• Heuristic function


    启发式算法

    启发函数h(n)告诉A *从任何顶点n到目标的最小成本的估计。 选择一个好的启发式函数很重要。

    A*对启发式函数的使用

    启发式可以用来控制A *的行为。

    • 一种极端情况,如果h(n)是0,则只有g(n)起作用,此时A*演变成Dijkstra算法,这保证能找到最短路径。

    • 如果h(n)经常都比从n移动到目标的实际代价小(或者相等),则A*保证能找到一条最短路径。h(n)越小,A*扩展的结点越多,运行就得越慢。

    • 如果h(n)精确地等于从n移动到目标的代价,则A*将会仅仅寻找最佳路径而不扩展别的任何结点,这会运行得非常快。尽管这不可能在所有情况下发生,你仍可以在一些特殊情况下让它们精确地相等(译者:指让h(n)精确地等于实际值)。只要提供完美的信息,A*会运行得很完美,认识这一点很好。

    • 如果h(n)有时比从n移动到目标的实际代价高,则A*不能保证找到一条最短路径,但它运行得更快。

    • 另一种极端情况,如果h(n)比g(n)大很多,则只有h(n)起作用,A*演变成BFS算法。

    所以我们得到一个很有趣的情况,那就是我们可以决定我们想要从A*中获得什么。理想情况下(注:原文为At exactly the right point),我们想最快地得到最短路径。如果我们的目标太低,我们仍会得到最短路径,不过速度变慢了;如果我们的目标太高,那我们就放弃了最短路径,但A*运行得更快。

    在游戏中,A*的这个特性非常有用。例如,你会发现在某些情况下,你希望得到一条好的路径("good" path)而不是一条完美的路径("perfect" path)。为了权衡g(n)和h(n),你可以修改任意一个。

    :在学术上,如果启发式函数值是对实际代价的低估,A*算法被称为简单的A算法(原文为simply A)。然而,我继续称之为A*,因为在实现上是一样的,并且在游戏编程领域并不区别A和A*。

    速度还是精确度?

    A*改变它自己行为的能力基于启发式代价函数,启发式函数在游戏中非常有用。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。而你需要什么则取决于游戏中发生着什么,或者运行游戏的机器有多快。

    假设你的游戏有两种类型的平地和山地,平地的运动费用为1,山地的运动费用为3,A *将沿着平地土地搜索三倍远的山地。 这是因为沿着平坦的地形有一条可以绕山的道路。 把两个邻接点之间的评估距离设为1.5可以加速A*的搜索过程。 A *将会比较3到1.5,并不会像3比1那样差。它不像山区那样不满意,所以不会花太多时间试图找到一个办法。 或者,您可以通过减少搜索山脉路径的数量来加快A *的搜索,告诉A *,山地的运动成本为2而不是3。现在,它将在平坦的地形上搜索两倍远的山地一样。 任何一种方法都放弃理想的途径来获得更快的东西。

    速度和精度之间的选择不一定是静态的。 您可以根据CPU速度,用于路径搜索的时间片数,地图上物体(units)的数量,物体的重要性,组大小,难度级别或任何其他因素动态选择。 使权衡动态的一种方法是构建一个启发式函数,其假设运行一个网格空间的最小成本为1,然后建立一个代价函数(cost function)用于测量(scales):

    g'(n) = 1 + alpha * (g(n) - 1)
    

      如果alpha是0,则改进后的代价函数的值总是1。这种情况下,地形代价被完全忽略,A*工作变成简单地判断一个网格可否通过。如果alpha是1,则最初的代价函数将起作用,然后你得到了A*的所有优点。你可以设置alpha的值为0到1的任意值。

    你也可以考虑对启发式函数的返回值做选择:绝对最小代价或者期望最小代价。例如,如果你的地图大部分地形是代价为2的草地,其它一些地方是代价为1的道路,那么你可以考虑让启发式函数不考虑道路,而只返回2*距离。

    速度和精确度之间的选择并不是全局的。在地图上的某些区域,精确度是重要的,你可以基于此进行动态选择。例如,假设我们可能在某点停止重新计算路径或者改变方向,则在接近当前位置的地方,选择一条好的路径则是更重要的,因此为何要对后续路径的精确度感到厌烦?或者,对于在地图上的一个安全区域,最短路径也许并不十分重要,但是当从一个敌人的村庄逃跑时,安全和速度是最重要的。(译者注:译者认为这里指的是,在安全区域,可以考虑不寻找精确的最短路径而取近似路径,因此寻路快;但在危险区域,逃跑的安全性和逃跑速度是重要的,即路径的精确度是重要的,因此可以多花点时间用于寻找精确路径。)

    衡量单位

    A*计算f(n) = g(n) + h(n)。为了对这两个值进行相加,这两个值必须使用相同的衡量单位。如果g(n)用小时来衡量而h(n)用米来衡量,那么A*将会认为g或者h太大或者太小,因而你将不能得到正确的路径,同时你的A*算法将运行得更慢。

    精确的启发式函数

    如果你的启发式函数精确地等于实际最佳路径(optimal path),如下一部分的图中所示,你会看到此时A*扩展的结点将非常少。A*算法内部发生的事情是:在每一结点它都计算f(n) = g(n) + h(n)。当h(n)精确地和g(n)匹配(译者注:原文为match)时,f(n)的值在沿着该路径时将不会改变。不在正确路径(right path)上的所有结点的f值均大于正确路径上的f值(译者注:正确路径在这里应该是指最短路径)。如果已经有较低f值的结点,A*将不考虑f值较高的结点,因此它肯定不会偏离最短路径。

    1.在粗网格的顶部安装粗网格。 预先计算任何一对粗网格位置之间的最短路径。

    2.预先计算任何一对航路点之间的最短路径。 这是粗网格方法的概括。

    然后添加一个启发函数h’用于评估从任意位置到达邻近导航点(waypoints)的代价。(如果愿意,后者也可以通过预计算得到。)最终的启发式函数可以是:

    h(n) = h'(n, w1) + distance(w1, w2) + h'(w2, goal)
    

      或者如果你希望一个更好但是更昂贵的启发式函数,则分别用靠近结点和目标的所有的w1,w2对对上式进行求值。(译者注:原文为or if you want a better but more expensive heuristic, evaluate the above with all pairs w1, w2 that are close to the node and the goal, respectively.)

    线性精确启发式算法

    在特殊情况下,你可以不通过预计算而让启发式函数很精确。如果你有一个不存在障碍物和slow地形,那么从初始点到目标的最短路径应该是一条直线。

      如果你正使用简单的启发式函数(我们不知道地图上的障碍物),则它应该和精确的启发式函数相符合(译者注:原文为match)。如果不是这样,则你会遇到衡量单位的问题,或者你所选择的启发函数类型的问题。

    网格地图中的启发式算法

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