この記事は,TeX & LaTeX Advent Calendar 2021の14日目の記事です。13日目はh-kitagawaさんでした。15日目はmod_poppoさんです。
はじめに
そろそろクリスマスです。つまりクリスマスプレゼントの準備が必要になります。というわけで本記事ではexpl3で迷路を自動生成してみます。これでクリスマスプレゼントには困りません!年賀状に迷路を描くのもいいですね。(皆さんは年賀状をもちろんTeXで書いてると思うので。)
作成したスタイルファイル等はここにあります。expl3初心者なんで,いろいろと微妙なところがあると思います。温かい目で見てください。
目標
\maze[seed]{width}{height}
のように乱数のSeed値(未指定の場合はシステム時刻(?)),幅,高さを指定して下の画像のように迷路を生成するマクロを作成します。迷路生成のアルゴリズムには穴掘り法にします。アルゴリズムの実装にはもちろんexpl3を使います。迷路はTikZで描きます。下の画像は\maze[0][24][18]
の出力です。
実装
このような構成でスタイルファイルを作ります。
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\RequirePackage{expl3, xparse, tikz}
\ProvidesExplPackage {auto-maze} {...} {...} {...}
% 変数宣言
\NewDocumentCommand \maze { o m m }
{
% 迷路データの生成
% 迷路の出力
}
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定数/変数宣言
迷路データの生成に使う定数と変数について簡単に説明します。
迷路の壁(\c__atmz_wall_int
)と道(\c__atmz_road_int
)をそれぞれ定数で宣言します。
\l__atmz_arg_width_int
と\l__atmz_arg_height_int
はマクロの引数(#2
,#3
)に対応するもので,迷路の壁の厚さを0,道の幅を1とした迷路のサイズの値です。
\l__atmz_maze_prop
に迷路の情報を格納します。key
には迷路のセル番号とし値を\c__atmz_wall_int
か\c__atmz_road_int
とします。セル番号とは,左からx
列目,迷路の上からy
行目のセルの場合にy * \l__atmz_maze_width_int + x
となる値のことです。\l__atmz_maze_width_int
は\l__atmz_arg_width_int * 2 + 1 + 2
(height
も同様)となる値です。迷路データの生成の画像を見るとわかりやすいです。
他の変数については後で説明します。
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\int_const:Nn \c__atmz_wall_int { \c_one_int }
\int_const:Nn \c__atmz_road_int { \c_zero_int }
\int_new:N \l__atmz_arg_width_int
\int_new:N \l__atmz_arg_height_int
\int_new:N \l__atmz_maze_width_int
\int_new:N \l__atmz_maze_height_int
\prop_new:N \l__atmz_maze_prop
\int_new:N \l__atmz_loop_i_int
\int_new:N \l__atmz_loop_j_int
\int_new:N \l__atmz_x_int
\int_new:N \l__atmz_y_int
\int_new:N \l__atmz_tmp_int
\int_new:N \l__atmz_key_int
\int_new:N \l__atmz_rand_int
\seq_new:N \l__atmz_rand_box_seq
\bool_new:N \l__atmz_loop_i_bool
\int_new:N \l__atmz_now_int
\int_new:N \l__atmz_count_tblr_int
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Seed値の指定
オプションでSeed値が指定されたら\sys_gset_rand_seed:n
でSeed値を設定します。
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\IfNoValueF { #1 } { \sys_gset_rand_seed:n { #1 } }
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迷路データの生成
ここでは\l__atmz_maze_prop
を下の画像のようにすることを目的とします。穴掘り法による迷路生成がわかっていることを前提に簡単に説明します。
初期化
まずは外周を道,その内部を壁とします。最初のループでは全てを壁にしています。次のループでは左側と右側を,最後のループでは上側と下側を道にしています。
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\int_set:Nn \l__atmz_loop_i_int { 1 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_i_int < \l__atmz_maze_height_int - 1 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { 1 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_j_int < \l__atmz_maze_width_int - 1 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_i_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_loop_j_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_wall_int
\int_incr:N \l__atmz_loop_j_int
}
\int_incr:N \l__atmz_loop_i_int
}
\int_set:Nn \l__atmz_loop_i_int { 0 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_i_int < \l__atmz_maze_height_int }
{
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_i_int * \l__atmz_maze_width_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_road_int
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_i_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_maze_width_int - 1 }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_road_int
\int_incr:N \l__atmz_loop_i_int
}
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { 0 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_j_int < \l__atmz_maze_width_int }
{
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_j_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_road_int
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { ( \l__atmz_maze_height_int - 1 ) * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_loop_j_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_road_int
\int_incr:N \l__atmz_loop_j_int
}
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穴掘り地点を決める
\l__atmz_now_int
が現在の穴掘り地点です。この値は下の画像のような値です。\l__atmz_maze_prop
とは違う管理方法になっています。\fp_eval:n { randint(...) }
で乱数で \l__atmz_now_int
を決めます。そして\l__atmz_key_int
を求め,\l__atmz_maze_prop
の\l__atmz_key_int
を道(\c__atmz_road_int
)とします。
