【Python錦囊㊙️技12】OOP 實作(2) -- 遊戲開發

2024 iThome 鐵人賽

DAY 12

Python

Python 錦囊密技系列第 12 篇

16th鐵人賽 python game oop

I code so I am

2024-09-26 10:02:00

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遊戲開發是學習OOP最好的方式

上一篇討論OOP入門技巧，本篇則以遊戲為例使用OOP開發程式，讀者也許會覺得突兀，本系列文章不是在討論【開發中大型系統的必備技巧】嗎? 【Python錦囊㊙️技10】介紹OOA先描繪實際現狀(Physical current status)，再邏輯化，將實體轉化為角色(Role)，而遊戲通常是由各種角色組成，在不同場景中運行，與OOA/OOD/OOP精神不謀而合，因此，有人說【遊戲開發是學習OOP最好的方式】。

圖一. 設計思維

打磚塊 (Breakout)

【打磚塊】(Breakout)是一個經典的遊戲，如上圖，以乒乓球拍擊球，將所有磚塊打光就算贏了，【Breakout Tutorial using Pygame】一系列的文章以逐步加強遊戲功能的方式，帶領讀者由淺入深理解OOP概念與實作，是很棒的學習教材，筆者就草船借箭，濃縮精華，分享閱讀心得。

邁開第一步

遊戲開發採用Pygame套件，故須先安裝套件，指令如下：

pip install pygame

範例1. Pygame最簡程式，程式名稱為pygame_0.py。

Pygame 初始化：呼叫pygame.init()。
建立視窗：呼叫pygame.display.set_mode。
監聽鍵盤及滑鼠事件：收到【關閉視窗】的訊息，關閉Pygame，結束程式。

import sys, pygame

# Pygame 初始化
pygame.init()

# 建立視窗
screen = pygame.display.set_mode((320, 240))

# 監聽鍵盤及滑鼠事件
while True:
    for event in pygame.event.get():
        # 關閉視窗，程式即結束
        if event.type == pygame.QUIT: 
            pygame.quit()
            sys.exit()

測試：

python pygame_0.py

執行結果：

範例2. 美化視窗，建立記分板，程式名稱為pygame_1.py。

設定視窗標題。

pygame.display.set_caption("打磚塊(Breakout)")

使用pygame.time.Clock，控制畫面更新頻率(frame per second, FPS)。

# 控制畫面更新頻率(frame per second, FPS)
clock = pygame.time.Clock()
 
# 監聽鍵盤及滑鼠事件
while True:
    ...
    # 更新畫面
    pygame.display.flip()
     
    # 設定每秒60幀(FPS)
    clock.tick(60)

在迴圈內建立記分板。

    # 設定視窗背景顏色 
    screen.fill(DARKBLUE)
    # 設定視窗背景顏色 
    pygame.draw.line(screen, WHITE, [0, 38], [800, 38], 2)

    # 建立記分板
    font = pygame.font.Font(None, 34)
    text = font.render("Score: " + str(score), 1, WHITE)
    screen.blit(text, (20,10))
    text = font.render("Lives: " + str(lives), 1, WHITE)
    screen.blit(text, (650,10))

完整程式如下：

import pygame, sys

# Pygame 初始化
pygame.init()

# 設定各種顏色的RGB
WHITE = (255,255,255)
DARKBLUE = (36,90,190)
LIGHTBLUE = (0,176,240)
RED = (255,0,0)
ORANGE = (255,100,0)
YELLOW = (255,255,0)

score = 0
lives = 3

# 建立視窗
screen = pygame.display.set_mode((800, 600))
# 設定視窗標題
pygame.display.set_caption("打磚塊(Breakout)")

# 控制畫面更新頻率(frame per second, FPS)
clock = pygame.time.Clock()
 
# 監聽鍵盤及滑鼠事件
while True:
    for event in pygame.event.get(): # User did something
        # 關閉視窗，程式即結束
        if event.type == pygame.QUIT: 
              pygame.quit()
              sys.exit()
 
    # 設定視窗背景顏色 
    screen.fill(DARKBLUE)
    # 設定視窗背景顏色 
    pygame.draw.line(screen, WHITE, [0, 38], [800, 38], 2)

    # 建立記分板
    font = pygame.font.Font(None, 34)
    text = font.render("Score: " + str(score), 1, WHITE)
    screen.blit(text, (20,10))
    text = font.render("Lives: " + str(lives), 1, WHITE)
    screen.blit(text, (650,10))
 
    # 更新畫面
    pygame.display.flip()
     
    # 設定每秒60幀(FPS)
    clock.tick(60)

執行結果：

第二步：OOP起步

接著開始以OOP製作各種物件或角色，包括反擊板(Paddle)、球(Ball)及磚塊(Brick)類別，一律繼承pygame.sprite.Sprite，Sprite負責物件更新與移動，可確保畫面更新不會有閃爍的現象。

範例3. 創建並佈置各種物件，程式名稱為pygame_2.py，。

common.py定義各種常數。

# 設定各種顏色的RGB
BLACK = (0,0,0)
WHITE = (255,255,255)
DARKBLUE = (36,90,190)
LIGHTBLUE = (0,176,240)
RED = (255,0,0)
ORANGE = (255,100,0)
YELLOW = (255,255,0)

SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT = 800, 600

反擊板(Paddle)類別：原本使用dataclass開發，出現【unhashable type: 'Paddle'】錯誤，應該是Pygame套件還未跟上Python腳步。Paddle只能向左/右移動，故設計兩個方法對應鍵盤左/右鍵，程式名稱為paddle_class.py。

import pygame
from common import *

# 反擊板(Paddle)類別 
class Paddle(pygame.sprite.Sprite):
    def __init__(self, color, width, height): # 顏色、寬度、高度
        # 呼叫父類別的方法
        super().__init__()
        
        # 設定反擊板顏色
        self.image = pygame.Surface([width, height])
        self.image.fill(BLACK)
        self.image.set_colorkey(BLACK) # 遇到黑色表透明(transparent)
 
        # 繪製反擊板(Paddle)
        pygame.draw.rect(self.image, color, [0, 0, width, height])
        
        # 儲存Paddle物件至self.rect
        self.rect = self.image.get_rect()
    
    # 向左移動
    def moveLeft(self, pixels):
        self.rect.x -= pixels
        if self.rect.x < 0:
          self.rect.x = 0
          
    # 向右移動
    def moveRight(self, pixels):
        self.rect.x += pixels
        if self.rect.x >= SCREEN_WIDTH-self.rect.width:
          self.rect.x = SCREEN_WIDTH-self.rect.width-1

球(Ball)類別：與Paddle大同小異，會按velocity變數移動，設計update方法計算球的最新位置，另外，還要計算碰壁後的反彈速度，程式名稱為ball_class.py。

import pygame
from random import randint
from common import *

class Ball(pygame.sprite.Sprite):
    def __init__(self, color, width, height):
        # 呼叫父類別的方法
        super().__init__()
        
        # 設定球顏色
        self.image = pygame.Surface([width, height])
        self.image.fill(BLACK)
        self.image.set_colorkey(BLACK)
 
        # 繪製球
        pygame.draw.rect(self.image, color, [0, 0, width, height])
        
        self.velocity = [randint(4,8),randint(-8,8)] # 隨機移動x、y軸距離
        
        # 儲存Ball物件至self.rect
        self.rect = self.image.get_rect()
        
    # 每一幀更新球的位置
    def update(self):
        self.rect.x += self.velocity[0]
        self.rect.y += self.velocity[1]
          
    # 設定球反彈的速度
    def bounce(self):
        self.velocity[0] = -self.velocity[0]
        self.velocity[1] = randint(-8,8)

磚塊(Brick)類別：與Paddle的處理大同小異，因位置固定，不需方法，程式名稱為brick_class.py。

import pygame
from common import *

class Brick(pygame.sprite.Sprite):
    def __init__(self, color, width, height):
        # 呼叫父類別的方法
        super().__init__()

        # 設定磚塊(Brick)顏色
        self.image = pygame.Surface([width, height])
        self.image.fill(BLACK)
        self.image.set_colorkey(BLACK)

        # 繪製磚塊(Brick)
        pygame.draw.rect(self.image, color, [0, 0, width, height])

        # 儲存Brick物件至self.rect
        self.rect = self.image.get_rect()

主程式：程式名稱為pygame_2.py，分為幾個步驟。

創建動畫(sprite)群組，將反擊板(Paddle)、球(Ball)物件加入群組，以利Pygame一次更新，提高更新效率。磚塊(Brick)不加入群組，因為他們固定不動。

# 創建動畫(sprite)群組
all_sprites_list = pygame.sprite.Group()

# 創建 Paddle 物件
paddle = Paddle(LIGHTBLUE, 100, 10)
paddle.rect.x = 350
paddle.rect.y = 560

# 創建 Ball 物件
ball = Ball(WHITE,10,10)
ball.rect.x = 345
ball.rect.y = 195

# 創建三排 Brick 物件
all_bricks = pygame.sprite.Group()
for i in range(7):
    brick = Brick(RED,80,30)
    brick.rect.x = 60 + i* 100
    brick.rect.y = 60
    all_sprites_list.add(brick)
    all_bricks.add(brick)
for i in range(7):
    brick = Brick(ORANGE,80,30)
    brick.rect.x = 60 + i* 100
    brick.rect.y = 100
    all_sprites_list.add(brick)
    all_bricks.add(brick)
for i in range(7):
    brick = Brick(YELLOW,80,30)
    brick.rect.x = 60 + i* 100
    brick.rect.y = 140
    all_sprites_list.add(brick)
    all_bricks.add(brick)

# 將物件加入動畫(sprite)群組
all_sprites_list.add(paddle)
all_sprites_list.add(ball)

更新動畫元件

    # 監聽鍵盤及滑鼠事件，移動反擊板(Paddle)、球(Ball)位置
    ...
    all_sprites_list.update()
    ...
    # 更新畫面
    all_sprites_list.draw(screen)
    pygame.display.flip()

完整程式請參閱pygame_2.py。

測試：可使用左右鍵移動反擊板。

python pygame_2.py

執行結果：

第三步：成品

接著再加上碰撞偵測，包括球與磚塊/反擊板碰撞及撞牆的偵測，即可完成作品。
範例4. 最終成果，程式名稱為pygame_3.py，。

增加的程式碼請參見第83~130行，實作碰撞偵測，Pygame提供collide_mask、spritecollide函數偵測碰撞。
測試：

python pygame_3.py

執行結果：

結語

【打磚塊】遊戲使用OOP實作反擊板(Paddle)、球(Ball)及磚塊(Brick)類別，再由主程式組合起來，就可以很簡單的寫出一個完整的遊戲，開發應用系統也是如此，透過類似積木組合的方式，元件模組化，系統就會具有彈性，例如我們要增加球的個數或改變顏色，只要多創建一個物件或改變創建的顏色屬性即可。

本系列的程式碼會統一放在GitHub，本篇的程式放在src/12資料夾，歡迎讀者下載測試，如有錯誤或疏漏，請不吝指正。