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用python 和pyqt5寫俄羅斯方塊遊戲

# 俄羅斯方塊遊戲

效果展示


本章我們要製作一個俄羅斯方塊遊戲。


## Tetris


> 譯註:稱呼:方塊是由四個小方格組成的


俄羅斯方塊遊戲是世界上最流行的遊戲之一。是由一名叫Alexey Pajitnov的俄羅斯程式設計師在1985年製作的,從那時起,這個遊戲就風靡了各個遊戲平臺。


俄羅斯方塊歸類為下落塊迷宮遊戲。遊戲有7個基本形狀:S、Z、T、L、反向L、直線、方塊,每個形狀都由4個方塊組成,方塊最終都會落到螢幕底部。所以玩家通過控制形狀的左右位置和旋轉,讓每個形狀都以合適的位置落下,如果有一行全部被方塊填充,這行就會消失,並且得分。遊戲結束的條件是有形狀接觸到了螢幕頂部。




PyQt5是專門為建立圖形介面產生的,裡面一些專門為製作遊戲而開發的元件,所以PyQt5是能製作小遊戲的。


製作電腦遊戲也是提高自己程式設計能力的一種很好的方式。


## 開發


沒有圖片,所以就自己用繪畫畫出來幾個圖形。每個遊戲裡都有數學模型的,這個也是。


開工之前:


- 用`QtCore.QBasicTimer()`建立一個遊戲迴圈
- 模型是一直下落的
- 模型的運動是以小塊為基礎單位的,不是按畫素
- 從數學意義上來說,模型就是就是一串數字而已


