详解如何利用Python绘制迷宫小游戏
目录
- 构思
- 绘制迷宫
- 走出迷宫
- 完整代码
- 更大的挑战
- 关于坐标系设置
周末在家,儿子闹着要玩游戏,让玩吧,不利于健康,不让玩吧,扛不住他折腾,于是想,不如一起搞个小游戏玩玩!
之前给他编过猜数字 和 掷骰子 游戏,现在已经没有吸引力了,就对他说:“我们来玩个迷宫游戏吧。”
果不其然,有了兴趣,于是和他一起设计实现起来,现在一起看看我们是怎么做的吧,说不定也能成为一个陪娃神器~
先一睹为快:
构思
迷宫游戏,相对比较简单,设置好地图,然后用递归算法来寻找出口,并将过程显示出来,增强趣味性。
不如想到需要让孩子一起参与,选择了绘图程序 Turtle作为实现工具。
这样就可以先在纸上绘制一个迷宫,然后编写成代码,让 Turtle 去绘制,因为孩子用笔画过,所以在实现代码时,他可以充分参与,不仅是为了得到最终的游戏,而且更是享受制作过程,开发编程思维,说不定省了一笔不小的少儿编程费用哈哈哈~
首先和孩子一起制作迷宫,在纸上画出 5 X 5 的小格子,然后,让他在格子中画一条通路,像这样:
绘制迷宫
然后,将这幅图转化为一个迷宫矩阵,用 1 表示墙,用 空格 表示通路,需要注意的是网格每条边线都是墙,连通部分的墙需要打通,成为路。
这时可以和他一起来实现,比如让他用自己的积木等摆设一个迷宫,而我们来做数字化转化,最后转化成的结果是:
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
如果孩子看不清楚,可以将路径表示出来 哈哈哈:
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ->_____ 1 _____ 1 1 1 1 1 1 | 1 | 1 | 1 1 1 1 ____| 1 | 1 |___ 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 |____ 1 | 1 ____| 1 1 1 1 | 1 | 1 | 1 1 1 1 ____| 1 | 1 |____ 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 |_______| 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1\|/1
做完了迷宫数字化,就需要将迷宫在电脑上表示出来了。
绘制迷宫
之所以选择 Turtle,就是因为它会像用笔做图画一样,可以让孩子充分参与。
找出一张纸,用刚才整理的迷宫数字化结果作为指导绘图,遇到 1 就画一个小方格,遇到 空格 就跳过,可以和孩子一起画,主要是让他体会过程中的规律。
好了,趁他绘制的时候,我们来实现绘制代码吧。
首先需要知道 Turtle 的一些特点:
- Turtle 的初始坐标在屏幕中心,可以将屏幕分成平面坐标系的四个象限
- Turtle 画笔默认的移动最小单位是一个像素,因此需要做坐标点的初始化
- Turtle 画笔移动都是相对于笔尖的朝向的,因此需要特别注意笔尖朝向
实现的方式和孩子用笔画是一样的,从第一个格子画起:
效果
下面看看代码:
def drawCenteredBox(self, x, y, color): self.t.up() self.t.goto(x - 0.5, y - 0.5) self.t.color('black', color) self.t.setheading(90) self.t.down() self.t.begin_fill() for _ in range(4): self.t.forward(1) self.t.right(90) self.t.end_fill() update()
- drawCenteredBox 是 迷宫类 Maze 的成员方法,self 指的就是迷宫类本身,可以暂时将其理解为全局变量
- self.t 是一个 Turtle 模块实例,可以理解成画笔
- up 方法表示抬起笔尖
- goto 方法的作用是移动到指定的位置,这里需要移动到指定位置的左下角,所以各自减去了 0.5(这里做了坐标值转化,后面会有说明)
- color 表示设置颜色,两个参数分别是笔的颜色和填充颜色
- setheading 表示让笔尖朝上,即将笔尖朝向 90 度
- down 表示落下笔尖,意思是随后的移动相当于绘制
- begin_fill 表示准备填充,也就是它会把从调用起到调用 end_fill 为止所绘制的区域做填充
- 然后是循环四次,用来绘制方格,循环内,每次向前(笔尖朝向)绘制一个单位,向右转 90 度,这样就绘制好了一个方格
- end_fill 即为填充当前绘制的方格
- update 表示更新一下绘图区域
看看这个过程,是不是和孩子手工绘制一模一样!