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\int_set:Nn \l__atmz_now_int { \fp_eval:n { randint( 0, \l__atmz_arg_width_int * \l__atmz_arg_height_int - 1 ) } }
\int_set:Nn \l__atmz_x_int { ( \int_mod:nn { \l__atmz_now_int } { \l__atmz_arg_width_int } ) * 2 + 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_y_int { \fp_eval:n { floor( \l__atmz_now_int / \l__atmz_arg_width_int ) } * 2 + 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_y_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_x_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \c__atmz_road_int
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掘り進める
穴掘り地点を決めるで決めた\l__atmz_now_int
から穴を掘り進めます。もし掘り進めることができない場合は,新たな地点に飛びそこから掘り進めます。迷路が完成したら\l__atmz_loop_i_bool
をfalse
にしてループを終了します。
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\bool_set_true:N \l__atmz_loop_i_bool
\bool_do_while:Nn \l__atmz_loop_i_bool
{
% 2つのセルを掘る
% 掘り進めることができない場合,新しい地点を決める
}
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2つのセルを掘る
まず\l__atmz_now_int
から\l__atmz_key_int
を求めます。
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\int_set:Nn \l__atmz_x_int { ( \int_mod:nn { \l__atmz_now_int } { \l__atmz_arg_width_int } ) * 2 + 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_y_int { \fp_eval:n { floor( \l__atmz_now_int / \l__atmz_arg_width_int ) } * 2 + 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_y_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_x_int }
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現在のセルから移動できる方向の数を数えます。2マス先が壁である場合掘れるので,4方向で掘れる場合は\l__atmz_count_tblr_int
をインクリメントしてます。綺麗なコードではないですが,単純ですね。
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\int_set:Nn \l__atmz_count_tblr_int { 0 }
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int - \l__atmz_maze_width_int * 2 }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{ \int_incr:N \l__atmz_count_tblr_int }
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int + \l__atmz_maze_width_int * 2 }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{ \int_incr:N \l__atmz_count_tblr_int }
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int - 2 }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{ \int_incr:N \l__atmz_count_tblr_int }
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int + 2 }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{ \int_incr:N \l__atmz_count_tblr_int }
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\l__atmz_count_tblr_int
が0の場合には掘り進めることができません。\l__atmz_count_tblr_int
が0でない場合を考えます。1から\l__atmz_count_tblr_int
の乱数(\l__atmz_rand_int
)を取得し,それに対応した方向に掘り進めればいいです。
\l__atmz_rand_int
に対応した向きの2マス先の状態を取得し,壁でないなら(道ならば)\l__atmz_rand_int
をインクリメントします。この処理にすることで,\l__atmz_rand_int
が移動できない場合は次の向きに任せることができるからです。また,\l__atmz_rand_int
の最大値は\l__atmz_count_tblr_int
となっているため,4までにからなず掘り進めることができます。
掘り進めることができる場合には,1マス先と2マス先のセルを道にします。そして\l__atmz_now_int
を更新します。また,\l__atmz_rand_box_seq
に\fp_eval:n { randint( 0, 262143 ) } * 4096 + \l__atmz_now_int
となる値を追加します。これは掘り進めることができなくなった場合のためのメモになります。具体的には新しい地点を決めるで説明します。
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\int_compare:nNnF { \l__atmz_count_tblr_int } = { 0 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_rand_int { \fp_eval:n { randint( 1, \l__atmz_count_tblr_int ) } }
\int_compare:nNnT { \l__atmz_rand_int } = { 1 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int - \l__atmz_maze_width_int * 2 }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnTF { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{
\int_set:Nn \l__atmz_now_int { \l__atmz_now_int - \l__atmz_arg_width_int }
\int_set:Nn \l__atmz_rand_int { \fp_eval:n { randint( 0, 262143 ) } * 4096 + \l__atmz_now_int }
\seq_put_right:Nx \l__atmz_rand_box_seq { \int_use:N \l__atmz_rand_int }
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int - \l__atmz_maze_width_int }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \c__atmz_road_int
\int_set:Nn \l__atmz_tmp_int { \l__atmz_key_int - \l__atmz_maze_width_int * 2 }
\prop_put:NVV \l__atmz_maze_prop \l__atmz_tmp_int \c__atmz_road_int
}
{ \int_incr:N \l__atmz_rand_int }
}
\int_compare:nNnT { \l__atmz_rand_int } = { 2 }
{
% ...
}
\int_compare:nNnT { \l__atmz_rand_int } = { 3 }
{
% ...
}
\int_compare:nNnT { \l__atmz_rand_int } = { 4 }
{
% ...