程式碼由四個類組成:Tetris, Board, Tetrominoe和Shape。Tetris類建立遊戲,Board是遊戲主要邏輯。Tetrominoe包含了所有的磚塊,Shape是所有磚塊的程式碼。


```python
#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-


"""
ZetCode PyQt5 tutorial 


This is a Tetris game clone.


Author: Jan Bodnar
Website: zetcode.com 
Last edited: August 2017
"""


from PyQt5.QtWidgets import QMainWindow, QFrame, QDesktopWidget, QApplication
from PyQt5.QtCore import Qt, QBasicTimer, pyqtSignal
from PyQt5.QtGui import QPainter, QColor 
import sys, random


class Tetris(QMainWindow):
    
    def __init__(self):
        super().__init__()
        
        self.initUI()
        
        
    def initUI(self):    
        '''initiates application UI'''


        self.tboard = Board(self)
        self.setCentralWidget(self.tboard)


        self.statusbar = self.statusBar()        
        self.tboard.msg2Statusbar[str].connect(self.statusbar.showMessage)
        
        self.tboard.start()
        
        self.resize(180, 380)
        self.center()
        self.setWindowTitle('Tetris')        
        self.show()
        


    def center(self):
        '''centers the window on the screen'''
        
        screen = QDesktopWidget().screenGeometry()
        size = self.geometry()
        self.move((screen.width()-size.width())/2, 
            (screen.height()-size.height())/2)
        


class Board(QFrame):
    
    msg2Statusbar = pyqtSignal(str)
    
    BoardWidth = 10
    BoardHeight = 22
    Speed = 300


    def __init__(self, parent):
        super().__init__(parent)
        
        self.initBoard()
        
        
    def initBoard(self):     
        '''initiates board'''


        self.timer = QBasicTimer()
        self.isWaitingAfterLine = False
        
        self.curX = 0
        self.curY = 0
        self.numLinesRemoved = 0
        self.board = []


        self.setFocusPolicy(Qt.StrongFocus)
        self.isStarted = False
        self.isPaused = False
        self.clearBoard()
        
        
    def shapeAt(self, x, y):
        '''determines shape at the board position'''
        
        return self.board[(y * Board.BoardWidth) + x]


        
    def setShapeAt(self, x, y, shape):
        '''sets a shape at the board'''
        
        self.board[(y * Board.BoardWidth) + x] = shape
        


    def squareWidth(self):
        '''returns the width of one square'''
        
        return self.contentsRect().width() // Board.BoardWidth
        


    def squareHeight(self):
        '''returns the height of one square'''
        
        return self.contentsRect().height() // Board.BoardHeight
        


    def start(self):
        '''starts game'''
        
        if self.isPaused:
            return


        self.isStarted = True
        self.isWaitingAfterLine = False
        self.numLinesRemoved = 0
        self.clearBoard()


        self.msg2Statusbar.emit(str(self.numLinesRemoved))


        self.newPiece()
        self.timer.start(Board.Speed, self)


        
    def pause(self):
        '''pauses game'''
        
        if not self.isStarted:
            return


        self.isPaused = not self.isPaused
        
        if self.isPaused:
            self.timer.stop()
            self.msg2Statusbar.emit("paused")
            
        else:
            self.timer.start(Board.Speed, self)
            self.msg2Statusbar.emit(str(self.numLinesRemoved))


        self.update()


        
    def paintEvent(self, event):
        '''paints all shapes of the game'''
        
        painter = QPainter(self)
        rect = self.contentsRect()


        boardTop = rect.bottom() - Board.BoardHeight * self.squareHeight()


        for i in range(Board.BoardHeight):
            for j in range(Board.BoardWidth):
                shape = self.shapeAt(j, Board.BoardHeight - i - 1)
                
                if shape != Tetrominoe.NoShape:
                    self.drawSquare(painter,
                        rect.left() + j * self.squareWidth(),
                        boardTop + i * self.squareHeight(), shape)


        if self.curPiece.shape() != Tetrominoe.NoShape:
            
            for i in range(4):
                
                x = self.curX + self.curPiece.x(i)
                y = self.curY - self.curPiece.y(i)
                self.drawSquare(painter, rect.left() + x * self.squareWidth(),
                    boardTop + (Board.BoardHeight - y - 1) * self.squareHeight(),
                    self.curPiece.shape())


                    
    def keyPressEvent(self, event):
        '''processes key press events'''
        
        if not self.isStarted or self.curPiece.shape() == Tetrominoe.NoShape:
            super(Board, self).keyPressEvent(event)
            return


        key = event.key()
        
        if key == Qt.Key_P:
            self.pause()
            return
            
        if self.isPaused:
            return
                
        elif key == Qt.Key_Left:
            self.tryMove(self.curPiece, self.curX - 1, self.curY)
            
        elif key == Qt.Key_Right:
            self.tryMove(self.curPiece, self.curX + 1, self.curY)
            
        elif key == Qt.Key_Down:
            self.tryMove(self.curPiece.rotateRight(), self.curX, self.curY)
            
        elif key == Qt.Key_Up:
            self.tryMove(self.curPiece.rotateLeft(), self.curX, self.curY)
            
        elif key == Qt.Key_Space:
            self.dropDown()
            
        elif key == Qt.Key_D:
            self.oneLineDown()
            
        else:
            super(Board, self).keyPressEvent(event)
                


    def timerEvent(self, event):
        '''handles timer event'''
        
        if event.timerId() == self.timer.timerId():
            
            if self.isWaitingAfterLine:
                self.isWaitingAfterLine = False
                self.newPiece()
            else:
                self.oneLineDown()
                
        else:
            super(Board, self).timerEvent(event)


            
    def clearBoard(self):
        '''clears shapes from the board'''
        
        for i in range(Board.BoardHeight * Board.BoardWidth):
            self.board.append(Tetrominoe.NoShape)


        
    def dropDown(self):
        '''drops down a shape'''
        
        newY = self.curY
        
        while newY > 0:
            
            if not self.tryMove(self.curPiece, self.curX, newY - 1):
                break
                
            newY -= 1


        self.pieceDropped()
        


    def oneLineDown(self):
        '''goes one line down with a shape'''
        
        if not self.tryMove(self.curPiece, self.curX, self.curY - 1):
            self.pieceDropped()
            


    def pieceDropped(self):
        '''after dropping shape, remove full lines and create new shape'''
        
        for i in range(4):
            
            x = self.curX + self.curPiece.x(i)
            y = self.curY - self.curPiece.y(i)
            self.setShapeAt(x, y, self.curPiece.shape())


        self.removeFullLines()


        if not self.isWaitingAfterLine:
            self.newPiece()
            


    def removeFullLines(self):
        '''removes all full lines from the board'''
        
        numFullLines = 0
        rowsToRemove = []


        for i in range(Board.BoardHeight):
            
            n = 0
            for j in range(Board.BoardWidth):
                if not self.shapeAt(j, i) == Tetrominoe.NoShape:
                    n = n + 1


            if n == 10:
                rowsToRemove.append(i)


        rowsToRemove.reverse()
        


        for m in rowsToRemove:
            
            for k in range(m, Board.BoardHeight):
                for l in range(Board.BoardWidth):
                        self.setShapeAt(l, k, self.shapeAt(l, k + 1))


        numFullLines = numFullLines + len(rowsToRemove)


        if numFullLines > 0:
            
            self.numLinesRemoved = self.numLinesRemoved + numFullLines
            self.msg2Statusbar.emit(str(self.numLinesRemoved))
                
            self.isWaitingAfterLine = True
            self.curPiece.setShape(Tetrominoe.NoShape)
            self.update()
            


    def newPiece(self):
        '''creates a new shape'''
        
        self.curPiece = Shape()
        self.curPiece.setRandomShape()
        self.curX = Board.BoardWidth // 2 + 1
        self.curY = Board.BoardHeight - 1 + self.curPiece.minY()
        
        if not self.tryMove(self.curPiece, self.curX, self.curY):
            
            self.curPiece.setShape(Tetrominoe.NoShape)
            self.timer.stop()
            self.isStarted = False
            self.msg2Statusbar.emit("Game over")






    def tryMove(self, newPiece, newX, newY):
        '''tries to move a shape'''
        
        for i in range(4):
            
            x = newX + newPiece.x(i)
            y = newY - newPiece.y(i)
            
            if x < 0 or x >= Board.BoardWidth or y < 0 or y >= Board.BoardHeight:
                return False
                
            if self.shapeAt(x, y) != Tetrominoe.NoShape:
                return False


        self.curPiece = newPiece
        self.curX = newX
        self.curY = newY
        self.update()
        
        return True
        


    def drawSquare(self, painter, x, y, shape):
        '''draws a square of a shape'''        
        
        colorTable = [0x000000, 0xCC6666, 0x66CC66, 0x6666CC,
                      0xCCCC66, 0xCC66CC, 0x66CCCC, 0xDAAA00]


        color = QColor(colorTable[shape])
