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Python制作AI贪吃蛇,很多很多细节、思路都写下来了!

2019-04-10 20:13 python


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前提:本文实现AI贪吃蛇自行对战,加上人机对战,读者可再次基础上自行添加电脑VS电脑和玩家VS玩家(其实把人机对战写完,这2个都没什么了,思路都一样)

实现效果:

具体功能:

1.智能模式:电脑自己玩(自己吃食物)

2.人机对战:电脑和人操作(在上步的基础上加一个键盘控制的贪吃蛇即可)

实现环境:

Pycharm + Python3.6 + Curses + Win10

具体过程:

一:配置环境:

Curses: 参考链接 (Cp后面代表本地Python环境,别下错了)

Stackoverflow 真的是个非常好的地方)

二:

1.灵感来源+参考链接:

http://www.hawstein.com/posts/snake-ai.html (Chrome有时候打不开,Firefox可以打开)

2.算法思路:

A*算法: https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/6048969.html (本人之前接触过,当时讲课老师说是自动寻路算法,我感觉和BFS+DFS一样,结果没想到居然是A*算法)

BFS+DFS(略)

第一步是能制作一个 基本的贪吃蛇 ,熟悉Curses的相关环境(最好别对蛇和食物使用特殊字符,在windows环境下会导致像素延迟,非常丑)


#curses官方手册:https://docs.python.org/3.5/library/curses.html#module-curses
#curses参考手册:https://blog.csdn.net/chenxiaohua/article/details/2099304

具体思路:

熟悉Curses中相关指令后基本就没什么了, 保证按的下一个键不导致蛇死亡,保证蛇吃食物后食物不在蛇身上,保证蛇碰到自己和边框就死亡,如果按其他键,会导致头被插入2次,从而让蛇死亡。(具体见代码分析)

 1 #!/usr/bin/env python 
2 # -*- coding: utf-8 -*-
3 # @Time : 2018/11/5 17:08
4 # @Author : Empirefree
5 # @File : 贪吃蛇-01.py
6 # @Software: PyCharm Community Edition
7
8 #curses官方手册:https://docs.python.org/3.5/library/curses.html#module-curses
9 #curses参考手册:https://blog.csdn.net/chenxiaohua/article/details/2099304
10
11 # 基本思路:while循环,让蛇一直右走(直到按键,如果按了其他键就会导致蛇头被重复插入1次到snake中,
12 # 继而第二次循环就会退出),蛇是每次自动增长,但是每次没吃到食物就会pop尾部(snake放在dict中,类似链表),按键检查就是只能按方向键
13 # 按方向键也存在判别是否出错(按了up后又按down),然后对于死亡情况就是碰到周围和自己
14
15 # 1.蛇的移动和吃食物后的变化
16 # 2.按键:按其他键和方向键
17 # 3.死亡判断
18
19 import curses
20 import random
21
22 # 开启curses
23 def Init_Curse():
24 global s
25 s = curses.initscr()
26 curses.curs_set(0) #能见度光标,写错了哇
27 curses.noecho()
28 curses.cbreak() #立即得到响应
29 s.keypad(True) #特殊处理键位,返回KEY_LEFT
30
31 #关闭并回到终端
32 def Exit_Curse():
33 curses.echo()
34 curses.nocbreak()
35 s.keypad(False)
36 curses.endwin()
37
38 def Start_Game():
39 # 窗口化操作
40 y, x = s.getmaxyx() # curses中是y,x
41 w = curses.newwin(y, x, 0, 0)
42 w.keypad(1)
43 w.timeout(100)
44
45 # 初始化蛇的位置,并用dict存储
46 snake_x = int(x / 4)
47 snake_y = int(y / 2)
48 snake = [[snake_y, snake_x], [snake_y, snake_x - 1], [snake_y, snake_x - 2]]
49
50 # 初始化食物
51 food_pos = [int(y / 2), int(x / 2)]
52 w.addch(food_pos[0], food_pos[1], '@') # 用@显示食物字元
53
54 key = curses.KEY_RIGHT # 得到右方向键
55
56 # 开始,为什么我感觉True比1看的爽一些
57 while True:
58 next_key = w.getch() # 等待输入,传回整数
59 print(next_key, 'QAQ')
60 # 防止Error
61 if next_key != -1:
62 if key == curses.KEY_RIGHT and next_key != curses.KEY_LEFT
63 or key == curses.KEY_LEFT and next_key != curses.KEY_RIGHT
64 or key == curses.KEY_DOWN and next_key != curses.KEY_UP
65 or key == curses.KEY_UP and next_key != curses.KEY_DOWN:
66 key = next_key
67
68 # 蛇死亡, 当蛇头碰到蛇身或墙壁
69 if snake[0][0] in [0, y] or snake[0][1] in [0, x] or snake[0] in snake[1:]:
70 # print(snake[0], snake[1]) 按下其他键就会导致,new_head被插入2次,从而退出
71 curses.endwin()
72 print('!!!游戏结束!!!')
73 quit()
74
75 #按键移动
76 tempy = snake[0][0]
77 tempx = snake[0][1]
78 new_head = [tempy, tempx]
79 if key == curses.KEY_RIGHT:
80 new_head[1] += 1
81 elif key == curses.KEY_LEFT:
82 new_head[1] -= 1
83 elif key == curses.KEY_UP:
84 new_head[0] -= 1
85 elif key == curses.KEY_DOWN:
86 new_head[0] += 1
87 snake.insert(0, new_head) #保留蛇头,根据按键更新蛇头
88
89 #食物位置
90 if snake[0] == food_pos:
91 food_pos = None
92 while food_pos is None:
93 new_food = [random.randint(1, y - 1), random.randint(1, x - 1)]
94 if new_food not in snake:
95 food_pos = new_food
96 w.addch(food_pos[0], food_pos[1], '@') #再次添加食物,保证食物不在蛇上
97 else:
98 tail = snake.pop() #dict直接pop尾部
99 w.addch(tail[0], tail[1], ' ')
100
101 w.addch(snake[0][0], snake[0][1], 'Q')
102
103 if __name__ == '__main__':
104 Init_Curse()
105 Start_Game()
106
107 print('QAQ')
108 Exit_Curse()
基本贪吃蛇

