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项目分享丨一步步教你用Python写AI贪吃蛇!

发布百知教育 来源:学习资讯 2019-08-22

前言



用Python编写的游戏中,贪吃蛇算是很经典的!


在开源项目里,我们能随处可以搜到贪吃蛇的代码,不过这次我要分享的是智能贪吃蛇哦,也就是电脑自己跟自己玩~


1、项目思路


贪吃蛇大家都玩过,我们先来看看它的游戏元素及游戏规则。


  • 需要有贪吃蛇和食物;

  • 需要能控制贪吃蛇来上下移动获取食物;

  • 贪吃蛇吃到食物后,自身长度增加,同时食物消失,并随机生成新的食物;

  • 如果贪吃蛇触碰到四周墙壁或是触碰到自己身体时,则游戏结束。


那么,怎么表示蛇,以及它移动呢?


首先,我们将整个游戏区域划分成一个个小格子,每组连在一起的小格子就组成“蛇”(可以用不同的颜色)


用坐标来表示每一个小方格,X 轴和 Y 轴的范围都是可以设定好的,用一个列表来存放“蛇身”的坐标,一条“蛇”就出来了。


细想移动前和移动后“蛇”的位置变化,其实除了头尾,蛇的其它部分是没有变的,所以每次将下一格的坐标添加到列表开头,并移除列表的最后一个元素,就相当于蛇向前移动了一格。


python项目


2、环境


操作系统:MacOSX

编辑器:PyCharm

Python版本:3.7.4

相关模块:Pygame

3、代码实现

    

以下为完整代码,来源 github@Hawstein,#为每段代码的注释,可上下左右移动



# coding: utf-8

import pygame,sys,time,random

from pygame.locals import *

# 定义颜色变量

redColour = pygame.Color(255,0,0)

blackColour = pygame.Color(0,0,0)

whiteColour = pygame.Color(255,255,255)

greenColour = pygame.Color(0,255,0)

headColour = pygame.Color(0,119,255)


#注意:在下面所有的除法中,为了防止pygame输出偏差,必须取除数(//)而不是单纯除法(/)


# 蛇运动的场地长宽,因为第0行,HEIGHT行,第0列,WIDTH列为围墙,所以实际是13*13

HEIGHT = 15

WIDTH = 15

FIELD_SIZE = HEIGHT * WIDTH

# 蛇头位于snake数组的第一个元素

HEAD = 0


# 用数字代表不同的对象,由于运动时矩阵上每个格子会处理成到达食物的路径长度,

# 因此这三个变量间需要有足够大的间隔(>HEIGHT*WIDTH)来互相区分

# 小写一般是坐标,大写代表常量

FOOD = 0

UNDEFINED = (HEIGHT + 1) * (WIDTH + 1)

SNAKE = 2 * UNDEFINED


# 由于snake是一维数组,所以对应元素直接加上以下值就表示向四个方向移动

LEFT = -1

RIGHT = 1

UP = -WIDTH#一维数组,所以需要整个宽度都加上才能表示上下移动

DOWN = WIDTH 


# 错误码

ERR = -2333


# 用一维数组来表示二维的东西

# board表示蛇运动的矩形场地

# 初始化蛇头在(1,1)的地方

# 初始蛇长度为1

board = [0] * FIELD_SIZE #[0,0,0,……]

snake = [0] * (FIELD_SIZE+1)

snake[HEAD] = 1*WIDTH+1

snake_size = 1

# 与上面变量对应的临时变量,蛇试探性地移动时使用

tmpboard = [0] * FIELD_SIZE

tmpsnake = [0] * (FIELD_SIZE+1)

tmpsnake[HEAD] = 1*WIDTH+1

tmpsnake_size = 1


# food:食物位置初始在(4, 7)

# best_move: 运动方向

food = 4 * WIDTH + 7

best_move = ERR


# 运动方向数组,游戏分数(蛇长)

mov = [LEFT, RIGHT, UP, DOWN]                                           

score = 1 


# 检查一个cell有没有被蛇身覆盖,没有覆盖则为free,返回true

def is_cell_free(idx, psize, psnake):

    return not (idx in psnake[:psize]) 


# 检查某个位置idx是否可向move方向运动

def is_move_possible(idx, move):

    flag = False

    if move == LEFT:

        #因为实际范围是13*13,[1,13]*[1,13],所以idx为1时不能往左跑,此时取余为1所以>1

        flag = True if idx%WIDTH > 1 else False

    elif move == RIGHT:

        #这里的<WIDTH-2跟上面是一样的道理

        flag = True if idx%WIDTH < (WIDTH-2) else False

    elif move == UP:

        #这里向上的判断画图很好理解,因为在[1,13]*[1,13]的实际运动范围外,还有个

        #大框是围墙,就是之前说的那几个行列,下面判断向下运动的条件也是类似的

        flag = True if idx > (2*WIDTH-1) else False

    elif move == DOWN:

        flag = True if idx < (FIELD_SIZE-2*WIDTH) else False

    return flag

# 重置board

# board_BFS后,UNDEFINED值都变为了到达食物的路径长度

# 如需要还原,则要重置它

def board_reset(psnake, psize, pboard):

    for i in range(FIELD_SIZE):

        if i == food:

            pboard[i] = FOOD

        elif is_cell_free(i, psize, psnake): # 该位置为空

            pboard[i] = UNDEFINED

        else: # 该位置为蛇身

            pboard[i] = SNAKE

    

# 广度优先搜索遍历整个board,

# 计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度

def board_BFS(pfood, psnake, pboard):

    queue = []

    queue.append(pfood)

    inqueue = [0] * FIELD_SIZE

    found = False

    # while循环结束后,除了蛇的身体,

    # 其它每个方格中的数字为从它到食物的曼哈顿间距

    while len(queue)!=0: 

        idx = queue.pop(0)#初始时idx是食物的坐标 

        if inqueue[idx] == 1: continue

        inqueue[idx] = 1

        for i in range(4):#左右上下

            if is_move_possible(idx, mov[i]):

                if idx + mov[i] == psnake[HEAD]:

                    found = True

                if pboard[idx+mov[i]] < SNAKE: # 如果该点不是蛇的身体

                    if pboard[idx+mov[i]] > pboard[idx]+1:#小于的时候不管,不然会覆盖已有的路径数据

                        pboard[idx+mov[i]] = pboard[idx] + 1

                    if inqueue[idx+mov[i]] == 0:

                        queue.append(idx+mov[i])

    return found


# 从蛇头开始,根据board中元素值,

# 从蛇头周围4个领域点中选择最短路径

def choose_shortest_safe_move(psnake, pboard):

    best_move = ERR

    min = SNAKE

    for i in range(4):

        if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]<min:

          #这里判断最小和下面的函数判断最大,都是先赋值,再循环互相比较

            min = pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]

            best_move = mov[i]

    return best_move


# 从蛇头开始,根据board中元素值,

# 从蛇头周围4个领域点中选择最远路径

def choose_longest_safe_move(psnake, pboard):

    best_move = ERR

    max = -1

    for i in range(4):

        if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]<UNDEFINED and pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]>max:

            max = pboard[psnake[HEAD]+mov[i]]

            best_move = mov[i]

    return best_move


# 检查是否可以追着蛇尾运动,即蛇头和蛇尾间是有路径的

# 为的是避免蛇头陷入死路

# 虚拟操作,在tmpboard,tmpsnake中进行

def is_tail_inside():

    global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size

    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = 0 # 虚拟地将蛇尾变为食物(因为是虚拟的,所以在tmpsnake,tmpboard中进行)

    tmpboard[food] = SNAKE # 放置食物的地方,看成蛇身

    result = board_BFS(tmpsnake[tmpsnake_size-1], tmpsnake, tmpboard) # 求得每个位置到蛇尾的路径长度

    for i in range(4): # 如果蛇头和蛇尾紧挨着,则返回False。即不能follow_tail,追着蛇尾运动了

        if is_move_possible(tmpsnake[HEAD], mov[i]) and tmpsnake[HEAD]+mov[i]==tmpsnake[tmpsnake_size-1] and tmpsnake_size>3:

            result = False

    return result


# 让蛇头朝着蛇尾运行一步

# 不管蛇身阻挡,朝蛇尾方向运行

def follow_tail():

    global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size

    tmpsnake_size = snake_size

    tmpsnake = snake[:]

    board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 重置虚拟board

    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = FOOD # 让蛇尾成为食物

    tmpboard[food] = SNAKE # 让食物的地方变成蛇身

    board_BFS(tmpsnake[tmpsnake_size-1], tmpsnake, tmpboard) # 求得各个位置到达蛇尾的路径长度

    tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size-1]] = SNAKE # 还原蛇尾

    return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard) # 返回运行方向(让蛇头运动1步)


# 在各种方案都不行时,随便找一个可行的方向来走(1步),

def any_possible_move():

    global food , snake, snake_size, board

    best_move = ERR

    board_reset(snake, snake_size, board)

    board_BFS(food, snake, board)

    min = SNAKE


    for i in range(4):

        if is_move_possible(snake[HEAD], mov[i]) and board[snake[HEAD]+mov[i]]<min:

            min = board[snake[HEAD]+mov[i]]

            best_move = mov[i]

    return best_move

    

#转换数组函数

def shift_array(arr, size):

    for i in range(size, 0, -1):

        arr[i] = arr[i-1]


def new_food():#随机函数生成新的食物

    global food, snake_size

    cell_free = False

    while not cell_free:

        w = random.randint(1, WIDTH-2)

        h = random.randint(1, HEIGHT-2)

        food = WIDTH*h + w

        cell_free = is_cell_free(food, snake_size, snake)

    pygame.draw.rect(playSurface,redColour,Rect(18*(food//WIDTH), 18*(food%WIDTH),18,18))


# 真正的蛇在这个函数中,朝pbest_move走1步

def make_move(pbest_move):

    global snake, board, snake_size, score

    shift_array(snake, snake_size)

    snake[HEAD] += pbest_move

    p = snake[HEAD]

    for body in snake:#画蛇,身体,头,尾

      pygame.draw.rect(playSurface,whiteColour,Rect(18*(body//WIDTH), 18*(body%WIDTH),18,18))

    pygame.draw.rect(playSurface,greenColour,Rect(18*(snake[snake_size-1]//WIDTH),18*(snake[snake_size-1]%WIDTH),18,18))

    pygame.draw.rect(playSurface,headColour,Rect(18*(p//WIDTH), 18*(p%WIDTH),18,18))

    #下面一行是把初始情况会出现的第一个白块bug填掉

    pygame.draw.rect(playSurface,(255,255,0),Rect(0,0,18,18))

    # 刷新pygame显示层

    pygame.display.flip() 

    

    # 如果新加入的蛇头就是食物的位置

    # 蛇长加1,产生新的食物,重置board(因为原来那些路径长度已经用不上了)

    if snake[HEAD] == food:

        board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头

        snake_size += 1

        score += 1

        if snake_size < FIELD_SIZE: new_food()

    else: # 如果新加入的蛇头不是食物的位置

        board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头

        board[snake[snake_size]] = UNDEFINED # 蛇尾变为UNDEFINED,黑色

        pygame.draw.rect(playSurface,blackColour,Rect(18*(snake[snake_size]//WIDTH),18*(snake[snake_size]%WIDTH),18,18))

        # 刷新pygame显示层

        pygame.display.flip() 


# 虚拟地运行一次,然后在调用处检查这次运行可否可行

# 可行才真实运行。

# 虚拟运行吃到食物后,得到虚拟下蛇在board的位置

def virtual_shortest_move():

    global snake, board, snake_size, tmpsnake, tmpboard, tmpsnake_size, food

    tmpsnake_size = snake_size

    tmpsnake = snake[:] # 如果直接tmpsnake=snake,则两者指向同一处内存

    tmpboard = board[:] # board中已经是各位置到达食物的路径长度了,不用再计算

    board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)

    

    food_eated = False

    while not food_eated:

        board_BFS(food, tmpsnake, tmpboard)    

        move = choose_shortest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)

        shift_array(tmpsnake, tmpsnake_size)

        tmpsnake[HEAD] += move # 在蛇头前加入一个新的位置

        # 如果新加入的蛇头的位置正好是食物的位置

        # 则长度加1,重置board,食物那个位置变为蛇的一部分(SNAKE)

        if tmpsnake[HEAD] == food:

            tmpsnake_size += 1

            board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 虚拟运行后,蛇在board的位置

            tmpboard[food] = SNAKE

            food_eated = True

        else: # 如果蛇头不是食物的位置,则新加入的位置为蛇头,最后一个变为空格

            tmpboard[tmpsnake[HEAD]] = SNAKE

            tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size]] = UNDEFINED


# 如果蛇与食物间有路径,则调用本函数

def find_safe_way():

    global snake, board

    safe_move = ERR

    # 虚拟地运行一次,因为已经确保蛇与食物间有路径,所以执行有效

    # 运行后得到虚拟下蛇在board中的位置,即tmpboard

    virtual_shortest_move() # 该函数唯一调用处

    if is_tail_inside(): # 如果虚拟运行后,蛇头蛇尾间有通路,则选最短路运行(1步)

        return choose_shortest_safe_move(snake, board)

    safe_move = follow_tail() # 否则虚拟地follow_tail 1步,如果可以做到,返回true

    return safe_move



#初始化pygame

pygame.init()

#定义一个变量用来控制游戏速度

fpsClock = pygame.time.Clock()

# 创建pygame显示层

playSurface = pygame.display.set_mode((270,270))

pygame.display.set_caption('贪吃蛇')

# 绘制pygame显示层

playSurface.fill(blackColour)

#初始化食物

pygame.draw.rect(playSurface,redColour,Rect(18*(food//WIDTH), 18*(food%WIDTH),18,18))


while True:

    for event in pygame.event.get():#循环监听键盘和退出事件

        if event.type == QUIT:#如果点了关闭

            print(score)#游戏结束后打印分数

            pygame.quit()

            sys.exit()

        elif event.type == KEYDOWN:#如果esc键被按下

            if event.key==K_ESCAPE:

                print(score)#游戏结束后打印分数

                pygame.quit()

                sys.exit()

    # 刷新pygame显示层

    pygame.display.flip()  

    #画围墙,255,255,0是黄色,边框是36是因为,pygame矩形是以边为初始,向四周填充边框

    pygame.draw.rect(playSurface,(255,255,0),Rect(0,0,270,270),36)

    # 重置距离

    board_reset(snake, snake_size, board)

    # 如果蛇可以吃到食物,board_BFS返回true

    # 并且board中除了蛇身(=SNAKE),其它的元素值表示从该点运动到食物的最短路径长

    if board_BFS(food, snake, board):

        best_move  = find_safe_way() # find_safe_way的唯一调用处

    else:

        best_move = follow_tail()

    if best_move == ERR:

        best_move = any_possible_move()

    # 上面一次思考,只得出一个方向,运行一步

    if best_move != ERR: make_move(best_move)

    else:

        print(score)#游戏结束后打印分数

        break

    # 控制游戏速度

    fpsClock.tick(20)#20看上去速度正好


4、成果展示


最后我们来运行代码,可以看到电脑自己愉快地玩起了贪吃蛇。为了给大家更直观展示,gif为4倍速和8倍速录制。


1.gif


5、总结


值得说一下,这次贪吃蛇的代码我们借助三方库Pygame。


Pygame是一个利用SDL库的游戏库,在SDL库的基础上提供各种接口, 是一组用来开发游戏软件的 Python 程序模块,里面有很多游戏哦。


除此之外,简单的爬虫技术,还可以在工作和生活中实现许多有趣、使用的功能:


  • 比如有人用来做股票分析;

  • 有人想转行前端,爬过拉勾网里所有前端职位的招聘需求,然后从中分析出哪些框架要求的多,就专攻那些框架学习,再去去找工作;

  • 有人用python轻松爬取千张表情包,再也不怕斗图了;

  • 有人观影前爬取某电影的猫眼评论和评分,更准确地从眼花缭乱的评论中分析,大家对这电影打高分或低分的原因,还做成了关键词词云……


Python培训可以为我们的好奇心买单,通过合理设置爬虫和分析工具,我们的生活会远远比目前看到的更加精彩和多样化。


还没开启Python学习的你,不要再在犹豫中耗尽所有可能!



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