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Python製作AI貪吃蛇,很多很多細節、思路都寫下來了!

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前提:本文實現AI貪吃蛇自行對戰,加上人機對戰,讀者可再次基礎上自行添加電腦VS電腦和玩家VS玩家(其實把人機對戰寫完,這2個都沒什麼了,思路都一樣)

實現效果:

具體功能:

1.智慧樣式:電腦自己玩(自己吃食物)

2.人機對戰:電腦和人操作(在上步的基礎上加一個鍵盤控制的貪吃蛇即可)

實現環境:

Pycharm + Python3.6 + Curses + Win10

具體過程:

一:配置環境:

Curses: 參考鏈接 (Cp後面代表本地Python環境,別下錯了)

Stackoverflow 真的是個非常好的地方)

二:

1.靈感來源+參考鏈接:

http://www.hawstein.com/posts/snake-ai.html (Chrome有時候打不開,Firefox可以打開)

2.演算法思路:

A*演算法: https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/6048969.html (本人之前接觸過,當時講課老師說是自動尋路演算法,我感覺和BFS+DFS一樣,結果沒想到居然是A*演算法)

BFS+DFS(略)

第一步是能製作一個 基本的貪吃蛇 ,熟悉Curses的相關環境(最好別對蛇和食物使用特殊字符,在windows環境下會導致像素延遲,非常醜)

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

具體思路:

熟悉Curses中相關指令後基本就沒什麼了, 保證按的下一個鍵不導致蛇死亡,保證蛇吃食物後食物不在蛇身上,保證蛇碰到自己和邊框就死亡,如果按其他鍵,會導致頭被插入2次,從而讓蛇死亡。(具體見代碼分析)

 1 #!/usr/bin/env python 
2 # -*- coding: utf-8 -*-
3 # @Time : 2018/11/5 17:08
4 # @Author : Empirefree
5 # @File : 貪吃蛇-01.py
6 # @Software: PyCharm Community Edition
7
8 #curses官方手冊:https://docs.python.org/3.5/library/curses.html#module-curses
9 #curses參考手冊:https://blog.csdn.net/chenxiaohua/article/details/2099304
10
11 # 基本思路:while迴圈,讓蛇一直右走(直到按鍵,如果按了其他鍵就會導致蛇頭被重覆插入1次到snake中,
12 # 繼而第二次迴圈就會退出),蛇是每次自動增長,但是每次沒吃到食物就會pop尾部(snake放在dict中,類似鏈表),按鍵檢查就是只能按方向鍵
13 # 按方向鍵也存在判別是否出錯(按了up後又按down),然後對於死亡情況就是碰到周圍和自己
14
15 # 1.蛇的移動和吃食物後的變化
16 # 2.按鍵:按其他鍵和方向鍵
17 # 3.死亡判斷
18
19 import curses
20 import random
21
22 # 開啟curses
23 def Init_Curse():
24 global s
25 s = curses.initscr()
26 curses.curs_set(0) #能見度光標,寫錯了哇
27 curses.noecho()
28 curses.cbreak() #立即得到響應
29 s.keypad(True) #特殊處理鍵位,傳回KEY_LEFT
30
31 #關閉並回到終端
32 def Exit_Curse():
33 curses.echo()
34 curses.nocbreak()
35 s.keypad(False)
36 curses.endwin()
37
38 def Start_Game():
39 # 視窗化操作
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,並用dict儲存
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@顯示食物字元
53
54 key = curses.KEY_RIGHT # 得到右方向鍵
55
56 # 開始,為什麼我感覺True比1看的爽一些
57 while True:
58 next_key = w.getch() # 等待輸入,傳回整數
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, 當蛇頭碰到蛇身或牆壁
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]) 按下其他鍵就會導致,new_head被插入2次,從而退出
71 curses.endwin()
72 print('!!!游戲結束!!!')
73 quit()
74
75 #按鍵移動
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) #保留蛇頭,根據按鍵更新蛇頭
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,保證食物不在蛇上
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()
基本貪吃蛇

3.代碼剖析:

[紅色為代碼所需函式]

(蛇每走一步,就更新snake距離food的board距離,涉及 board_rest (更新每個非snake元素距離food的距離)和 board_refresh (本文這裡採用BFS演算法)),尋找到best_move,然後讓蛇移動即可

如果吃的到食物( find_safe_way ):—-> 放出虛擬蛇( virtual_shortest_move )(防止蛇吃完食物就被自己繞死)

如果虛擬蛇吃完食物還可以找到 蛇尾(出的去)( is_tail_inside )

直接吃食物( choose_shortest_safe_move )

反之,出不去:

就跟著尾巴走( follow_tail )就好比一直上下繞,就絕對不會死,但是蛇就完全沒有靈性

如果吃不到食物

跟著尾巴(走最遠的路(

choose_longest_safe_move

)),四個方向走(如果是A*演算法需要將8個方向改成4個方向)