3.代码剖析:

[红色为代码所需函数]

(蛇每走一步,就更新snake距离food的board距离,涉及 board_rest (更新每个非snake元素距离food的距离)和 board_refresh (本文这里采用BFS算法)),寻找到best_move,然后让蛇移动即可

如果吃的到食物( find_safe_way ):----> 放出虚拟蛇( virtual_shortest_move )(防止蛇吃完食物就被自己绕死)

如果虚拟蛇吃完食物还可以找到 蛇尾(出的去)( is_tail_inside )

直接吃食物( choose_shortest_safe_move )

反之,出不去:

就跟着尾巴走( follow_tail )就好比一直上下绕,就绝对不会死,但是蛇就完全没有灵性

如果吃不到食物

跟着尾巴(走最远的路(

choose_longest_safe_move

)),四个方向走(如果是A*算法需要将8个方向改成4个方向)

如果上诉方法都不行,就涉及到a ny_possible_move ,挑选距离最小的走(这里就会涉及到将自己吃死,有待改进)

(通过以上方法,就可以制造一个基本AI贪吃蛇了,当然,还有很多细节方面东西需要考虑)

报错:

win = curses.newwin(HEIGHT, WIDTH, 0, 0)

_curses.error: curses function returned NULL

原因: Pycharm下面(或者cmd、exe太小,需要拉大点)

