Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity

в 8:47, , рубрики: .net, algorithms, C#, Gamedev, gamedevelopment, unity. maze, unity3d, игры, юнити

Всем привет!

Сегодня хотелось бы рассказать о том, как генерировать лабиринты алгоритмом Эллера, и о том, как сделать красивую 3д визуализацию в Unity, чтобы потом использовать её в своих играх. Также немного рассказать о том, как можно настроить пост обработку внутри данного решения. И по традиции ссылка GitHub с самим генератором.

Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity - 1

Алгоритм Эллера — это достаточно популярный алгоритм генерации “идеальных” (между двумя точками существует единственный путь) лабиринтов, так как он один из самых быстрых и генерирует “интересные” лабиринты. “Интересными” они получаются за счёт того, что этот алгоритм не базируется на поиске остовного дерева в графе в следствии чего реже генерирует фрактальные структуры. В том числе одним из плюсов алгоритма является то, что он позволяет генерировать лабиринты бесконечного размера за линейное время.

Алгоритм базируется на том, что мы объединяем ячейки лабиринта в разные множества, а в последнем шаге алгоритма объединяем их в одно общем множество. Ячейки находятся в одном множестве — если от одной ячейки можно дойти до другой. Изначально все стены лабиринта подняты, так что все ячейки находятся в разных множествах.

Я видел множество различных описаний самого алгоритма (даже на хабре), поэтому не буду делать этого ещё раз, а вкратце напишу описание своей имплементации.

Сам алгоритм состоит из 3-ёх основных шагов.

В цикле:
1. Обрабатываем строку, случайным образом объединяя ячейки в строке принадлежащие разным множествам.

Код

private void CreateRow(W4Maze maze, int rowNum)
        {
            for(int i = 0; i < maze.ColumnCount - 1; i++)
            {
                var cell = maze.GetCell(i, rowNum);
                var nextCell = maze.GetCell(i + 1, rowNum);
                if (cell.Set != nextCell.Set)
                {
                    if (UnityEngine.Random.Range(0, 2) > 0)
                    {
                        RemoveHorizonWallBetweenCells(
                            maze,
                            cell,
                            nextCell,
                            rowNum);
                    }
                }
            }
        }

2. Проходим по той же строке и случайным образом объединяем ячейки из строки выше с нашей строкой (с некоторыми ограничениями)

Код

 private void CreateVerticalConnections(
            W4Maze maze,
            int rowNum)
        {
            bool removeVertical = false;
            bool isAddedVertical = false;
            for (int i = 0; i < maze.ColumnCount - 1; i++)
            {
                W4Cell cell = maze.GetCell(i, rowNum);
                W4Cell nextCell = maze.GetCell(i + 1, rowNum);
                W4Cell topCell = maze.GetCell(i, rowNum + 1);
                if (cell.Set != nextCell.Set)
                {
                    if (!isAddedVertical)
                    {
                        RemoveVerticalWall(cell, topCell);
                    }
                    isAddedVertical = false;
                }
                else
                {
                    removeVertical = Random.Range(0, 2) > 0;
                    if (removeVertical)
                    {
                        RemoveVerticalWall(cell, topCell);
                        isAddedVertical = true;
                    }
                }
            }
            CheckLastVertical(maze, rowNum, isAddedVertical);
        }

Последним шагом:
Обрабатываем последнюю строку объединяя ячейки из разных множеств

Код

private void CreateLastRow(W4Maze maze)
        { 
            int y = maze.RowCount - 1;
            for(int i = 0; i < maze.ColumnCount - 1; i++)
            {
                var cell = maze.GetCell(i, y);
                var nextCell = maze.GetCell(i + 1, y);
                if(cell.Set != nextCell.Set)
                {
                    RemoveHorizonWallBetweenCells(
                        maze,
                        cell,
                        nextCell,
                        y);
                }
            }
        }

В целом это и есть алгоритм.

Лабиринт нужно в чём-то хранить. В моём решении есть 2 структуры для хранения лабиринтов.