现在遍历整个迷宫矩阵,不断调用 drawCenteredBox 就可以绘制出迷宫了:
效果
代码如下:
def drawMaze(self): for y in range(self.rowsInMaze): for x in range(self.columnsInMaze): if self.mazelist[y][x] == 1: self.drawCenteredBox(x + self.xTranslate, -y + self.yTranslate, 'tan')
rowsInMaze、columnsInMaze 表示迷宫矩阵的行和列
tan 为沙漠迷彩色的颜色名称
走出迷宫
迷宫绘制好了,如何走出出呢?
可以先问问孩子,让他想想办法。
实现思路也很简单,就是超一个方向走,如果是墙,就换一个方向,如果不是墙,就继续走下去,如此往复……
但是,这里可以和孩子做个预演,比如迷宫很大的时候,记不住走过哪些路怎么办?
探索了一条路,走不通,返回后,不记得走过哪些路,这是非常危险的事情,如果有种方法可以记住走过的路,就好了。
这里我给儿子讲了一下忒修斯大战牛头怪[3]的古希腊神话传说,启发他想出好的方法。
如何用代码实现呢,只要在迷宫矩阵种,标记一下走过的路就可以了:
PART_OF_PATH = 0 OBSTACLE = 1 TRIED = 3 DEAD_END = 4 def search(maze, startRow, startColumn): # 从指定的点开始搜索 if maze[startRow][startColumn] == OBSTACLE: return False if maze[startRow][startColumn] == TRIED: return False if maze.isExit(startRow, startColumn): maze.updatePosition(startRow, startColumn, PART_OF_PATH) return True maze.updatePosition(startRow, startColumn, TRIED) found = search(maze, startRow-1, startColumn) or \ search(maze, startRow, startColumn-1) or \ search(maze, startRow+1, startColumn) or \ search(maze, startRow, startColumn+1) if found: maze.updatePosition(startRow, startColumn, PART_OF_PATH) else: maze.updatePosition(startRow, startColumn, DEAD_END) return found
因为使用了递归方式,所以代码比较简短,我们来看看:
- PART_OF_PATH、OBSTACLE、TRIED、DEAD_END 是四个全局变量,分别表示迷宫矩阵中的通路,墙,探索过的路和死路
- search 方法用于探索迷宫,接受一个迷宫对象,和起始位置
- 然后看看指定的位置是否为墙、或者是走过的,以及是否是出口
- 然后继续探索,讲指定的位置标记为已走过
- 接下来朝四个方向探索,分别是像西、向东、向南、向北
- 每个方向的探索都是递归的调用 search 方法
- 如果探索的结果是找到了出口,就将当前的位置标记为路线,否则标记为死路
这里还需要看看 updatePosition 方法的实现:
def updatePosition(self, row, col, val=None): if val: self.mazelist[row][col] = val self.moveTurtle(col, row) if val == PART_OF_PATH: color = 'green' elif val == OBSTACLE: color = 'red' elif val == TRIED: color = 'black' elif val == DEAD_END: color = 'red' else: color = None if color: self.dropBreadcrumb(color) def moveTurtle(self, x, y): self.t.up() self.t.setheading(self.t.towards(x+self.xTranslate, -y+self.yTranslate)) self.t.goto(x+self.xTranslate, -y+self.yTranslate) def dropBreadcrumb(self, color): self.t.dot(color)
- updatePosition 方法本身不复杂,首先对迷宫矩阵做标记,然后将笔尖移动到指定的点,之后判断标记的值,在指定的点上画点
- 移动的方法是 moveTurtle,首先抬起笔尖,然后将笔尖转向将要移动过去的点
- Turtle 的 towards 方法会计算一个笔尖当前点到指定点之间的一个夹角,作用是让笔尖转向要移动过去的点,其中 xTranslate 和 yTranslate 是在坐标系中像素点的偏移量(后面会有说明)
- Turtle 的 dot 方法作用是绘制一个点
看一下效果:
走出迷宫
完整代码
