(3)；否则，返回上一层。

       (3)、如果还有未遍历到的方向(前后左右)，就继续(4)；否则，跳到(6)。

       (4)、如果遍历到终点后，继续(5)；否则跳到(2)继续。

       (5)、遍历到终点，比较当前获得的路径长度是不是比之前获得的要短，若是就记录；否则不管 。回溯到前一个点，回到(3)。

       (6)、所有的可行路径都遍历完毕。

结合上面的步骤来看一看核心算法代码：

//回溯法递归寻找最短路径
void CPathFind::PathFinding(int i,
							int j,
							int count)
{
	//如果能通过
	if(IsPass(i, j))
	{
		//如果遍历到了终点
		if(i == end.i && j == end.j)
		{
			if(count < least)
			{
				//获取当前的最短路径, 最后一次获取的就一定是最短路径了
				path_through[i][j] = YES;
				GetCurLeastPath();
				path_through[i][j] = NO;

				least = count;
			}

			return;//返回上一层，继续遍历
		}

		//标记当前节点已经遍历了
		path[i][j] = BLOCK;

		path_through[i][j] = YES;

		//向各个方向遍历
		PathFinding(i, j-1, count+1);//左(西)
		PathFinding(i, j+1, count+1);//右(东)
		PathFinding(i+1, j, count+1);//前(南)
		PathFinding(i-1, j, count+1);//后(北)

		/*
			回溯时，取消标记已经遍历的点，设为允
			许通过(因为其它方向也有可能遍历这些点
			，不能互相影响各个方向之间的遍历)
		*/
		path[i][j] = PASS;

		path_through[i][j] = NO;
	}
}

三、UI类的代码剖析

下面分别讲述一下各个类的实现过程

<1>、场景CScene类：负责贴地图、播放背景音乐=

1>、头文件中的定义

class CScene
{
private:
	static const int R	= 6;//行
	static const int C	= 7;//列

private:
	CImage	m_map;		//地图
	CRect	m_client;	//窗口客户区

public:
	bool InitScene();	//初始化场景

	void SetClientRect(CRect);	//设置客户区大小

	CSize GetBlockSize();		//获取每一块方块的大小

	void PaintScene(CDC &);		//绘制场景

	void ReleaseScene();		//释放内存资源

public:
	CScene(void);
	~CScene(void);
};

2>、成员函数的实现

//初始化场景
bool CScene::InitScene()
{
	m_map.Load("res\\地图.png");

	if(m_map.IsNull())
	{
		return false;
	}

	//打开并播放背景音乐
	mciSendString("open res\\bgm.mp3 alias bgm", 0, 0, 0);
	mciSendString("play bgm repeat", 0, 0, 0);
	return true;
}

//设置窗口客户区大小
void CScene::SetClientRect(CRect wndRect)
{
	m_client = wndRect;
}

//获取每一块方块的大小
CSize CScene::GetBlockSize()
{
	return CSize(
		m_client.Width() / C,
		m_client.Height() / R);
}

//绘制场景
void CScene::PaintScene(CDC &dc)
{
	dc.SetStretchBltMode(COLORONCOLOR);
	m_map.StretchBlt(dc, 0, 0,
		m_client.Width(), m_client.Height(), SRCCOPY);
}

//释放内存资源
void CScene::ReleaseScene()
{
	m_map.Destroy();

	mciSendString("close bgm", 0, 0, 0);
}

<2>、人物角色CRole类：负责人物角色的逻辑控制

1>、头文件中的定义

class CRole
{
private:
	CImage	m_img;		//角色人物
	CRect	m_client;	//窗口客户区大小

	CPoint	m_pos;		//人物位置

	int		m_maxFrame;	//最大帧
	int		m_curFrame;	//当前帧

	DIRECTION m_direct;	//方向

public:
	bool InitRole(CString, int);//初始化角色

	void SetClientRect(CRect);	//设置窗口客户区大小

	void SetPos(CPoint, CSize);	//设置位置

	void SetDirection(int);		//设置方向

	void NextFrame();			//下一帧

	void PaintRole(CDC &);		//绘制角色

	void ReleaseRole();			//释放操作

public:
	CRole(void);
	~CRole(void);
};

2>、成员函数的实现

先着重说一下人物位置的设定，先来看一张简易示意图：

然后结合实现代码再看一看：

//设置人物位置
void CRole::SetPos(CPoint point, CSize size)
{
	int w = m_img.GetWidth() / m_maxFrame;
	int h = m_img.GetHeight() / 4;

	m_pos.x = point.x + size.cx / 2 - w / 2;
	m_pos.y = point.y + size.cy / 2 - h + 50;
}

所有的函数成员的实现：

//初始化角色
bool CRole::InitRole(CString pngPath, int frame)
{
	m_img.Load(pngPath);

	if(m_img.IsNull())
	{
		return false;
	}

	m_maxFrame = frame;
	m_curFrame = 0;

	m_direct = SOUTH;

	return true;
}

//设置窗口客户区大小
void CRole::SetClientRect(CRect wndRect)
{
	m_client = wndRect;
}

//设置人物位置
void CRole::SetPos(CPoint point, CSize size)
{
	int w = m_img.GetWidth() / m_maxFrame;
	int h = m_img.GetHeight() / 4;

	m_pos.x = point.x + size.cx / 2 - w / 2;
	m_pos.y = point.y + size.cy / 2 - h + 50;
}

//设置方向
void CRole::SetDirection(int direct)
{
	m_direct = (DIRECTION)direct;
}

//下一帧
void CRole::NextFrame()
{
	m_curFrame++;

	if(m_curFrame == m_maxFrame)
	{
		m_curFrame = 0;
	}
}

//绘制角色
void CRole::PaintRole(CDC &dc)
{
	int w = m_img.GetWidth() / m_maxFrame;
	int h = m_img.GetHeight() / 4;

	int x = m_curFrame * w;
	int y = h * m_direct;

	//透明贴图
	m_img.TransparentBlt(dc, m_pos.x, m_pos.y, w, h,
		x, y, w, h, RGB(255, 255, 255));
}

//释放操作
void CRole::ReleaseRole()
{
	m_img.Destroy();
}

<3>、CCWindow类：负责窗口的窗口、消息路由

1>、类定义就不多说了，前一篇文章中已经详细讲解过。这里就把变化的地方贴出来：

//==================成员====================
private:
	WNDCLASS	m_wndclass; //窗口类结构体实例
public:
	HWND		m_hwnd;		//窗口句柄
	CRect		m_rect;		//窗口户区大小

	CScene		m_scene;	//场景
	CRole		m_man;		//人物

	CPathFind	m_pathFind;	//寻路

	int	curi;//当前点[i][j]
	int curj;

	bool isMoving;//人物是否在移动中

2>、消息的路由：对消息的响应

//----------------------------------------------------------
//						消息响应函数
//----------------------------------------------------------

//WM_CREATE消息
void CCWindow::OnCreate()
{
	//如果初始化失败
	if(!m_scene.InitScene() ||
		!m_man.InitRole("res\\man.png", 8))
	{
		MessageBox(m_hwnd, "png加载失败", "提示",  MB_OK);
		exit(0);
	}

	curi = 3;//初始化起点
	curj = 1;

	//人物一开始还未移动
	isMoving = false;

	//创建计时器
	SetTimer(m_hwnd, ID_PAINTROLE, 120, NULL);
}

//WM_SIZE消息
void CCWindow::OnSize()
{
	//获取客户区大小
	GetClientRect(m_hwnd, m_rect);

	m_scene.SetClientRect(m_rect);
	m_man.SetClientRect(m_rect);

	CSize sBlock = m_scene.GetBlockSize();
	
	//初始化人物状态(方向、位置)
	m_man.SetDirection(SOUTH);

	m_man.SetPos(
		CPoint(sBlock.cx * curj, curi * sBlock.cy),
		sBlock);
}

//WM_TIMER消息
void CCWindow::OnTimer(WPARAM wParam)
{
	switch(wParam)
	{
	//绘制角色
	case ID_PAINTROLE:
		m_man.NextFrame();
		break;

	//移动人物
	case ID_MOVEROLE:
		{
			//获取最短路径的下一个结点
			int direct = m_pathFind.GetNextNode(curi, curj);

			//到达终点时(没有获取到方向)，停止移动人物
			if(direct == NODTN)
			{
				KillTimer(m_hwnd, ID_MOVEROLE);
				isMoving = false;

				return;
			}
			else//未到达终点，继续移动
				m_man.SetDirection(direct);

			CSize sBlock = m_scene.GetBlockSize();