        painter.fillRect(x + 1, y + 1, self.squareWidth() - 2, 
            self.squareHeight() - 2, color)


        painter.setPen(color.lighter())
        painter.drawLine(x, y + self.squareHeight() - 1, x, y)
        painter.drawLine(x, y, x + self.squareWidth() - 1, y)


        painter.setPen(color.darker())
        painter.drawLine(x + 1, y + self.squareHeight() - 1,
            x + self.squareWidth() - 1, y + self.squareHeight() - 1)
        painter.drawLine(x + self.squareWidth() - 1, 
            y + self.squareHeight() - 1, x + self.squareWidth() - 1, y + 1)




class Tetrominoe(object):
    
    NoShape = 0
    ZShape = 1
    SShape = 2
    LineShape = 3
    TShape = 4
    SquareShape = 5
    LShape = 6
    MirroredLShape = 7




class Shape(object):
    
    coordsTable = (
        ((0, 0),     (0, 0),     (0, 0),     (0, 0)),
        ((0, -1),    (0, 0),     (-1, 0),    (-1, 1)),
        ((0, -1),    (0, 0),     (1, 0),     (1, 1)),
        ((0, -1),    (0, 0),     (0, 1),     (0, 2)),
        ((-1, 0),    (0, 0),     (1, 0),     (0, 1)),
        ((0, 0),     (1, 0),     (0, 1),     (1, 1)),
        ((-1, -1),   (0, -1),    (0, 0),     (0, 1)),
        ((1, -1),    (0, -1),    (0, 0),     (0, 1))
    )


    def __init__(self):
        
        self.coords = [[0,0] for i in range(4)]
        self.pieceShape = Tetrominoe.NoShape


        self.setShape(Tetrominoe.NoShape)
        


    def shape(self):
        '''returns shape'''
        
        return self.pieceShape
        


    def setShape(self, shape):
        '''sets a shape'''
        
        table = Shape.coordsTable[shape]
        
        for i in range(4):
            for j in range(2):
                self.coords[i][j] = table[i][j]


        self.pieceShape = shape
        


    def setRandomShape(self):
        '''chooses a random shape'''
        
        self.setShape(random.randint(1, 7))


        
    def x(self, index):
        '''returns x coordinate'''
        
        return self.coords[index][0]


        
    def y(self, index):
        '''returns y coordinate'''
        
        return self.coords[index][1]


        
    def setX(self, index, x):
        '''sets x coordinate'''
        
        self.coords[index][0] = x


        
    def setY(self, index, y):
        '''sets y coordinate'''
        
        self.coords[index][1] = y


        
    def minX(self):
        '''returns min x value'''
        
        m = self.coords[0][0]
        for i in range(4):
            m = min(m, self.coords[i][0])


        return m


        
    def maxX(self):
        '''returns max x value'''
        
        m = self.coords[0][0]
        for i in range(4):
            m = max(m, self.coords[i][0])


        return m


        
    def minY(self):
        '''returns min y value'''
        
        m = self.coords[0][1]
        for i in range(4):
            m = min(m, self.coords[i][1])


        return m


        
    def maxY(self):
        '''returns max y value'''
        
        m = self.coords[0][1]
        for i in range(4):
            m = max(m, self.coords[i][1])


        return m


        
    def rotateLeft(self):
        '''rotates shape to the left'''
        
        if self.pieceShape == Tetrominoe.SquareShape:
            return self


        result = Shape()
        result.pieceShape = self.pieceShape
        
        for i in range(4):
            
            result.setX(i, self.y(i))
            result.setY(i, -self.x(i))


        return result


        
    def rotateRight(self):
        '''rotates shape to the right'''
        
        if self.pieceShape == Tetrominoe.SquareShape:
            return self


        result = Shape()
        result.pieceShape = self.pieceShape
        
        for i in range(4):
            
            result.setX(i, -self.y(i))
            result.setY(i, self.x(i))


        return result




if __name__ == '__main__':
    
    app = QApplication([])
    tetris = Tetris()    
    sys.exit(app.exec_())
```
遊戲很簡單,所以也就很好理解。程式載入之後遊戲也就直接開始了,可以用P鍵暫停遊戲,空格鍵讓方塊直接落到最下面。遊戲的速度是固定的,並沒有實現加速的功能。分數就是遊戲中消除的行數。


```
self.tboard = Board(self)
self.setCentralWidget(self.tboard)
```
建立了一個Board類的例項,並設定為應用的中心元件。


```
self.statusbar = self.statusBar()        
self.tboard.msg2Statusbar[str].connect(self.statusbar.showMessage)
```
建立一個`statusbar`來顯示三種資訊:消除的行數,遊戲暫停狀態或者遊戲結束狀態。`msg2Statusbar`是一個自定義的訊號,用在(和)Board類(互動),`showMessage()`方法是一個內建的,用來在statusbar上顯示資訊的方法。


```
self.tboard.start()
```
初始化遊戲:


```
class Board(QFrame):
    
    msg2Statusbar = pyqtSignal(str)
...    
```
建立了一個自定義訊號`msg2Statusbar`,當我們想往`statusbar`裡顯示資訊的時候,發出這個訊號就行了。


```
BoardWidth = 10
BoardHeight = 22
Speed = 300
```
這些是`Board`類的變數。`BoardWidth`和`BoardHeight`分別是board的寬度和高度。`Speed`是遊戲的速度,每300ms出現一個新的方塊。


```
...
self.curX = 0
self.curY = 0