W4Maze — который по сути представляет из себя массив ячеек 16-ти типов по количеству поднятых стен. Сама ячейка W4Cell хранит в себе просто 4 bool поля, которые говорят о том, какие стены подняты. Эта структура удобна для генерации лабиринта алгоритмом Эллера и удобна для сериализации.

Но с другой стороны она совершенно неудобна для генерации стен. Идея в том, что у лабиринта стены должны обладать толщиной, для того чтобы реализовать подобный алгоритм удобны именно графовые структуры. Для этого была заведена структура MazeGraph и реализовано преобразование из W4Maze в него. Кроме того, для удобства, в нём было создано 2 списка — путей и стен. В итоге написав простенькую визуализацию с помощью Gizmos мы получаем такой лабиринт. Желтый — это стены, а зелёный — это пути.

Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity - 2

В целом уже неплохо, но в стенах и путях слишком много лишних узлов, что будет неудобно в дальнейшем для генерации трёхмерной визуализации, так что мы их упрощаем. Это позволит сгенерировать меньше мешей и избежать артефактов освещения на стыках.

К примеру код для стен

private void ProcessWallEdges()
        {
            for(int i = 0; i < _WallEdges.Count; i++)
            {
                for(int j = i + 1; j < _WallEdges.Count; j++)
                {
                    var edge1 = _WallEdges[i];
                    var edge2 = _WallEdges[j];
                    if (Mathf.Abs(edge1.Normal.x)
                        == Mathf.Abs(edge2.Normal.x)
                        && Mathf.Abs(edge1.Normal.y)
                        == Mathf.Abs(edge2.Normal.y))
                    {
                        if (Edge.IsCanMerge(edge1, edge2))
                        {
                            var edge = Edge.Merge(edge1, edge2);
                            _WallEdges.Remove(edge1);
                            _WallEdges.Remove(edge2);
                            _WallEdges.Remove(edge);
                            _WallEdges.Insert(i, edge);
                            j = i;
                        }
                    }
                }
            }
        }

Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity - 3

Остальное уже дело техники. У меня написан свой инструмент для генерации плоскостей класс MeshTools с самой простой триангуляцией (так как мы знаем порядок добавления точек) В целом можно было бы использовать и юнитёвые Quad’ы, но в любом случае в 3д был было бы необходимо пересчитать uv координаты для того, чтобы тайлинг материала на всех стенах был одинаковый и при этом можно было бы использовать один материал. Более подробно можно посмотреть по ссылке на GitHub.

Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity - 4

Итак, лабиринт построен, правильно выставлены uv-шки. Теперь хочется показать простейший пример возможности пост процессинга на примере автоматической расстановки света. Для этого я создал класс LightPlacer и тут нам снова пригодится лабиринт W4Maze. Алгоритм пост обработки довольно простой. Мы просто задаём уровни освещённости, переводим тип ячейки в int и принимаем решение, ставить источник света или нет.

И снова код

 public GameObject SetUpLights(
            W4Maze maze,
            float height)
        {
            GameObject lights = new GameObject();

            for(int i = 0; i < maze.ColumnCount; i++)
            {
                for(int j = 0; j < maze.RowCount; j++)
                {
                    var cell = maze.GetCell(i, j);

                    if(cell.ToInt() < (int) _LightLevel)
                    {
                        var lightGo = CreatePointLight();
                        lightGo.transform.position = new Vector3(
                            i ,
                            height * 0.9f,
                            j);
                    }
                }
            }
            return lights;
        }
        public enum LightLevel : byte
        {
            Low = 3,
            Medium = 5,
            High = 10,
            VeryHigh = 16
        }

И вот наш финальный лабиринт!

Генерация лабиринта алгоритмом Эллера в Unity - 5

С помощью подобной пост обработки можно расставлять декали, врагов, ловушки, да и всё что угодно.

Спасибо за внимание! Кому хочется ознакомится с решением подробнее ссылка на GitHub.

Если кому-то была бы интересна подробнее тема генерации мешей, которая является важной частью решения — могу написать про это отдельной статьёй.

Автор: Григорий Дядиченко

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля