详解如何利用Python绘制迷宫小游戏
时间：2022-09-09 09:48:30 | 栏目：Python代码 | 点击：次
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。