#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- """ @author: 闲欢 """ import pygame, random, sys, time pygame.init() screen = pygame.display.set_mode([600, 400]) screen.fill((255, 255, 255)) # 圆的半径 radius = [0] * 10 # 圆的半径增量 circleDelt = [0] * 10 # 圆是否存在,False代表该索引值下的圆不存在,True代表存在 circleExists = [False] * 10 # 圆的坐标x轴 circleX = [0] * 10 # 圆的坐标y轴 circleY = [0] * 10 # 颜色RGB值 RGBx = [0] * 10 RGBy = [0] * 10 RGBz = [0] * 10 while True: # 停顿0.1秒 time.sleep(0.1) for event in pygame.event.get(): # 鼠标按下 if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN: # 获取圆不存在的索引值 num = circleExists.index(False) # 将该索引值的圆设置为存在 circleExists[num] = True # 圆的半径设置为0 radius[num] = 0 # 获取鼠标坐标 circleX[num], circleY[num] = pygame.mouse.get_pos() # 随机获取颜色值 RGBx[num] = random.randint(0, 255) RGBy[num] = random.randint(0, 255) RGBz[num] = random.randint(0, 255) # 画圆 pygame.draw.circle(screen, pygame.Color(RGBx[num], RGBy[num], RGBz[num]), (circleX[num], circleY[num]), radius[num], 1) if event.type == pygame.QUIT: pygame.quit() sys.exit() for i in range(10): # 圆不存在则跳过循环 if not circleExists[i]: pass else: # 随机圆的大小 if radius[i] < random.randint(10, 50): # 圆的随机半径增量 circleDelt[i] = random.randint(0, 5) radius[i] += circleDelt[i] # 画圆 pygame.draw.circle(screen, pygame.Color(RGBx[i], RGBy[i], RGBz[i]), (circleX[i], circleY[i]), radius[i], 1) else: # 若圆已达到最大,这将该索引值的圆设置为不存在 circleExists[i] = False pygame.display.update()
更大的挑战
当孩子看到自己做的迷宫,被小乌龟走出来时,别提有多开心了。
不过,没多久,他就想要更复杂的迷宫,有多条分支的迷宫。
显然有手工的方式有点困难,而且无趣。需要让程序自动生成迷宫。
分析代码之后,将其中的迷宫类移植过来,生成的结果之间导入到笔者写的迷宫类中,将迷宫规模设置为 100 X 100,震撼了:
巨型迷宫
看着小乌龟在巨大的迷宫中蹒跚,还有种莫名的悲伤~
有了有了迷宫生成工具,就很多好玩的了:
如何让乌龟更快的找到出路
如何让乌龟随机出现在迷宫中
如何动态设置迷宫的出入口
……
对这些问题,我们一一做了实现,孩子在整个过程中,积极参与,时不时因为好的想法而手舞足蹈,不亦乐乎……
关于坐标系设置
前面留了几个坑,是关于 Turtle 坐标系的,这里统一做下说明。
第一个问题,坐标单位
默认情况下,Turtle 的坐标单位是一个像素,如果要放大显示的华,需要计算出来我们使用的单元相当于多少个像素,然后每次计算坐标时都得考虑到这个值,当现实区域发生变化时还得调整这个数值,非常麻烦,而且容易出错。
所以 Turtle 提供了一个设置我们自己坐标单位的方法 setworldcoordinates,它接受四个参数,分别是坐标系中,左下角的点 x坐标,y坐标,和 右上角的 x坐标、y坐标。
如果将左下角设置为 (-5, -5),右上角设置为 (5, 5),那么 Turtle 就会将坐标原点设置在屏幕中心,并将屏幕分割成 10 X 10 的方块,每个块的边长,相当于一个坐标单位,也就是说,当我们说将笔尖移动到 (3, 4) 这个坐标点时,Turtle 就会从屏幕中心向右移动三个单位,再向上移动4个单位。
这样就非常方便了,无论屏幕大小如何,像素大小如何,Turtle 都会按照我们的指令,做出正确的响应。
另一个问题是 两个偏移量 xTranslate 和 yTranslate
分别是这样计算得到的:
self.xTranslate = -columnsInMaze/2 self.yTranslate = rowsInMaze/2
存在的意义就是从行和列值中,转化为 Turtle 坐标系的值,比如行列表示法中,(0, 0) 点,在我们变换后的 10 X 10 的坐标系中,对应的坐标点是 (-5, 5)。
因为我们查找数据时用行列表示法比较方便,但在坐标系中,以原点为基准表示比较方便。
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