	 1 #!/usr/bin/env python
2 # -*- coding: utf-8 -*-
3 # @Time : 2018/11/16 14:26
4 # @Author : Empirefree
5 # @File : 贪吃蛇-03.py
6 # @Software: PyCharm Community Edition
7
8 import curses
9 from curses import KEY_RIGHT, KEY_LEFT, KEY_UP, KEY_DOWN
10 from random import randint
11
12 # 必须要弄成全局哇,不然需要用到的数据太多了
13 # 1.初始化界面
14 # 2.更新地图,判断是否可以吃到食物
15 # 3.如果可以吃到,放出虚拟蛇(这里又设计到地图更新(board_reset),记录距离(board_refresh)操作)
16 # 3.1虚拟蛇若吃食物距离蛇尾有路径(直接吃),否则,追蛇尾
17 # 3.2若吃不到,则追蛇尾
18 # 4.更新best_move,改变距离
19 ###########################################################################################
20 #作者:
21 print('**************************************************************************')
22 print('*****************!!! 欢迎使用AI贪吃蛇 !!!*************************')
23 print('*****************作者:胡宇乔 *********************')
24 print('*****************工具: Pycharm *********************')
25 print('*****************时间: 2018/11/16 14:26 ********************')
26 print('***************** (按Esc结束贪吃蛇游戏) **********************')
27 print('**************************************************************************')
28 # 场地
29 HEIGHT, WIDTH = map(int, input('请输入长度长宽[20 40]:').split())
30 FIELD_SIZE = HEIGHT * WIDTH
31
32 #蛇和食物
33 HEAD = 0
34 FOOD = 0
35 UNDEFINED = (HEIGHT + 1) * (WIDTH + 1)
36 SNAKE = 2 * UNDEFINED
37
38 # 四个方向的移动
39 LEFT = -1
40 RIGHT = 1
41 UP = -WIDTH
42 DOWN = WIDTH
43
44 # 错误码
45 ERR = -1111
46
47 # 用一维数组来表示二维的东西
48 # board表示蛇运动的矩形场地
49 # 初始化蛇头在(1,1)的地方,第0行,HEIGHT行,第0列,WIDTH列为围墙,不可用
50 # 初始蛇长度为1
51 board = [0] * FIELD_SIZE
52 snake = [0] * (FIELD_SIZE + 1)
53 snake[HEAD] = 1 * WIDTH + 1
54 snake_size = 1
55 # tmpsnake即虚拟蛇
56 tmpboard = [0] * FIELD_SIZE
57 tmpsnake = [0] * (FIELD_SIZE + 1)
58 tmpsnake[HEAD] = 1 * WIDTH + 1
59 tmpsnake_size = 1
60
61 # food:食物位置(0~FIELD_SIZE-1),初始在(3, 3)
62 # best_move: 运动方向
63 food = 3 * WIDTH + 3
64 best_move = ERR
65
66 # 运动方向数组
67 mov = [LEFT, RIGHT, UP, DOWN]
68 # 接收到的键 和 分数
69 key = KEY_RIGHT
70 score = 1 # 分数也表示蛇长
71
72 #cueses初始化
73 curses.initscr()
74 win = curses.newwin(HEIGHT, WIDTH, 0, 0)
75 win.keypad(1)
76 curses.noecho()
77 curses.curs_set(0)
78 win.border(0)
79 win.nodelay(1)
80 win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')
81
82 ###########################################################################################
83 #判断是否为空(可走)
84 def is_cell_free(idx, psize, psnake):
85 return not (idx in psnake[:psize])
86
87
88 # 检查某个位置idx是否可向move方向运动
89 def is_move_possible(idx, move):
90 flag = False
91 if move == LEFT:
92 flag = True if idx % WIDTH > 1 else False
93 elif move == RIGHT:
94 flag = True if idx % WIDTH < (WIDTH - 2) else False
95 elif move == UP:
96 flag = True if idx > (2 * WIDTH - 1) else False # 即idx/WIDTH > 1
97 elif move == DOWN:
98 flag = True if idx < (FIELD_SIZE - 2 * WIDTH) else False # 即idx/WIDTH < HEIGHT-2
99 return flag
100
101
102 # 计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度,并判断是否可以找到食物
103 def board_reset(psnake, psize, pboard):
104 for i in range(FIELD_SIZE):
105 if i == food:
106 pboard[i] = FOOD
107 elif is_cell_free(i, psize, psnake): # 该位置为空
108 pboard[i] = UNDEFINED
109 else: # 该位置为蛇身
110 pboard[i] = SNAKE
111
112
113 # 广度优先搜索遍历整个board,
114 # 计算出board中每个非SNAKE元素到达食物的路径长度
115 def board_refresh(pfood, psnake, pboard):
116 queue = []
117 queue.append(pfood)
118 inqueue = [0] * FIELD_SIZE
119 found = False
120 # while循环结束后,除了蛇的身体,
121 # 其它每个方格中的数字代码从它到食物的路径长度
122 while len(queue) != 0:
123 idx = queue.pop(0)
124 if inqueue[idx] == 1: continue
125 inqueue[idx] = 1
126 for i in range(4):
127 if is_move_possible(idx, mov[i]):
128 if idx + mov[i] == psnake[HEAD]:
129 found = True
130 if pboard[idx + mov[i]] < SNAKE: # 如果该点不是蛇的身体
131
132 if pboard[idx + mov[i]] > pboard[idx] + 1:
133 pboard[idx + mov[i]] = pboard[idx] + 1
134 if inqueue[idx + mov[i]] == 0:
135 queue.append(idx + mov[i])
136
137 return found
138
139
140 #蛇头开始,根据蛇的4个领域选择最远路径(安全一点)
141 def choose_shortest_safe_move(psnake, pboard):
142 best_move = ERR
143 min = SNAKE
144 for i in range(4):
145 if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] < min:
146 min = pboard[psnake[HEAD] + mov[i]]
147 best_move = mov[i]
148 return best_move
149
150
151 # 从蛇头开始,根据board中元素值,
152 # 从蛇头周围4个领域点中选择最远路径
153 def choose_longest_safe_move(psnake, pboard):
154 best_move = ERR
155 max = -1
156 for i in range(4):
157 if is_move_possible(psnake[HEAD], mov[i]) and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] < UNDEFINED and pboard[psnake[HEAD] + mov[i]] > max:
158 max = pboard[psnake[HEAD] + mov[i]]
159 best_move = mov[i]
160 return best_move
161
162
163 # 检查是否可以追着蛇尾运动,即蛇头和蛇尾间是有路径的
164 # 为的是避免蛇头陷入死路
165 # 虚拟操作,在tmpboard,tmpsnake中进行
166 def is_tail_inside():
167 global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
168 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)
169 tmpboard[food] = SNAKE # 放置食物的地方,看成蛇身