如果上訴方法都不行,就涉及到a ny_possible_move ,挑選距離最小的走(這裡就會涉及到將自己吃死,有待改進)

(通過以上方法,就可以製造一個基本AI貪吃蛇了,當然,還有很多細節方面東西需要考慮)

報錯:

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

_curses.error: curses function returned NULL

原因: Pycharm下麵(或者cmd、exe太小,需要拉大點)

	 1 #!/usr/bin/env python
2 # -*- coding: utf-8 -*-
3 # @Time : 2018/11/16 14:26
4 # @Author : Empirefree
5 # @File : 貪吃蛇-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 # 必須要弄成全域性哇,不然需要用到的資料太多了
13 # 1.初始化界面
14 # 2.更新地圖,判斷是否可以吃到食物
15 # 3.如果可以吃到,放出虛擬蛇(這裡又設計到地圖更新(board_reset),記錄距離(board_refresh)操作)
16 # 3.1虛擬蛇若吃食物距離蛇尾有路徑(直接吃),否則,追蛇尾
17 # 3.2若吃不到,則追蛇尾
18 # 4.更新best_move,改變距離
19 ###########################################################################################
20 #作者:
21 print('**************************************************************************')
22 print('*****************!!! 歡迎使用AI貪吃蛇 !!!*************************')
23 print('*****************作者:胡宇喬 *********************')
24 print('*****************工具: Pycharm *********************')
25 print('*****************時間: 2018/11/16 14:26 ********************')
26 print('***************** (按Esc結束貪吃蛇游戲) **********************')
27 print('**************************************************************************')
28 # 場地
29 HEIGHT, WIDTH = map(int, input('請輸入長度長寬[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 # 四個方向的移動
39 LEFT = -1
40 RIGHT = 1
41 UP = -WIDTH
42 DOWN = WIDTH
43
44 # 錯誤碼
45 ERR = -1111
46
47 # 用一維陣列來表示二維的東西
48 # board表示蛇運動的矩形場地
49 # 初始化蛇頭在(1,1)的地方,第0行,HEIGHT行,第0列,WIDTH列為圍牆,不可用
50 # 初始蛇長度為1
51 board = [0] * FIELD_SIZE
52 snake = [0] * (FIELD_SIZE + 1)
53 snake[HEAD] = 1 * WIDTH + 1
54 snake_size = 1
55 # tmpsnake即虛擬蛇
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: 運動方向
63 food = 3 * WIDTH + 3
64 best_move = ERR
65
66 # 運動方向陣列
67 mov = [LEFT, RIGHT, UP, DOWN]
68 # 接收到的鍵 和 分數
69 key = KEY_RIGHT
70 score = 1 # 分數也表示蛇長
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 #判斷是否為空(可走)
84 def is_cell_free(idx, psize, psnake):
85 return not (idx in psnake[:psize])
86
87
88 # 檢查某個位置idx是否可向move方向運動
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 # 計算出board中每個非SNAKE元素到達食物的路徑長度,並判斷是否可以找到食物
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): # 該位置為空
108 pboard[i] = UNDEFINED
109 else: # 該位置為蛇身
110 pboard[i] = SNAKE
111
112
113 # 廣度優先搜索遍歷整個board,
114 # 計算出board中每個非SNAKE元素到達食物的路徑長度
115 def board_refresh(pfood, psnake, pboard):
116 queue = []
117 queue.append(pfood)
118 inqueue = [0] * FIELD_SIZE
119 found = False
120 # while迴圈結束後,除了蛇的身體,
121 # 其它每個方格中的數字代碼從它到食物的路徑長度
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: # 如果該點不是蛇的身體
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 #蛇頭開始,根據蛇的4個領域選擇最遠路徑(安全一點)
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 # 從蛇頭開始,根據board中元素值,
152 # 從蛇頭周圍4個領域點中選擇最遠路徑
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 # 檢查是否可以追著蛇尾運動,即蛇頭和蛇尾間是有路徑的
164 # 為的是避免蛇頭陷入死路
165 # 虛擬操作,在tmpboard,tmpsnake中進行
166 def is_tail_inside():
167 global tmpboard, tmpsnake, food, tmpsnake_size
168 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = 0 # 虛擬地將蛇尾變為食物(因為是虛擬的,所以在tmpsnake,tmpboard中進行)
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) # 求得每個位置到蛇尾的路徑長度
171 for i in range(4): # 如果蛇頭和蛇尾緊挨著,則傳回False。即不能follow_tail,追著蛇尾運動了
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 # 讓蛇頭朝著蛇尾運行一步
179 # 不管蛇身阻擋,朝蛇尾方向運行
