连连看游戏设计

写书评，赢取《编程之美--微软技术面试心得》www.ieee.org.cn/BCZM.asp 连连看游戏设计 连连看是一种很受大家欢迎的小游戏。微软亚洲研究院的实习生 们就曾经开发过一个类似的游戏——Microsoft Link-up。 图 1-17 连连看游戏示意图 图 1-17 为 Microsoft Link-up 的一个截图。如果用户可以把两 个同样的图用线（连线拐的弯不能多于两个）连到一起，那么这两个 头像就会消掉，当所有的头像全部消掉的时候，游戏成功结束。游戏 头像有珍稀动物、京剧脸谱等。Microsoft Link-up 还支持用户输入 的图像库，微软的同事们曾经把新员工的漫画头像加到这个游戏中， 让大家在游戏之余也互相熟悉起来。 假如让你来设计一个连连看游戏的算法，你会怎么做呢？要求说 明： 1. 怎样用简单的计算机模型来描述这个问题？ 2. 怎样判断两个图形能否相消？ 3. 怎样求出相同图形之间的最短路径（转弯数最少，路径经过的 格子数目最少）。 4. 怎样确定目前是处于死锁状态，如何设计算法来解除死锁？ 写书评，赢取《编程之美--微软技术面试心得》www.ieee.org.cn/BCZM.asp 分析与解法 连连看游戏的设计，最主要包含游戏局面的状态描述，以及游戏 的描述。而游戏规则的描述就对应着状态的合法转移（在某一个 状态，有哪些操作是满足规则的，经过这些满足规则的操作，会到达 哪些状态）。所以，自动机模型适合用来描述游戏设计。 下面是一个参考的连连看游戏的伪代码： 代码清单 1-22 生成游戏初始局面 Grid preClick = NULL, curClick = NULL; while(游戏没有结束) { 监听用户动作 if(用户点击格子(x, y)，且格子(x, y)为非空格子) { preClick = curClick; curClick.Pos = (x, y); } if(preClick != NULL && curClick != NULL && preClick.Pic == curClick.Pic && FindPath(preClick, curClick) != NULL) { 显示两个格子之间的消去路径 消去格子preClick, curClick; preClick = curClick = NULL; } } 从上面的整体框架可以看到，完成连连看游戏需要解决下面几个 问题： 1. 生成游戏初始局面。 2. 每次用户选择两个图形，如果图形满足一定条件（两个图形一 样，且这两个图形之间存在少于3个弯的路径），则两个图形都 写书评，赢取《编程之美--微软技术面试心得》www.ieee.org.cn/BCZM.asp 能消掉。给定具有相同图形的任意两个格子，我们需要寻找这 两个格子之间在转弯最少的情况下，经过格子数目最少的路径。 如果这个最优路径的转弯数目少于3，则这两个格子可以消去。 3. 判断游戏是否结束。如果所有图形全部消去，游戏结束。 4. 判断死锁，当游戏玩家不可能再消去任意两个图像的时候，游 戏进入“死锁”状态。如图1-18，该局面中已经不存在两个相 同的图片相连的路径转弯数目小于3的情况。 在死锁的情况下，我们也可以暂时不终止游戏，而是随机打乱局 面，打破“死锁”局面。 图 1-18 连连看死锁的情况 首先思考问题：怎样判断两个图形能否相消？在前面的分析中， 我们已经知道，两个图形能够相消的充分必要条件是这两个图形相同， 且它们之间存在转弯数目小于 3 的路径。因此，需要解决的主要问题 是，怎样求出相同图形之间的最短路径。首先需要保证最短路径的转 弯数目最少。在转弯数目最少的情况下，经过的格子数目也要尽可能 地少。 在经典的最短路径问题中，需要求出经过格子数目最少的路径。 而这里，为了保证转弯数目最少，需要把最短路径问题的目标函数修 改为从一个点到另一个点的转弯次数。虽然目标函数修改了，但算法 的框架仍然可以保持不变。广度优先搜索是解决经典最短路问题的一 个思路。我们看看在新的目标函数（转弯数目最少）下，如何用广度 优先搜索来解决图形 A（x1, y1）和图形 B（x2, y2）之间的最短路径 问题。 首先把图形 A（x1, y1）压入队列。 然后扩展图形 A（x1, y1）可以直线到达的格子（即图形 A（x1, y1） 写书评，赢取《编程之美--微软技术面试心得》www.ieee.org.cn/BCZM.asp 可以通过转弯数目为 0 的路径（直线）到达这些格子）。假设这些格 子为集合 S0，S0 = Find（x1, y1）。