快捷導(dǎo)航

Python實(shí)現(xiàn)生命游戲的示例代碼(tkinter版)

更新時(shí)間：2022年08月04日 11:17:31 作者：Hann Yang

生命游戲是由劍橋大學(xué)約翰·何頓·康威設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，一時(shí)吸引了各行各業(yè)一大批人的興趣。本文將用Python實(shí)現(xiàn)這一游戲，感興趣的可以嘗試一下

生命游戲(Game of Life)

由劍橋大學(xué)約翰·何頓·康威設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序。美國趣味數(shù)學(xué)大師馬丁·加德納(Martin Gardner，1914-2010）通過《科學(xué)美國人》雜志，將康威的生命游戲介紹給學(xué)術(shù)界之外的廣大瀆者，一時(shí)吸引了各行各業(yè)一大批人的興趣，這時(shí)細(xì)胞自動機(jī)課題才吸引了科學(xué)家的注意。

游戲概述

用一個二維表格表示“生存空間”，空間的每個方格中都可放置一個生命細(xì)胞，每個生命細(xì)胞只有兩種狀態(tài)：“生”或“死”。用綠色方格表示該細(xì)胞為“生”，空格(白色)表示該細(xì)胞為“死”?；蛘哒f方格網(wǎng)中綠色部分表示某個時(shí)候某種“生命”的分布圖。生命游戲想要模擬的是：隨著時(shí)間的流逝，這個分布圖將如何一代一代地變化。死亡太沉重，我想稱它為“湮滅”狀態(tài)。

生存定律

生存空間的每個方格都存在一個細(xì)胞，它的周邊緊鄰的8個方格上的稱為鄰居細(xì)胞。

(1)當(dāng)前細(xì)胞為湮滅狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有３個存活細(xì)胞時(shí)，則迭代后該細(xì)胞變成存活狀態(tài)(模擬繁殖)。

(2)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍的鄰居細(xì)胞少于２個存活時(shí)，該細(xì)胞變成湮滅狀態(tài)(數(shù)量稀少)。

(3)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有３個以上的存活細(xì)胞時(shí)，該細(xì)胞變成湮滅狀態(tài)(數(shù)量過多)。

(4)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有２個或３個存活細(xì)胞時(shí)，該細(xì)胞保持原樣。

簡單來說，活細(xì)胞Cell看作是‘1’，死Cell看作‘0’，8個鄰居的累加和Sum決定了下一輪的狀態(tài)：

“繁殖”：死Cell=0，若Sum=3，則Cell=1。

“稀少”：活Cell=1，若Sum<2，則Cell=0。

“過多”：活Cell=1，若Sum>3，則Cell=0。

“正常”：活Cell=1，若Sum=2或3，則Cell=1。

生存空間中生命的繁殖和湮滅，如下圖所示：

圖形結(jié)構(gòu)

在游戲進(jìn)行中，雜亂無序的細(xì)胞會逐漸演化出各種精致、有形的圖形結(jié)構(gòu)；這些結(jié)構(gòu)往往有很好的對稱性，而且每一代都在變化形狀。一些形狀一經(jīng)鎖定就不會逐代變化。有時(shí)，一些已經(jīng)成形的結(jié)構(gòu)會因?yàn)橐恍o序細(xì)胞的“入侵”而被破壞。但是形狀和秩序經(jīng)常能從雜亂中產(chǎn)生出來。

通常會有以下四種狀態(tài)：

不動點(diǎn)（fixed points）：變化終結(jié)于恒定圖像

交替態(tài)（alternation）：圖像出現(xiàn)周期性變化

隨機(jī)態(tài)（randomness）：圖像變化近乎隨機(jī)

復(fù)雜態(tài)（complexity）：圖像存在某種復(fù)雜規(guī)律

常見的不動結(jié)構(gòu)：

周期變化的結(jié)構(gòu)：

逐步趨向湮滅的結(jié)構(gòu)：

由一根10個連續(xù)細(xì)胞演化出來的周期結(jié)構(gòu)：

動態(tài)變化后全部湮滅的結(jié)構(gòu)：

移動的飛船：周期變化且逐漸向右平移

飛船到了邊界變成向?qū)蔷€移動的“滑翔者”，滑翔者到了邊界成為不動的方塊。

更多有趣的圖形結(jié)構(gòu)有待發(fā)現(xiàn)，用代碼來輔助這項(xiàng)工作還是比較方便的.....