170 result = board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size - 1], tmpsnake, tmpboard) # 求得每个位置到蛇尾的路径长度
171 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
172 if is_move_possible(tmpsnake[HEAD], mov[i]) and tmpsnake[HEAD] + mov[i] == tmpsnake[
173 tmpsnake_size - 1] and tmpsnake_size > 3:
174 result = False
175 return result
176
177
178 # 让蛇头朝着蛇尾运行一步
179 # 不管蛇身阻挡,朝蛇尾方向运行
180 def follow_tail():
181 global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
182 tmpsnake_size = snake_size
183 tmpsnake = snake[:]
184 board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 重置虚拟board
185 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = FOOD # 让蛇尾成为食物
186 tmpboard[food] = SNAKE # 让食物的地方变成蛇身
187 board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size - 1], tmpsnake, tmpboard) # 求得各个位置到达蛇尾的路径长度
188 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = SNAKE # 还原蛇尾
189
190 return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard) # 返回运行方向(让蛇头运动1步)
191
192
193 # 在各种方案都不行时,随便找一个可行的方向来走(1步),
194 def any_possible_move():
195 global food, snake, snake_size, board
196 best_move = ERR
197 board_reset(snake, snake_size, board)
198 board_refresh(food, snake, board)
199 min = SNAKE
200
201 for i in range(4):
202 if is_move_possible(snake[HEAD], mov[i]) and board[snake[HEAD] + mov[i]] < min:
203 min = board[snake[HEAD] + mov[i]]
204 best_move = mov[i]
205 return best_move
206
207 #虚拟蛇蛇移动
208 def shift_array(arr, size):
209 for i in range(size, 0, -1):
210 arr[i] = arr[i - 1]
211
212 #产生新食物
213 def new_food():
214 global food, snake_size
215 cell_free = False
216 while not cell_free:
217 w = randint(1, WIDTH - 2)
218 h = randint(1, HEIGHT - 2)
219 food = h * WIDTH + w
220 cell_free = is_cell_free(food, snake_size, snake)
221 win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')
222
223
224 # 真正的蛇在这个函数中,朝pbest_move走1步
225 def make_move(pbest_move):
226 global key, snake, board, snake_size, score
227 shift_array(snake, snake_size)
228 snake[HEAD] += pbest_move
229
230 # 按esc退出,getch同时保证绘图的流畅性,没有它只会看到最终结果
231 win.timeout(10)
232 event = win.getch()
233 key = key if event == -1 else event
234 if key == 27: return
235
236 p = snake[HEAD]
237 win.addch(p // WIDTH, p % WIDTH, '*')
238
239 # 如果新加入的蛇头就是食物的位置
240 # 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)
241 if snake[HEAD] == food:
242 board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头
243 snake_size += 1
244 score += 1
245 if snake_size < FIELD_SIZE: new_food()
246 else: # 如果新加入的蛇头不是食物的位置
247 board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇头
248 board[snake[snake_size]] = UNDEFINED # 蛇尾变为空格
249 win.addch(snake[snake_size] // WIDTH, snake[snake_size] % WIDTH, ' ')
250
251
252 #虚拟蛇最短移动
253 def virtual_shortest_move():
254 global snake, board, snake_size, tmpsnake, tmpboard, tmpsnake_size, food
255 tmpsnake_size = snake_size
256 tmpsnake = snake[:] # 如果直接tmpsnake=snake,则两者指向同一处
257 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
258 board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard)
259
260 food_eated = False
261 while not food_eated:
262 board_refresh(food, tmpsnake, tmpboard)
263 move = choose_shortest_safe_move(tmpsnake, tmpboard)
264 shift_array(tmpsnake, tmpsnake_size)
265 tmpsnake[HEAD] += move # 在蛇头前加入一个新的位置
266 # 如果新加入的蛇头的位置正好是食物的位置
267 # 则长度加1,重置board,食物那个位置变为蛇的一部分(SNAKE)
268 if tmpsnake[HEAD] == food:
269 tmpsnake_size += 1
270 board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 虚拟运行后,蛇在board的位置
271 tmpboard[food] = SNAKE
272 food_eated = True
273 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
274 tmpboard[tmpsnake[HEAD]] = SNAKE
275 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size]] = UNDEFINED
276
277
278 # 如果蛇与食物间有路径,则调用本函数
279 def find_safe_way():
280 global snake, board
281 safe_move = ERR
282 # 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
283 # 运行后得到虚拟下蛇在board中的位置,即tmpboard,见label101010
284 virtual_shortest_move() # 该函数唯一调用处
285 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)
286 return choose_shortest_safe_move(snake, board)
287 safe_move = follow_tail() # 否则虚拟地follow_tail 1步,如果可以做到,返回true
288 return safe_move
289
290 if __name__ == '__main__':
291
292 while key != 27:
293 win.border(0)
294 win.addstr(0, 2, '分数:' + str(score) + ' ')
295 win.timeout(10)
296 # 接收键盘输入,同时也使显示流畅
297 event = win.getch()
298 key = key if event == -1 else event
299 # 重置矩阵
300 board_reset(snake, snake_size, board)
301
302 # 如果蛇可以吃到食物,board_refresh返回true
303 # 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
304 if board_refresh(food, snake, board):
305 best_move = find_safe_way() # find_safe_way的唯一调用处
306 else:
307 best_move = follow_tail()
308
309 if best_move == ERR:
310 best_move = any_possible_move()
311 # 上面一次思考,只得出一个方向,运行一步
312 if best_move != ERR:
313 make_move(best_move)
314 else:
315 break
316
317 curses.endwin()
318 print("
得分: " + str(score))
贪吃蛇-02

