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CS 41 课程九：游戏开发（5月24日）

一、课程基本信息

日期：2023年5月24日
主题：🐍 Gaming（游戏开发）

课程安排

下周预览：

• 单元测试（Unit Testing）
• Pygame游戏开发

二、使用Python制作游戏

1. 游戏示例展示

Example Games（课堂演示各种Python游戏）

2. Pygame安装

安装说明：

• Pygame是非标准库包（上周学习内容）
• 需要使用pip安装

pipinstallpygame

三、游戏循环（Game Loop）

1. 游戏循环概念

核心作用：

• 游戏控制的中心
• 更新游戏状态
• 每个循环周期就是一帧（frame）

基本结构：

running=Truewhilerunning:# 1. 处理事件# 2. 更新游戏状态# 3. 绘制画面# 4. 刷新显示

四、事件系统（Events）

1. 什么是事件？

定义：

• 用户操作，游戏循环围绕这些操作展开
• 通过事件处理器（event handler）访问
• 每个事件都有一个类型

2. 事件类型

常见事件类型：

3. 事件队列

访问事件：

foreventinpygame.event.get():# 处理事件

事件对象示例：

<Event(768-KeyDown{'unicode':'','key':1073741906,'mod':0,'scancode':82,'window':None})><Event(769-KeyUp{'unicode':'','key':1073741906,'mod':0,'scancode':82,'window':None})>

特点：

• 事件存储在队列中
• 按顺序处理
• 包含详细的事件信息

五、第一个图形窗口

1. 完整代码示例

importpygame pygame.init()screen=pygame.display.set_mode((500,500))white=(255,255,255)blue=(0,0,255)running=Truewhilerunning:foreventinpygame.event.get():ifevent.type==pygame.QUIT:running=False# 用白色填充背景screen.fill(white)# 在中心绘制蓝色实心圆pygame.draw.circle(screen,blue,(250,250),75)# 更新显示pygame.display.update()# 或使用 pygame.display.flip()# 游戏结束时pygame.quit()

2. 代码详解

(1) 初始化窗口

importpygame pygame.init()screen=pygame.display.set_mode((500,500))

• 导入pygame库
• 初始化pygame
• 创建500x500像素的窗口

(2) 定义颜色

white=(255,255,255)blue=(0,0,255)

• 使用RGB元组表示颜色
• (R, G, B) 每个值范围0-255

(3) 初始化游戏循环

running=Truewhilerunning:

• 控制游戏运行状态
• 循环直到running变为False

(4) 获取事件队列

foreventinpygame.event.get():

• 获取所有事件
• 遍历事件队列

(5) 检查事件类型

ifevent.type==pygame.QUIT:running=False

• 检查是否点击关闭按钮
• 退出游戏循环

(6) 绘制图形

screen.fill(white)pygame.draw.circle(screen,blue,(250,250),75)

• screen.fill(white): 填充背景色
• pygame.draw.circle(): 绘制圆形
  • 参数1: 绘制表面
  • 参数2: 颜色
  • 参数3: (x, y) 圆心坐标
  • 参数4: 半径

(7) 更新显示

pygame.display.update()# 或 pygame.display.flip()

• 刷新屏幕显示
• 显示所有绘制内容

运行代码：Let’s run this code

六、制作贪吃蛇游戏

1. 绘制矩形基础

pygame.draw.rect(surface,color,rect)

参数说明：

• surface: 绘制表面（screen）
• color: 颜色元组
• rect: 矩形[left, top, width, height]

示例：

# 绘制一个蛇的方块pygame.draw.rect(screen,blue,[100,100,10,10])

2. 键盘控制

检测按键事件

ifevent.type==pygame.KEYDOWN:ifevent.key==pygame.K_LEFT:# 向左移动ifevent.key==pygame.K_RIGHT:# 向右移动ifevent.key==pygame.K_UP:# 向上移动ifevent.key==pygame.K_DOWN:# 向下移动

按键常量：

• pygame.K_LEFT: 左箭头
• pygame.K_RIGHT: 右箭头
• pygame.K_UP: 上箭头
• pygame.K_DOWN: 下箭头