代碼實(shí)現(xiàn)

用tkinter庫實(shí)現(xiàn)了軟件界面，畫布、按鈕、標(biāo)簽等控件都是配角，全是為表現(xiàn)生命繁殖演化的核心代碼類方法 Lifes.reproduce() 作幫手的，源代碼lifegame.pyw如下：

from tkinter import messagebox as msgbox
import tkinter as tk
import webbrowser
import random
 
class Lifes:
    def __init__(self, rows=38, cols=38):
        self.row = rows
        self.col = cols
        self.items = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
        self.histroy = []
        self.histroySize = 30
        self.running = False
        self.runningSpeed = 100
        
    def rndinit(self, rate=0.1):
        self.histroy = []
        for i in range(self.row):
            for j in range(self.col):
                rnd = random.random()
                if rnd > 1-rate:
                    self.items[i][j]=1
 
    def reproduce(self):
        new = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
        self.add_histroy()
        if len(self.histroy) > self.histroySize:
            self.histroy.pop(0)
        for i in range(self.row):
            for j in range(self.col):
                if i*j==0 or i==self.row-1 or j==self.col-1:
                    new[i][j]=0
                else:
                    lifes=0
                    for m in range(i-1,i+2):
                        for n in range(j-1,j+2):
                            if m==i and n==j:
                                continue
                            lifes += self.items[m][n]
                    if self.items[i][j]:
                        if lifes==2 or lifes==3:
                            new[i][j]=1
                        else:
                            new[i][j]=0
                    else:
                        if lifes==3:
                            new[i][j]=1
        for idx,narray in enumerate(new):
            self.items[idx] = narray
 
    def is_stable(self):
        if len(self.histroy)<self.histroySize:
            return False
        arr = []
        for i in self.histroy:
            if i not in arr:
                arr.append(i)
        if len(arr)<10:
            return True
 
    def add_histroy(self, Items=None):
        arr = []
        if Items==None:
            Items=self.items[:]
        for item in Items:
            b = 0
            for i,n in enumerate(item[::-1]):
                b += n*2**i
            arr.append(b)
        self.histroy.append(arr)
 
 
def drawCanvas():
    global tv,rect
    tv = tk.Canvas(win, width=win.winfo_width(), height=win.winfo_height())
    tv.pack(side = "top")
    for i in range(36):
        coord = 40, 40, 760, i*20 + 40
        tv.create_rectangle(coord)
        coord = 40, 40, i*20 + 40, 760
        tv.create_rectangle(coord)
    coord = 38, 38, 760, 760
    tv.create_rectangle(coord,width=2)
    coord = 39, 39, 760, 760
    tv.create_rectangle(coord,width=2)
    coord = 38, 38, 762, 762
    tv.create_rectangle(coord,width=2)
    R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
    rect = [[0]*36 for _ in range(36)]
    for i,x in enumerate(XY):
        for j,y in enumerate(XY):
            rect[i][j] = tv.create_rectangle(x-R,y-R,x+R,y+R,tags=('imgButton1'))
            tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
    tv.tag_bind('imgButton1','<Button-1>',on_Click)
 
def drawLifes():
    R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
    if Life.running:
        for i,x in enumerate(XY):
            for j,y in enumerate(XY):
                if Life.items[i+1][j+1]:
                    tv.itemconfig(rect[i][j],fill='green',outline='green')
                else:
                    tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
        tv.update()
        Life.reproduce()
        if Life.is_stable():
            Life.running = False
            if sum(sum(Life.items,[])):
                msgbox.showinfo('Message','生命繁殖與湮滅進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)！?。?)
            else:
                msgbox.showinfo('Message','生命全部湮滅，進(jìn)入死亡狀態(tài)?。?！')
    win.after(Life.runningSpeed, drawLifes)
 
def StartLife():
    if sum(sum(Life.items,[])):
        Life.histroy = []
        Life.running = True
    else:
        msgbox.showinfo('Message','請點(diǎn)擊小方塊填入生命細(xì)胞，或者使用隨機(jī)功能！')
 
def BreakLife():
    Life.running = not Life.running
    if Life.running:
        Life.histroy.clear()
        Life.add_histroy()
 
def RandomLife():
    Life.rndinit()
    Life.running = True
 
def ClearLife():
    Life.running = False
    Life.histroy = []
    Life.items = [[0]*38 for _ in range(38)]
    for x in range(36):
        for y in range(36):
            tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
 