self.numLinesRemoved = 0
self.board = []
...
```
在`initBoard()`裡初始化了一些重要的變數。`self.board`定義了方塊的形狀和位置,取值範圍是0-7。


```
def shapeAt(self, x, y):
    return self.board[(y * Board.BoardWidth) + x]
```
`shapeAt()`決定了board裡方塊的的種類。


```
def squareWidth(self):
    return self.contentsRect().width() // Board.BoardWidth
```
board的大小可以動態的改變。所以方格的大小也應該隨之變化。`squareWidth()`計算並返回每個塊應該佔用多少畫素--也即`Board.BoardWidth`。


```
def pause(self):
    '''pauses game'''


    if not self.isStarted:
        return


    self.isPaused = not self.isPaused


    if self.isPaused:
        self.timer.stop()
        self.msg2Statusbar.emit("paused")


    else:
        self.timer.start(Board.Speed, self)
        self.msg2Statusbar.emit(str(self.numLinesRemoved))


    self.update()
```
`pause()`方法用來暫停遊戲,停止計時並在`statusbar`上顯示一條資訊。


```
def paintEvent(self, event):
    '''paints all shapes of the game'''


    painter = QPainter(self)
    rect = self.contentsRect()
...
```
渲染是在paintEvent()方法裡發生的`QPainter`負責PyQt5裡所有低階繪畫操作。


```
for i in range(Board.BoardHeight):
    for j in range(Board.BoardWidth):
        shape = self.shapeAt(j, Board.BoardHeight - i - 1)
        
        if shape != Tetrominoe.NoShape:
            self.drawSquare(painter,
                rect.left() + j * self.squareWidth(),
                boardTop + i * self.squareHeight(), shape)
```
渲染遊戲分為兩步。第一步是先畫出所有已經落在最下面的的圖,這些儲存在`self.board`裡。可以使用`shapeAt()`檢視這個這個變數。


```
if self.curPiece.shape() != Tetrominoe.NoShape:
    
    for i in range(4):
        
        x = self.curX + self.curPiece.x(i)
        y = self.curY - self.curPiece.y(i)
        self.drawSquare(painter, rect.left() + x * self.squareWidth(),
            boardTop + (Board.BoardHeight - y - 1) * self.squareHeight(),
            self.curPiece.shape())
```
第二步是畫出更在下落的方塊。


```
elif key == Qt.Key_Right:
    self.tryMove(self.curPiece, self.curX + 1, self.curY)
```
在`keyPressEvent()`方法獲得使用者按下的按鍵。如果按下的是右方向鍵,就嘗試把方塊向右移動,說嘗試是因為有可能到邊界不能移動了。


```
elif key == Qt.Key_Up:
    self.tryMove(self.curPiece.rotateLeft(), self.curX, self.curY)
```
上方向鍵是把方塊向左旋轉一下


```
elif key == Qt.Key_Space:
    self.dropDown()
```
空格鍵會直接把方塊放到底部


```
elif key == Qt.Key_D:
    self.oneLineDown()
```
D鍵是加速一次下落速度。


```
def tryMove(self, newPiece, newX, newY):
    
    for i in range(4):
        
        x = newX + newPiece.x(i)
        y = newY - newPiece.y(i)
        
        if x < 0 or x >= Board.BoardWidth or y < 0 or y >= Board.BoardHeight:
            return False
            
        if self.shapeAt(x, y) != Tetrominoe.NoShape:
            return False


    self.curPiece = newPiece
    self.curX = newX
    self.curY = newY
    self.update()
    return True
```
`tryMove()`是嘗試移動方塊的方法。如果方塊已經到達board的邊緣或者遇到了其他方塊,就返回False。否則就把方塊下落到想要


```
def timerEvent(self, event):
    
    if event.timerId() == self.timer.timerId():
        
        if self.isWaitingAfterLine:
            self.isWaitingAfterLine = False
            self.newPiece()
        else:
            self.oneLineDown()
            
    else:
        super(Board, self).timerEvent(event)
```
在計時器事件裡,要麼是等一個方塊下落完之後建立一個新的方塊,要麼是讓一個方塊直接落到底(move a falling piece one line down)。


```
def clearBoard(self):
    
    for i in range(Board.BoardHeight * Board.BoardWidth):
        self.board.append(Tetrominoe.NoShape)
```
`clearBoard(`)方法通過`Tetrominoe.NoShape`清空`broad`。


```
def removeFullLines(self):
    
    numFullLines = 0
    rowsToRemove = []


    for i in range(Board.BoardHeight):
        
        n = 0
        for j in range(Board.BoardWidth):
            if not self.shapeAt(j, i) == Tetrominoe.NoShape:
                n = n + 1


        if n == 10:
            rowsToRemove.append(i)


    rowsToRemove.reverse()
    


    for m in rowsToRemove:
        
        for k in range(m, Board.BoardHeight):
            for l in range(Board.BoardWidth):
                    self.setShapeAt(l, k, self.shapeAt(l, k + 1))


    numFullLines = numFullLines + len(rowsToRemove)
 ...
```
如果方塊碰到了底部,就呼叫`removeFullLines()`方法,找到所有能消除的行消除它們。消除的具體動作就是把符合條件的行消除掉之後,再把它上面的行下降一行。注意移除滿行的動作是倒著來的,因為我們是按照重力來表現遊戲的,如果不這樣就有可能出現有些方塊浮在空中的現象。


```
def newPiece(self):
    
    self.curPiece = Shape()
    self.curPiece.setRandomShape()
    self.curX = Board.BoardWidth // 2 + 1
    self.curY = Board.BoardHeight - 1 + self.curPiece.minY()
    
    if not self.tryMove(self.curPiece, self.curX, self.curY):
        
        self.curPiece.setShape(Tetrominoe.NoShape)
        self.timer.stop()
        self.isStarted = False
        self.msg2Statusbar.emit("Game over")
```
`newPiece()`方法是用來建立形狀隨機的方塊。如果隨機的方塊不能正確的出現在預設的位置,遊戲結束。


```
class Tetrominoe(object):
    
    NoShape = 0
    ZShape = 1
    SShape = 2
    LineShape = 3
    TShape = 4
    SquareShape = 5
    LShape = 6
    MirroredLShape = 7
```
`Tetrominoe`類儲存了所有方塊的形狀。我們還定義了一個`NoShape`的空形狀。