3. 蛇的表示与移动

数据结构

# 使用坐标元组列表表示蛇snake=[(100,100),(100,110),(100,120)]

移动策略问题

方法1：更新所有坐标（复杂）

问题：蛇头需要向下移动snake_size 但需要遍历整个列表更新所有过去的坐标 :(

方法2：添加和删除（优雅）✓

步骤1: 在蛇头应该在的位置添加新方块 步骤2: 删除最后一个方块

图示：

移动前: [█][█][█] ↓ 添加新头: [█][█][█][█] ↓ 删除尾部: [█][█][█] （新位置）

4. 动画速度控制

时钟控制：

pygame.time.Clock().tick(15)

作用：

• 确保游戏循环最多以每秒15帧运行
• 放在循环内部
• 控制游戏速度，使其在不同电脑上表现一致

帧率说明：

# 慢速游戏pygame.time.Clock().tick(10)# 10 FPS# 正常速度pygame.time.Clock().tick(15)# 15 FPS# 快速游戏pygame.time.Clock().tick(30)# 30 FPS

七、完整贪吃蛇代码实现

1. 常量和初始化

importtimeimportrandomimportpygame# 常量和变量white=(255,255,255)blue=(50,153,213)green=(0,255,0)dis_width=600dis_height=400block_size=10snake_length=15# 初始化pygame窗口pygame.init()screen=pygame.display.set_mode((dis_width,dis_height))pygame.display.set_caption('CS 41 PYTHON')

2. 辅助函数

(1) 初始化蛇

definitialize_snake(len,start_left,start_top):initialize_snake=[]foriinrange(len):initialize_snake.append((start_left,start_top+(block_size*i)))returninitialize_snake

(2) 绘制蛇

defdraw_snake(snake_coords):forx,yinsnake_coords:pygame.draw.rect(screen,blue,[x,y,block_size,block_size])

(3) 更新蛇的位置

defupdate_snake(x,y,snake):snake.append((x,y))iflen(snake)>snake_length:delsnake[0]returnsnake

工作原理：

• 在蛇头位置添加新方块
• 如果蛇长度超过限制，删除尾部
• 实现"移动"效果

(4) 生成食物

defgenerate_food(snake):whileTrue:food_x=random.randrange(0,dis_width,block_size)food_y=random.randrange(0,dis_height,block_size)if(food_x,food_y)notinsnake:returnfood_x,food_y

重要细节：

• 使用random.randrange()生成随机坐标
• 步长为block_size确保食物在网格上
• 检查食物不与蛇重叠

(5) 绘制食物

defdraw_food(food_x,food_y):pygame.draw.rect(screen,green,[food_x,food_y,block_size,block_size])

(6) 碰撞检测

defcheck_collision(snake_head,food_x,food_y):ifsnake_head[0]==food_xandsnake_head[1]==food_y:returnTruereturnFalse

3. 主游戏函数

defgame():globalsnake_length# 使用全局变量running=Truex_change=0y_change=0x=dis_width/2y=dis_height/2snake=initialize_snake(snake_length,x,y)food_x,food_y=generate_food(snake)whilerunning:screen.fill(white)draw_snake(snake)draw_food(food_x,food_y)foreventinpygame.event.get():ifevent.type==pygame.QUIT:running=Falseifevent.type==pygame.KEYDOWN:ifevent.key==pygame.K_LEFT:x_change=-block_size y_change=0ifevent.key==pygame.K_RIGHT:x_change=block_size y_change=0ifevent.key==pygame.K_UP:x_change=0y_change=-block_sizeifevent.key==pygame.K_DOWN:x_change=0y_change=block_size x+=x_change y+=y_change snake=update_snake(x,y,snake)ifcheck_collision(snake[-1],food_x,food_y):snake_length+=1food_x,food_y=generate_food(snake)draw_snake(snake)pygame.time.Clock().tick(15)pygame.display.flip()pygame.quit()if__name__=="__main__":game()

4. 游戏逻辑流程

每帧执行步骤：

1. 清空屏幕（填充白色） 2. 绘制蛇和食物 3. 处理事件（键盘输入、退出） 4. 更新蛇的位置 5. 检查是否吃到食物 6. 如果吃到食物： - 增加蛇的长度 - 生成新食物 7. 重新绘制 8. 控制帧率（15 FPS） 9. 刷新显示