def on_Enter(event):
    tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='magenta')
 
def on_Leave(event):
    tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue')
 
def on_Release(event):
    url = 'https://blog.csdn.net/boysoft2002?type=blog'
    webbrowser.open(url, new=0, autoraise=True)
 
def on_Click(event):
    x,y = (event.x-40)//20,(event.y-40)//20
    if not Life.running:
        if Life.items[x+1][y+1]:
            tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
        else:
            tv.itemconfig(rect[x][y],fill='red',outline='red')
        Life.items[x+1][y+1] = not Life.items[x+1][y+1]
 
def on_Close():
    if msgbox.askokcancel("Quit","Do you want to quit?"):
        Life.running = False
        print(Copyright())
        win.destroy()
 
def Introduce():
    txt = '''【生命游戲】\n\n生存定律：
    (1)當(dāng)前細(xì)胞為湮滅狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有３個存活細(xì)胞時(shí)，則迭代后該細(xì)胞變成存活狀態(tài)(模擬繁殖)。
    (2)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍的鄰居細(xì)胞少于２個存活時(shí)，該細(xì)胞變成湮滅狀態(tài)(數(shù)量稀少)。
    (3)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有３個以上的存活細(xì)胞時(shí)，該細(xì)胞變成湮滅狀態(tài)(數(shù)量過多)。
    (4)當(dāng)前細(xì)胞為存活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)周圍有２個或３個存活細(xì)胞時(shí)，該細(xì)胞保持原樣。'''
    return txt
 
def Copyright():
    return 'Lifes Game Ver1.0\nWritten by HannYang, 2022/08/01.'
 
 
if __name__ == '__main__':
 
    win = tk.Tk()
    X,Y = win.maxsize()
    W,H = 1024,800
    winPos = f'{W}x{H}+{(X-W)//2}+{(Y-H)//2}'
    win.geometry(winPos)
    win.resizable(False, False)
    win.title('生命游戲 Ver1.0')
    win.update()
    drawCanvas()
    Life = Lifes()
    drawLifes()
 
    tLabel = tk.Label(win, width=30, height=20, background='lightgray')
    tLabel.place(x=780, y=38)
    tLabel.config(text='\n\n\n'.join((Introduce(),Copyright())))
    tLabel.config(justify=tk.LEFT,anchor="nw",borderwidth=10,wraplength=210)
 
    bX,bY,dY = 835, 458, 50
    tButton0 = tk.Button(win, text=u'開始', command=StartLife)
    tButton0.place(x=bX, y=bY+dY*0 ,width=120,height=40)     
    tButton1 = tk.Button(win, text=u'暫停', command=BreakLife)
    tButton1.place(x=bX, y=bY+dY*1 ,width=120,height=40) 
    tButton2 = tk.Button(win, text=u'隨機(jī)', command=RandomLife)
    tButton2.place(x=bX, y=bY+dY*2 ,width=120,height=40)
    tButton3 = tk.Button(win, text=u'清空', command=ClearLife)
    tButton3.place(x=bX, y=bY+dY*3 ,width=120,height=40)
 
    tCanvas = tk.Canvas(win, width=200, height=45)
    tCanvas.place(x=800,y=716)
    tVisit = tCanvas.create_text((88, 22), text=u"點(diǎn)此訪問Hann's CSDN主頁!")
    tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue', tags=('btnText'))
    tCanvas.tag_bind('btnText','<Enter>',on_Enter)
    tCanvas.tag_bind('btnText','<Leave>',on_Leave)
    tCanvas.tag_bind('btnText','<ButtonRelease-1>',on_Release)
    win.protocol("WM_DELETE_WINDOW", on_Close)
    win.mainloop()

編譯命令

D:\> pyinstaller -F lifegame.pyw --noconsole

運(yùn)行界面

使用簡介

在生存空間里點(diǎn)擊方格種植細(xì)胞（甚至可以畫出你要表達(dá)的圖形），然后點(diǎn)擊開始；點(diǎn)下暫停鍵，則可以任意編輯生命圖形，再點(diǎn)開始繼續(xù)運(yùn)行；點(diǎn)隨機(jī)鍵則由軟件隨機(jī)生成細(xì)胞位置；清空鍵可以在任何時(shí)候清空生存空間，進(jìn)入暫停編輯狀態(tài)。