Shape類儲存類方塊內部的資訊。


```
class Shape(object):
    
    coordsTable = (
        ((0, 0),     (0, 0),     (0, 0),     (0, 0)),
        ((0, -1),    (0, 0),     (-1, 0),    (-1, 1)),
        ...
    )
...    
```
coordsTable元組儲存了所有的方塊形狀的組成。是一個構成方塊的座標模版。


```
self.coords = [[0,0] for i in range(4)]
```
上面建立了一個新的空座標陣列,這個陣列將用來儲存方塊的座標。


座標系示意圖:


![coordinates](./images/11-coordinates.png)


上面的圖片可以幫助我們更好的理解座標值的意義。比如元組`(0, -1), (0, 0), (-1, 0), (-1, -1)`代表了一個Z形狀的方塊。這個圖表就描繪了這個形狀。
```
def rotateLeft(self):
    
    if self.pieceShape == Tetrominoe.SquareShape:
        return self


    result = Shape()
    result.pieceShape = self.pieceShape
    
    for i in range(4):
        
        result.setX(i, self.y(i))
        result.setY(i, -self.x(i))


    return result
```
`rotateLeft()`方法向右旋轉一個方塊。正方形的方塊就沒必要旋轉,就直接返回了。其他的是返回一個新的,能表示這個形狀旋轉了的座標。