八、小组活动

活动说明

任务：为贪吃蛇游戏添加食物功能

准备工作：

• 确保已安装pygame：pip install pygame
• 从网站下载starter code

功能要求

1. 食物碰撞：

   • 当蛇碰到食物时，蛇增长1个单位

2. 食物生成：

   • 食物应该出现在窗口的随机位置
   • 被吃掉后重新出现

3. 提示：

   • 思考蛇移动的倍数
   • 食物坐标应该只在这些倍数位置上

4. 扩展功能（可选）：

   • 如果想添加其他有趣的功能，随意发挥！

实现建议

关键点：

# 1. 食物坐标必须是block_size的倍数food_x=random.randrange(0,dis_width,block_size)food_y=random.randrange(0,dis_height,block_size)# 2. 检测碰撞ifsnake_head==(food_x,food_y):snake_length+=1# 生成新食物# 3. 确保食物不在蛇身上while(food_x,food_y)insnake:# 重新生成

九、课程总结

Pygame核心概念

游戏开发三要素：

1. 游戏循环（Game Loop） └─ 持续运行直到游戏结束 2. 事件处理（Event Handling） └─ 响应用户输入 3. 绘制更新（Draw & Update） └─ 显示游戏状态

游戏循环模式

# 标准游戏循环模式pygame.init()screen=pygame.display.set_mode((width,height))clock=pygame.time.Clock()running=Truewhilerunning:# 1. 处理事件foreventinpygame.event.get():ifevent.type==pygame.QUIT:running=False# 其他事件处理# 2. 更新游戏逻辑# 更新位置、检测碰撞等# 3. 绘制screen.fill(background_color)# 绘制游戏元素# 4. 刷新和控制帧率pygame.display.flip()clock.tick(FPS)pygame.quit()

Pygame常用函数速查

初始化与窗口：

pygame.init()screen=pygame.display.set_mode((width,height))pygame.display.set_caption('Title')

事件处理：

pygame.event.get()# 获取所有事件event.type# 事件类型event.key# 按键值

绘制函数：

screen.fill(color)# 填充背景pygame.draw.circle(screen,color,(x,y),r)# 圆形pygame.draw.rect(screen,color,[x,y,w,h])# 矩形pygame.draw.line(screen,color,(x1,y1),(x2,y2))# 线条

显示更新：

pygame.display.flip()# 刷新整个屏幕pygame.display.update()# 更新特定区域

时间控制：

clock=pygame.time.Clock()clock.tick(FPS)# 控制帧率

贪吃蛇实现要点

数据结构选择：

# 用列表存储蛇的所有方块snake=[(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)]# 蛇头：snake[-1]# 蛇尾：snake[0]

移动算法：

# 添加新头snake.append((new_x,new_y))# 删除旧尾（如果没吃食物）ifnotate_food:delsnake[0]

网格对齐：

# 确保所有坐标都是block_size的倍数x=random.randrange(0,width,block_size)y=random.randrange(0,height,block_size)

可能的扩展功能

基础扩展：

1. 添加得分显示
2. 增加游戏难度（随时间加速）
3. 添加边界检测（撞墙游戏结束）
4. 添加自咬检测（蛇咬到自己）

进阶扩展：
5. 多个食物
6. 特殊食物（加速/减速/双倍分数）
7. 障碍物
8. 暂停功能
9. 最高分记录
10. 音效和背景音乐

调试技巧

常见问题：

# 1. 窗口一闪而过# 解决：确保有游戏循环和事件处理# 2. 游戏太快/太慢# 解决：调整clock.tick()的参数# 3. 绘制不显示# 解决：确保调用了pygame.display.flip()# 4. 蛇移动不连续# 解决：确保坐标是block_size的倍数

学习资源

官方文档：

• Pygame官网：https://www.pygame.org/
• Pygame文档：https://www.pygame.org/docs/

教程推荐：

• Pygame官方教程
• Real Python的Pygame系列
• YouTube上的游戏开发教程

关键要点

1. 游戏循环是核心：

   • 所有游戏都基于循环
   • 每帧更新状态和绘制

2. 事件驱动编程：

   • 响应用户输入
   • 处理各种事件类型

3. 帧率控制重要：

   • 使用Clock控制速度
   • 保证不同设备体验一致

4. 数据结构选择：

   • 合适的数据结构简化逻辑
   • 列表非常适合表示蛇

5. 模块化设计：

   • 将功能分解为函数
   • 提高代码可读性和可维护性