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Python製作AI貪吃蛇

  前提:本文實現AI貪吃蛇自行對戰,加上人機對戰,文章末尾附上原始碼以及各位大佬的連結,還有一些實現步驟,讀者可再次基礎上自行新增電腦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)

  大佬Coco2d製作:http://www.waitingfy.com/html5/snake/

  實現效果:

               

  具體功能:

      1.智慧模式: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: 參考連結 (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+參考連結:

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

          網上基本都是這篇部落格的轉載(本人和通過Wechat和該大佬取得了聯絡[此人超級厲害])

          https://blog.csdn.net/fox64194167/article/details/19965069 (這個就更厲害了,Coco2d製作:分為人機對戰,AI模式,AI打AI,人人對戰)

        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元,在windows環境下會導致畫素延遲,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。(具體見程式碼分析)

  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複插入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,類似連結串列),按鍵檢查就是隻能按方向鍵
 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)      #能見度游標,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,返回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('!!!遊戲結束!!!')
 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], '@')   #再次新增食物,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.程式碼剖析:

         [紅色為程式碼所需函式]

        (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any_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下面(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.初始化介面
 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結束貪吃蛇遊戲)        **********************')
 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 # 廣度優先搜尋遍歷整個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程式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,則返回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 # 讓蛇頭朝著蛇尾執行一步
179 # 不管蛇身阻擋,朝蛇尾方向執行
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)  # 返回執行方向(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)  # 虛擬執行後,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     # 虛擬地執行一次,因為已經確保蛇與食物間有路徑,所以執行有效
283     # 執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():  # 如果虛擬執行後,蛇頭蛇尾間有通路,則選最短路執行(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,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返回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,執行一步
312         if best_move != ERR:
313             make_move(best_move)
314         else:
315             break
316 
317     curses.endwin()
318     print("\n 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。其餘就靠分析程式碼自行研究了。

        最終原始碼: https://pan.baidu.com/s/1TaPIja8FVpyFZRbvjuvEvA 提取碼: ff6f