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) # 重置虛擬board
185 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = FOOD # 讓蛇尾成為食物
186 tmpboard[food] = SNAKE # 讓食物的地方變成蛇身
187 board_refresh(tmpsnake[tmpsnake_size - 1], tmpsnake, tmpboard) # 求得各個位置到達蛇尾的路徑長度
188 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size - 1]] = SNAKE # 還原蛇尾
189
190 return choose_longest_safe_move(tmpsnake, tmpboard) # 傳回運行方向(讓蛇頭運動1步)
191
192
193 # 在各種方案都不行時,隨便找一個可行的方向來走(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 #虛擬蛇蛇移動
208 def shift_array(arr, size):
209 for i in range(size, 0, -1):
210 arr[i] = arr[i - 1]
211
212 #產生新食物
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 # 真正的蛇在這個函式中,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同時保證繪圖的流暢性,沒有它只會看到最終結果
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 # 如果新加入的蛇頭就是食物的位置
240 # 蛇長加1,產生新的食物,重置board(因為原來那些路徑長度已經用不上了)
241 if snake[HEAD] == food:
242 board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇頭
243 snake_size += 1
244 score += 1
245 if snake_size < FIELD_SIZE: new_food()
246 else: # 如果新加入的蛇頭不是食物的位置
247 board[snake[HEAD]] = SNAKE # 新的蛇頭
248 board[snake[snake_size]] = UNDEFINED # 蛇尾變為空格
249 win.addch(snake[snake_size] // WIDTH, snake[snake_size] % WIDTH, ' ')
250
251
252 #虛擬蛇最短移動
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,則兩者指向同一處
257 tmpboard = board[:] # board中已經是各位置到達食物的路徑長度了,不用再計算
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 # 在蛇頭前加入一個新的位置
266 # 如果新加入的蛇頭的位置正好是食物的位置
267 # 則長度加1,重置board,食物那個位置變為蛇的一部分(SNAKE)
268 if tmpsnake[HEAD] == food:
269 tmpsnake_size += 1
270 board_reset(tmpsnake, tmpsnake_size, tmpboard) # 虛擬運行後,蛇在board的位置
271 tmpboard[food] = SNAKE
272 food_eated = True
273 else: # 如果蛇頭不是食物的位置,則新加入的位置為蛇頭,最後一個變為空格
274 tmpboard[tmpsnake[HEAD]] = SNAKE
275 tmpboard[tmpsnake[tmpsnake_size]] = UNDEFINED
276
277
278 # 如果蛇與食物間有路徑,則呼叫本函式
279 def find_safe_way():
280 global snake, board
281 safe_move = ERR
282 # 虛擬地運行一次,因為已經確保蛇與食物間有路徑,所以執行有效
283 # 運行後得到虛擬下蛇在board中的位置,即tmpboard,見label101010
284 virtual_shortest_move() # 該函式唯一呼叫處
285 if is_tail_inside(): # 如果虛擬運行後,蛇頭蛇尾間有通路,則選最短路運行(1步)
286 return choose_shortest_safe_move(snake, board)
287 safe_move = follow_tail() # 否則虛擬地follow_tail 1步,如果可以做到,傳回true
288 return safe_move
289
290 if __name__ == '__main__':
291
292 while key != 27:
293 win.border(0)
294 win.addstr(0, 2, '分數:' + str(score) + ' ')
295 win.timeout(10)
296 # 接收鍵盤輸入,同時也使顯示流暢
297 event = win.getch()
298 key = key if event == -1 else event
299 # 重置矩陣
300 board_reset(snake, snake_size, board)
301
302 # 如果蛇可以吃到食物,board_refresh傳回true
303 # 並且board中除了蛇身(=SNAKE),其它的元素值表示從該點運動到食物的最短路徑長
304 if board_refresh(food, snake, board):
305 best_move = find_safe_way() # find_safe_way的唯一呼叫處
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,只得出一個方向,運行一步
312 if best_move != ERR:
313 make_move(best_move)
314 else:
315 break
316
317 curses.endwin()
318 print(" 得分: " + str(score))
貪吃蛇-02

在以上基礎上,還需要引入第一步製造的基本貪吃蛇

細節: 1.鍵盤蛇加入後如何與蛇搶分(只需要return即可,但是 new_food()裡面是需要更改的)

	 1 # 產生新食物
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, '@')

2.一直沒說,由於蛇加入後很多變數都需要global,導致變數看起來非常麻煩(讀者要有心理準備)

3.curses裡面的win.timeout()是控制蛇的速度

好像就沒什麼了,想起來了在更。我沒加入2條蛇不能彼此碰撞(讀者也可以弄成2個地圖,然後看AI蛇和你自己的蛇如何操作跑,我是放在了一個地圖裡面)

當然還有很多很多細節,不過主要思路寫下來了。其餘就靠分析代碼自行研究了。Python製作AI貪吃蛇

 

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