}
}
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新しい地点を決める
掘り進めることができない(\l__atmz_count_tblr_int
が0の)場合に新しく掘り進める地点を決めます。新しい地点の条件は,これまで掘り進めた道上であることです。これまで作成した道を\l__atmz_rand_box_seq
でメモしているため,これを使います。
\l__atmz_rand_box_seq
が空の場合掘り進めることができないので,ループを終了します。\l__atmz_rand_box_seq
が空で無い場合を考えます。\l__atmz_rand_box_seq
の値は乱数 * 4096 + 地点
となっています。この乱数 * 4096
は新しい地点の優先順位を表しています。seq
をソートする\seq_sort:Nn
がl3sortによって提供されているので,ソートして先頭からpopします。popした値の4096で割ったあまりが新しい地点なので,\l__atmz_now_int
を更新します。
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\int_compare:nNnT { \l__atmz_count_tblr_int } = { 0 }
{
\seq_if_empty:NTF \l__atmz_rand_box_seq
{
\bool_set_false:N \l__atmz_loop_i_bool
}
{
\seq_sort:Nn \l__atmz_rand_box_seq
{
\int_compare:nNnTF { ##1 } < { ##2 }
{ \sort_return_swapped: }
{ \sort_return_same: }
}
\seq_pop_left:NN \l__atmz_rand_box_seq \l__atmz_rand_box_left_tl
\int_set:Nn \l__atmz_now_int { \int_mod:nn { \l__atmz_rand_box_left_tl } { 4096 } }
}
}
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出力
冒頭でも説明したとおり迷路はTikZで描きます。\begin{tikzpicture}...\end{tikzpicture}
のようなトークンを出力するようにします。
\l__atmz_maze_tl
にトークンを加えていき,最後に\tl_use:N \l__atmz_maze_tl
します。
まずループでは,迷路の内側を描きます。偶数行目と奇数行目で縦線か横線かを描くかが異なるので,分岐して処理してます。最後に,外枠にスタートとゴールが1マス開くように線を引きます。
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\tl_set:Nn \l__atmz_maze_tl { }
\tl_put_right:Nn \l__atmz_maze_tl { \begin{tikzpicture}[x=8pt, y=8pt, line~width=1pt, line~cap=round] }
\int_set:Nn \l__atmz_loop_i_int { 2 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_i_int < \l__atmz_maze_height_int - 2 }
{
\int_compare:nNnTF { \int_mod:nn { \l__atmz_loop_i_int } { 2 } } = { 0 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { 3 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_j_int < \l__atmz_maze_width_int - 2 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_x_int { \l__atmz_loop_j_int / 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_y_int { \l__atmz_loop_i_int / 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_i_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_loop_j_int }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{
\tl_put_right:Nx \l__atmz_maze_tl
{
\exp_not:N \draw (\int_use:N \l__atmz_x_int, \int_use:N \l__atmz_y_int)--++(0, 1);
}
}
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { \l__atmz_loop_j_int + 2 }
}
}
{
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { 0 }
\int_do_while:nn { \l__atmz_loop_j_int < \l__atmz_maze_width_int - 2 }
{
\int_set:Nn \l__atmz_x_int { \l__atmz_loop_j_int / 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_y_int { \l__atmz_loop_i_int / 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_key_int { \l__atmz_loop_i_int * \l__atmz_maze_width_int + \l__atmz_loop_j_int }
\prop_get:NVN \l__atmz_maze_prop \l__atmz_key_int \l__atmz_maze_value_tl
\int_compare:nNnT { \l__atmz_maze_value_tl } = { \c__atmz_wall_int }
{
\tl_put_right:Nx \l__atmz_maze_tl
{
\exp_not:N \draw (\int_use:N \l__atmz_x_int, \int_use:N \l__atmz_y_int)--++(1, 0);
}
}
\int_set:Nn \l__atmz_loop_j_int { \l__atmz_loop_j_int + 2 }
}
}
\int_incr:N \l__atmz_loop_i_int
}
\int_set:Nn \l__atmz_x_int { ( \l__atmz_maze_width_int - 4 ) / 2 }
\int_set:Nn \l__atmz_y_int { ( \l__atmz_maze_height_int - 4 ) / 2 }
\tl_put_right:Nx \l__atmz_maze_tl
{
\exp_not:N \draw (1, \int_use:N \l__atmz_y_int + 1)--++(\int_use:N \l__atmz_x_int, 0);
\exp_not:N \draw (1, 1)--++(\int_use:N \l__atmz_x_int, 0);
\exp_not:N \draw (1, 1)--++(0, \int_use:N \l__atmz_y_int - 1);
\exp_not:N \draw (\int_use:N \l__atmz_x_int + 1, 2)--++(0, \int_use:N \l__atmz_y_int - 1);
}
\tl_put_right:Nn \l__atmz_maze_tl { \end{tikzpicture} }
\tl_use:N \l__atmz_maze_tl
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次のように実行すると,下の迷路が生成されます。
さいごに
これは\maze[0][64][64]
の出力です。生成に時間がかかります。遠くから見ると気持ち悪いですね。
謝辞
これを作るにあたって,@zr_tex8rさんと@wtsnjpさんからTwitterでたくさんの助言を頂いました。ありがとうございました。
文献
- TeX言語者のためのexpl3入門
- 迷路生成(穴掘り法)
- auto-maze (GitHub)