在以上基础上,还需要引入第一步制造的基本贪吃蛇


细节: 1.键盘蛇加入后如何与蛇抢分(只需要return即可,但是 new_food()里面是需要更改的)

	 1 # 产生新食物
2 def new_food():
3 global food, snake_size, myfood
4 cell_free = False
5 while not cell_free:
6 food1 = [random.randint(1, HEIGHT - 2), random.randint(1, WIDTH - 2)]
7 w = randint(1, WIDTH - 2)
8 h = randint(1, HEIGHT - 2)
9 myfood = [h, w]
10 food = h * WIDTH + w
11 if (is_cell_free(food, snake_size, snake) and [w, h] not in snake1):
12 cell_free = True
13 win.addch(food // WIDTH, food % WIDTH, '@')

2.一直没说,由于蛇加入后很多变量都需要global,导致变量看起来非常麻烦(读者要有心理准备)

3.curses里面的win.timeout()是控制蛇的速度

好像就没什么了,想起来了在更。我没加入2条蛇不能彼此碰撞(读者也可以弄成2个地图,然后看AI蛇和你自己的蛇如何操作跑,我是放在了一个地图里面)

当然还有很多很多细节,不过主要思路写下来了。其余就靠分析代码自行研究了。Python制作AI贪吃蛇


 
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