如果图形 B（x2, y2）在集合 S0 中，则结束搜索，图形 A 和 B 可以用直线连接。 否则，对于所有 S0集合中的空格子（没有图形），分别找到它们 可以直线到达的格子。假设这个集合为 S1。S1 = {Find（p）| p ∈S0}。 S1包含了 S0，我们令 S1’= S1-S0，则 S1’中的格子和图形 A（x1, y1） 可以通过转弯数目为 1的路径连起来。如果图形 B（x2, y2）在 S1’中， 则图形 A和 B可以用转弯数目为 1的路径连接，结束搜索。 否则，我们继续对所有 S1’集合中的空格子（没有图形），分别 找出它们可以直线到达的格子，假设这个集合为 S2，S2 = Find{ Find （p）| p ∈S1’}。S2包含了 S0和 S1，我们令 S2’= S2 - S0 - S1 = S2 - S0 - S1’。集合 S2’是图形 A（x1, y1）可以通过转弯数目为 2 的 路径到达的格子。如果图形 B（x2, y2）在集合 S2’中，则图形 A 和 B 可以用转弯数目为 2 的路径连接，否则图形 A 和 B 不能通过转弯小于 3 的路径连接。 在扩展的过程中，只要记下每个格子是从哪个格子连过来的（也 就是转弯的位置），最后图形 A 和 B 之间的路径就可以绘制出来。 在上面的广度优先搜索过程中，有两步操作：S1’ = S1 - S0 和 S2’= S2 - S0 -S1。它们可以通过从图形 A（x1, y1）到该格子（x, y）的转弯数目来实现。开始，将所有格子（x, y）和格子 A（x1, y1） 之间路径的最少转弯数目 MinCrossing（x, y）初始化为无穷大。然 后，令 MinCrossing（A）= MinCrossing（x1, y1）= 0，格子 A 到自 身当然不需要任何转弯。第一步扩展之后，所有 S0 集合中的格子的 MinCrossing 值为 0。在 S0集合继续扩展得到的 S1集合中，格子 X 和 格子 A 之间至少有转弯为 1 的路径，如果格子 X 本身已经在 S0中，那 么，MinCrossing（X）= 0。这时，我们保留转弯数目少的路径，也 就是 MinCrossing（X）= MinValue（MinCrossing（X）, 1）= 0。 这个过程，就实现了上面伪代码中的 S1’= S1 - S0。S2’= S2 - S0– S1的扩展过程也类似。 经过上面的分析，我们知道，每一个格子 X（x, y），都有一个状 态值MinCrossing（X）。它记录下了该格子和起始格子 A 之间的最 优路径的转弯数目。广度优先搜索，就是每次优先扩展状态值最 少的格子。如果要保证在转弯数目最少的情况下，还要保持路径 长度尽可能地短，则需要对每一个格子 X 保存两个状态值 MinCrossing（X）和 MinDistance（X）。从格子 X 扩展到格子 Y 的 写书评，赢取《编程之美--微软技术面试心得》www.ieee.org.cn/BCZM.asp 过程，可以用下面的伪代码实现： if((MinCrossing(X) + 1 < MinCrossing(Y)) || ((MinCrossing(X) + 1 == MinCrossing(Y) && (MinDistance(X) + Dist(X,Y) < MinDistance(Y))) { MinCrossing(Y) = MinCrossing(X) + 1; MinDistance(Y) = MinDistance(X) + Dist(X, Y); } 也就是说，如果发现从格子 X 过来的路径改进了转弯数目或者路 径的长度，则更新格子 Y。 “死锁”问题本质上还是判断两个格子是否可以消去的问题。最 直接的方法就是，对于游戏中尚未消去的格子，都两两计算一下它们 是否可以消去。此外，从上面的广度优先搜索可以看出，我们每次都 是扩展出起始格子 A（x1, y1）能够到达的格子。也就是说，对于每 一个格子，可以调用一次上面的扩展过程，得到所有可以到达的格子， 如果这些格子中有任意一个格子的图形跟起始格子一致，则它们可以 消去，目前游戏还不是“死锁”状态。 扩展问题： 1. 在连连看游戏设计中，是否可以通过维护任意两个格子之间的 最短路径来实现快速搜索？在每一次消去两个格子之后，更新 我们需要维护的数据（任意两个格子之间的最短路径）。这样 的思路有哪些优缺点，如何实现呢？ 2. 在围棋或象棋游戏中，经过若干步操作之后，可能出现一个曾经 出现过的状态（例如，围棋中的打劫）。如何在围棋、象棋游戏 设计中检测这个状态呢？