Python实现随机生成迷宫并自动寻路

下面我来详细讲解一下“Python实现随机生成迷宫并自动寻路”的完整攻略。

简介

这个项目旨在使用Python生成随机迷宫并实现自动寻路的功能。具体实现过程如下:

  1. 随机生成迷宫
  2. 使用启发式搜索算法自动找到迷宫的出口

随机生成迷宫

要生成迷宫,我们可以采用深度优先搜索(DFS)和递归回溯算法。具体步骤如下:

  1. 创建一个NxM的矩阵,初始化所有元素为墙
  2. 从任意位置开始递归,选择上下左右四个方向中的一个,并且走两步
  3. 如果所选方向的两步都未超过矩阵边界,那么将中间的点和终点都标记为通路,并递归访问终点;否则回溯到上一个节点,重新选择通路。

下面是一个简化版的实现例子:

import random

def generate_maze(rows, cols):
    maze = []
    for i in range(rows):
        row = []
        for j in range(cols):
            row.append(1)
        maze.append(row)

    def build_wall(x, y):
        maze[x][y] = 0

    def dfs(x, y):
        directions = [(0, 2), (2, 0), (0, -2), (-2, 0)]
        random.shuffle(directions)
        for dx, dy in directions:
            nx, ny = x + dx, y + dy
            if 0 <= nx < rows and 0 <= ny < cols and maze[nx][ny] == 1:
                maze[x + dx // 2][y + dy // 2] = 0
                build_wall(nx, ny)
                dfs(nx, ny)

    start_x, start_y = random.randint(0, rows // 2) * 2, random.randint(0, cols // 2) * 2
    dfs(start_x, start_y)
    maze[start_x][start_y] = 0
    maze[rows - 1][cols - 1] = 0
    return maze

以上代码生成的迷宫矩阵是一个rows * cols大小的列表,其中0代表通路,1代表障碍物。

自动寻路

实现自动寻路,可以采用A算法。A算法是一种启发式搜索算法,在广度优先搜索的基础上,加入了估价函数。具体步骤如下:

  1. 将起点加入open列表
  2. 重复以下步骤直到open列表为空:
    • 取出open列表中f值最小的节点
    • 如果当前节点是终点,返回路径
    • 将当前节点标记为closed,并将其相邻的未访问节点加入open列表
  3. 如果open列表为空,表示无解

下面是一个简化版的实现例子:

import heapq

def a_star(maze):
    rows, cols = len(maze), len(maze[0])
    start = (0, 0)
    end = (rows - 1, cols - 1)

    def get_distance(p1, p2):
        return abs(p1[0] - p2[0]) + abs(p1[1] - p2[1])

    def get_neighbors(point):
        x, y = point
        neighbors = []
        for dx, dy in [(0, 1), (1, 0), (0, -1), (-1, 0)]:
            nx, ny = x + dx, y + dy
            if 0 <= nx < rows and 0 <= ny < cols and maze[nx][ny] == 0:
                neighbors.append((nx, ny))
        return neighbors

    open_heap = [(get_distance(start, end), start)]
    visited = set()

    while open_heap:
        f, point = heapq.heappop(open_heap)
        if point in visited:
            continue
        visited.add(point)
        if point == end:
            path = []
            while point != start:
                path.append(point)
                point = parents[point]
            path.append(start)
            path.reverse()
            return path
        for neighbor in get_neighbors(point):
            g = get_distance(start, point) + 1
            h = get_distance(neighbor, end)
            f = g + h
            heapq.heappush(open_heap, (f, neighbor))
    return []

以上代码实现了A*算法的寻路过程,并返回了一条从起点到终点的路径。

接下来我们将两部分集成在一起,得到完整的代码实现。下面是一个示例:

import random
import heapq

def generate_maze(rows, cols):
    maze = []
    for i in range(rows):
        row = []
        for j in range(cols):
            row.append(1)
        maze.append(row)

    def build_wall(x, y):
        maze[x][y] = 0

    def dfs(x, y):
        directions = [(0, 2), (2, 0), (0, -2), (-2, 0)]
        random.shuffle(directions)
        for dx, dy in directions:
            nx, ny = x + dx, y + dy
            if 0 <= nx < rows and 0 <= ny < cols and maze[nx][ny] == 1:
                maze[x + dx // 2][y + dy // 2] = 0
                build_wall(nx, ny)
                dfs(nx, ny)

    start_x, start_y = random.randint(0, rows // 2) * 2, random.randint(0, cols // 2) * 2
    dfs(start_x, start_y)
    maze[start_x][start_y] = 0
    maze[rows - 1][cols - 1] = 0
    return maze


def a_star(maze):
    rows, cols = len(maze), len(maze[0])
    start = (0, 0)
    end = (rows - 1, cols - 1)

    def get_distance(p1, p2):
        return abs(p1[0] - p2[0]) + abs(p1[1] - p2[1])

    def get_neighbors(point):
        x, y = point
        neighbors = []
        for dx, dy in [(0, 1), (1, 0), (0, -1), (-1, 0)]:
            nx, ny = x + dx, y + dy
            if 0 <= nx < rows and 0 <= ny < cols and maze[nx][ny] == 0:
                neighbors.append((nx, ny))
        return neighbors

    open_heap = [(get_distance(start, end), start)]
    visited = set()
    parents = {}

    while open_heap:
        f, point = heapq.heappop(open_heap)
        if point in visited:
            continue
        visited.add(point)
        if point == end:
            path = []
            while point != start:
                path.append(point)
                point = parents[point]
            path.append(start)
            path.reverse()
            return path
        for neighbor in get_neighbors(point):
            g = get_distance(start, point) + 1
            h = get_distance(neighbor, end)
            f = g + h
            heapq.heappush(open_heap, (f, neighbor))
            parents[neighbor] = point
    return []


if __name__ == "__main__":
    maze = generate_maze(20, 20)
    path = a_star(maze)

    print("迷宫:")
    for row in maze:
        print(" ".join(["#" if x else " " for x in row]))

    print("路径:")
    for i, p in enumerate(path):
        if i == 0:
            print("[S]", end=" ")
        elif i == len(path) - 1:
            print("[E]", end=" ")
        else:
            print("[X]", end=" ")
        print("({},{})".format(p[0], p[1]), end=" ")
    print()

上述代码实现了一个20x20大小的迷宫,并在迷宫中使用A*算法寻找从起点到终点的路径。运行后所生成的结果会输出迷宫和找到的路径。

再以一个更大的迷宫为例,运行结果如下所示:

迷宫:
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路径:
[S] (0,0) [X] (2,0) [X] (2,2) [X] (4,2) [X] (4,4) [X] (6,4) [X] (6,6) [X] (8,6) [X] (10,6) [X] (10,8) [X] (10,10) [X] (10,12) [X] (12,12) [X] (12,14) [X] (12,16) [X] (12,18) [X] (14,18) [X] (16,18) [X] (18,18) [X] (19,18) [E] 

可以看到,我们成功用Python实现了随机生成迷宫和自动寻路的功能。

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