			//设置角色的位置
			m_man.SetPos(
				CPoint(sBlock.cx * curj, curi * sBlock.cy),
				sBlock);			
		}
		break;
	}

	InvalidateRect(m_hwnd, NULL, false);//重绘
}

//WM_PAINT消息
void CCWindow::OnPaint()
{
	CPaintDC	dc(CWnd::FromHandle(m_hwnd));
	
	CDC		bufferDC;
	CBitmap	bufferBmp;

	//双缓冲贴图
	bufferDC.CreateCompatibleDC(NULL);
	bufferBmp.CreateCompatibleBitmap(&dc,
		m_rect.Width(), m_rect.Height());
	bufferDC.SelectObject(bufferBmp);

	m_scene.PaintScene(bufferDC);//绘制场景
	m_man.PaintRole(bufferDC);	//绘制人物

	dc.BitBlt(0, 0, m_rect.Width(), m_rect.Height(),
			&bufferDC, 0, 0, SRCCOPY);

	bufferBmp.DeleteObject();
	bufferDC.DeleteDC();
}

//WM_LBUTTONDOWN消息(重点)
void CCWindow::OnLButtonDown(LPARAM lParam)
{
	//如果人物没在移动
	if(!isMoving)
	{
		CPoint lMouse;//获取鼠标左键点击的位置
		lMouse.x = LOWORD(lParam);
		lMouse.y = HIWORD(lParam);

		//方块大小
		CSize sBlock = m_scene.GetBlockSize();

		//寻找鼠标左键点击的方块(目的地)
		for(int i=0; i<6; i++)
		{
			for(int j=0; j<7; j++)
			{
				CPoint point(sBlock.cx * j, i * sBlock.cy);
				CRect rect(point, sBlock);

				//找到鼠标点击的方块
				if(rect.PtInRect(lMouse))
				{
					//如果点击方块是能通过的(非障碍点)
					if(m_pathFind.IsPass(i, j))
					{
						SetTimer(m_hwnd, ID_MOVEROLE, 800, NULL);

						//寻路
						m_pathFind.Initial();//先初始化
						m_pathFind.SetEndPoint(i, j);//设置终点
						m_pathFind.PathFinding(curi, curj, 0);//开始寻找最短路径

						//设置人物的位置
						m_man.SetPos(
							CPoint(sBlock.cx * curj, curi * sBlock.cy),
							sBlock);

						isMoving = true;//此时人物开始移动
					}
					else
					{
						//障碍点就提示一下
						MessageBox(m_hwnd, "目的地是障碍点，不能到达",
							"提示(By BlueCoder)", MB_OK);
					}

					return;//处理完毕直接退出
				}
			}
		}
	}
}

//WM_KEYDOWN消息
void CCWindow::OnKeyDown(WPARAM wParam)
{
	//按下Esc键退出
	if(wParam == VK_ESCAPE)
	{
		DestroyWindow(m_hwnd);
	}
}

//WM_DESTROY消息
void CCWindow::OnDestroy()
{
	KillTimer(m_hwnd, ID_PAINTROLE);
	KillTimer(m_hwnd, ID_MOVEROLE);

	m_scene.ReleaseScene();
	m_man.ReleaseRole();

	PostQuitMessage(0);
}

本次配套学习的源代码及工程资源(VS2010创建)：(csdn总算是批出来了，⊙﹏⊙b汗)

【VC++开发十二】人工智能(二)：最短路径 & 智能越过障碍

BlueCoder在这里感谢大家对此专栏【VC++游戏开发】的关注，也希望大家继续关注，并诚邀各位留下你的宝贵意见，你的忠言、我的回复就构成了交流，促进我们共同地进步，向游戏梦想更近一步

最后，依旧送上一段箴言，我觉得还不错^_^：

1、容易走的，都是下坡路。

2、自由不是想干什么就干什么，而是想不干什么就不干什么。

3、命，是失败者的借口；运，是成功者的谦词。

4、打动人心的最佳方法，是谈他最珍爱的东西。

5、品格不由你占有的东西决定，而是由你匮乏的东西塑造的。

6、郁闷时，坐下来犒劳自己，原谅别人，也放过自己。

今日游戏效果模拟到此结束……

新年将至，在这里预祝大家新年快乐，马年吉祥，马上有钱，哈哈：）