Python實現生命遊戲的範例程式碼(tkinter版)

2022-08-04 18:02:24

生命遊戲(Game of Life)

由劍橋大學約翰·何頓·康威設計的計算機程式。美國趣味數學大師馬丁·加德納(Martin Gardner，1914-2010）通過《科學美國人》雜誌，將康威的生命遊戲介紹給學術界之外的廣大瀆者，一時吸引了各行各業一大批人的興趣，這時細胞自動機課題才吸引了科學家的注意。

遊戲概述

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胞，每個生命細胞只有兩種狀態：“生”或“死”。用綠色方格表示該細胞為“生”，空格(白色)表示該細胞為“死”。或者說方格網中綠色部分表示某個時候某種“生命”的分佈圖。生命遊戲想要模擬的是：隨著時間的流逝，這個分佈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。

生存定律

生存空間的每個方格都存在一個細胞，它的周邊緊鄰的8個方格上的稱為鄰居細胞。

(1)當前細胞為湮滅狀態時，當週圍有３個存活細胞時，則迭代後該細胞變成存活狀態(模擬繁殖)。

(2)當前細胞為存活狀態時，當週圍的鄰居細胞少於２個存活時，該細胞變成湮滅狀態(數量稀少)。

(3)當前細胞為存活狀態時，當週圍有３個以上的存活細胞時，該細胞變成湮滅狀態(數量過多)。

(4)當前細胞為存活狀態時，當週圍有２個或３個存活細胞時，該細胞保持原樣。

簡單來說，活細胞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：

“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：

圖形結構

在遊戲進行中，雜亂無序的細胞會逐漸演化出各種精緻、有形的圖形結構；這些結構往往有很好的對稱性，而且每一代都在變化形狀。一些形狀一經鎖定就不會逐代變化。有時，一些已經成形的結構會因為一些無序細胞的“入侵”而被破壞。但是形狀和秩序經常能從雜亂中產生出來。

通常會有以下四種狀態：

不動點（fixed points）：變化終結於恆定影象

交替態（alternation）：影象出現週期性變化

隨機態（randomness）：影象變化近乎隨機

複雜態（complexity）：影象存在某種複雜規律

常見的不動結構：

週期變化的結構：

逐步趨向湮滅的結構：

由一根10個連續細胞演化出來的週期結構：

動態變化後全部湮滅的結構：

移動的飛船：週期變化且逐漸向右平移

飛船到了邊界變成向對角線移動的“滑翔者”，滑翔者到了邊界成為不動的方塊。

更多有趣的圖形結構有待發現，用程式碼來輔助這項工作還是比較方便的.....

程式碼實現

用tkinter庫實現了軟體介面，畫布、按鈕、標籤等控制元件都是配角，全是為表現生命繁殖演化的核心程式碼類方法 Lifes.reproduce() 作幫手的，原始碼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','生命繁殖與湮滅進入穩定狀態！！！')
            else:
                msgbox.showinfo('Message','生命全部湮滅，進入死亡狀態！！！')
    win.after(Life.runningSpeed, drawLifes)
 
def StartLife():
    if sum(sum(Life.items,[])):
        Life.histroy = []
        Life.running = True
    else:
        msgbox.showinfo('Message','請點選小方塊填入生命細胞，或者使用隨機功能！')
 
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 = '''【生命遊戲】nn生存定律：
    (1)當前細胞為湮滅狀態時，當週圍有３個存活細胞時，則迭代後該細胞變成存活狀態(模擬繁殖)。
    (2)當前細胞為存活狀態時，當週圍的鄰居細胞少於２個存活時，該細胞變成湮滅狀態(數量稀少)。
    (3)當前細胞為存活狀態時，當週圍有３個以上的存活細胞時，該細胞變成湮滅狀態(數量過多)。
    (4)當前細胞為存活狀態時，當週圍有２個或３個存活細胞時，該細胞保持原樣。'''
    return txt
 
def Copyright():
    return 'Lifes Game Ver1.0nWritten 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('生命遊戲 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='nnn'.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', 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"點此存取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()

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