R语言游戏之旅 贪食蛇入门

R的极客理想系列文章,涵盖了R的思想,使用,工具,创新等的一系列要点,以我个人的学习和体验去诠释R的强大。

R语言作为统计学一门语言,一直在小众领域闪耀着光芒。直到大数据的爆发,R语言变成了一门炙手可热的数据分析的利器。随着越来越多的工程背景的人的加入,R语言的社区在迅速扩大成长。现在已不仅仅是统计领域,教育,银行,电商,互联网….都在使用R语言。

要成为有理想的极客,我们不能停留在语法上,要掌握牢固的数学,概率,统计知识,同时还要有创新精神,把R语言发挥到各个领域。让我们一起动起来吧,开始R的极客理想。

关于作者:

  • 张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript
  • weibo:@Conan_Z
  • blog: http://blog.fens.me
  • email: bsspirit@gmail.com

转载请注明出处:
http://blog.fens.me/r-game-snake/

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前言

用R语言进行统计分析不神奇,用R语言做分类算法不神奇,用R语言做可视也不神奇,你见过用R语言做的游戏吗?

本文将带你进入R语言的游戏开发,用R语言实现贪食蛇游戏。

目录

  1. 贪食蛇游戏介绍
  2. 场景设计
  3. 程序设计
  4. R语言实现

1. 贪食蛇游戏介绍

贪食蛇是一个产生于1970年代中后期的计算机游戏。此类游戏在1990年代由于一些小屏幕设备引入而再度流行起來,在现在的手机上基本都可安装此小游戏。

在游戏中,玩家操控一条细长的直线蛇,它会不停前进,玩家只能操控蛇的头部朝向(上下左右),一路拾起触碰到之物(水果),并要避免触碰到自身或者其他障碍物。每次贪食蛇吃掉一件食物,它的身体便增长一些。吃掉一些食物后会使蛇的移動速度逐漸加快,让游戏的难度渐渐变大。游戏设置分为四面都有墙,并且不可以穿越,蛇头碰到墙或障碍物时,游戏结束。以游戏过程吃到的水果,得分。 贪食蛇游戏,在各种设备上都有实现,已经有很多种版本。

snake0

2. 场景设计

要开发这款游戏,我们应该如何动手呢?首先,我们需要从软件开发的角度,对这款游戏进行需求分析,列出游戏的规则,并设计业务流程,给出游戏的原型,验证是否可行。

2.1 需求分析

贪食蛇游戏,应该有3个场景:开机场景,游戏场景,结束场景。

  • 开机场景:运行程序,在游戏前,给用户做准备,并提示如何操作游戏。
  • 游戏场景:游戏运行中的场景。
  • 结束场景:当用户胜利、失败或退出时的场景,并提示用户在游戏中的得分。

开机场景和结束场景比较简单,不再解释。游戏场景,包括一块画布,一条蛇,一个蛇头和一个不定长的蛇尾,一个水果,边界和障碍物。

2.2 游戏规则

游戏进行时的规则:

  • 1. 开始游戏后,用户可以通过上(up)下(down)左(left)右(right)键,来操作蛇头,控制蛇的前进方向,还可以按q键直接游戏失败,其他的键盘操作无效。
  • 2. 蛇头用蓝色标识,蛇尾用灰色标识,水果用红色标识,障碍物用黑色标识。
  • 3. 当蛇头移动到水果的位置后,表示蛇吃到了水果,蛇尾的长度加1。水果会在下一次蛇头移动后,在空路径上自动生成。
  • 4. 游戏画布的外围是枪,当蛇头移动到画布看不到的位置,则表示蛇头撞到枪,游戏失败。
  • 5. 游戏画面中,有一些黑色障碍物,当蛇头碰到障碍,游戏失败。
  • 6. 当蛇头碰到蛇尾时,游戏失败。

2.3 业务流程

场景切换的流程:

  • 打开程序时,用户首先看到开机场景,按任意键后进入游戏场景。
  • 在游戏场景,当游戏失败,进入结束场景;按q键,则直接游戏失败。
  • 在结束场景,按空格回到开机场景;按q键,则直接能出软件。

snake-process

2.4 游戏原型

我们画出3个场景的界面。左边为开机场景,中间是游戏场景,右边是结束场景。

snake-stage

我们根据游戏原型的图,用程序画出游戏的场景。

3. 程序设计

通过上面的功能需求分析,我们已经非常清楚地了解贪食游戏的各种规则和功能。接下来,我们要把需求分析中的业务语言,通过技术语言重新描述,并考虑非功能需求,以及R语言相关的技术细节。

3.1 游戏场景

我们让每个场景对应于一块画布,及每个场景对应一个内存结构。

  • 开机场景,是静态的,我们可以提前生成好这块画布存储起来,也可以当用户切换时再临时生成,性能开销不大。
  • 游戏场景,是动态的,每进行一次用户的交互行为或按时间刷新时,都需要求重新绘制画布,让游戏场景通过绑定事件来生成画布。由于用户会频繁操作,因此性能开销比较大。
  • 结束场景,是动态的,在结束场景会显示当次游戏的得分,需要在切换时临时生成。

3.2 游戏对象

在游戏进行中,会产生很多的对象,如上文中提到的。这些对象都需要在内存中进行定义,匹配到对应程序语言的数据类型。

画布对象:

  • 画布:用矩阵来描述,画布中每个小方块对应到矩阵中一个数据。
  • 画布大小:画布的长和宽,分别用对应两个数字变量。
  • 画布坐标:用于画布内小格子的定位,从左到右横坐标是1到20,从底到顶纵坐标为1到20。
  • 画布索引:用于画布内小格式的定位,按从左到右,从底到顶的顺序,为1到400。
  • 方格:在画布里最小的单位是方格,按照画面的比例,设置方格的大小。

matrix

蛇对象:

  • 蛇头:用一个向量来描述,只有一个方格。游戏开始时,起点位置为坐标(2,2),默认蛇头向上移动,用户打开界面显示位置为(2,3)。
  • 蛇尾:用数据框来描述,存储不定长度的坐标向量。游戏开始时,蛇尾长度是0。

水果对象:

  • 水果:用一个向量来描述,只有一个方格。游戏开始时,随机在空格式上,选一个坐标为水果位置。

边界和障碍物:

  • 边界:无内存描述,通过计算判断。当蛇头坐标超过矩阵坐标时,触发边界。
  • 障碍物:用数据框来描述,存储不定长度的坐标向量。

3.3 游戏事件
游戏过程中,会有3种事件,键盘事件、时间事件和碰撞事件。

  • 键盘事件:全局事件,用户通过键盘输入,而触发的事件,比如,上下左右控制蛇的移动方向。
  • 时间事件:全局事件,系统计时以每0.2秒触发一个时间事件,比如,蛇头每0.2秒的移动一格。
  • 碰撞事件:当蛇头移动时,与非空和格式碰撞除法的事情,比如,吃到水果,蛇头撞到蛇尾。

通常情况,上面3种事件分别有3个线程来控制。但由于R语言本身是单线程的设计,而且不支持异步调用,因此我们无法同时实现上面的3个事件监听。取一种折中方案为,全局监听键盘事件,通过键盘事件触发碰撞事件的进行检查。

3.4 游戏控制

在游戏进行中,每个状态我们都需要进行控制的。比如,什么时候生成新的水果,什么时候增加一节尾巴,什么游戏结束等。通过定义控制函数,可以方便我们管理游戏运行中的各种游戏状态。

program

上图中每个方块代表一个R语言函数定义:

  • run():启动程序。
  • keydown():监听键盘事件,锁定线程。
  • stage0():创建开机场景,可视化输出。
  • stage1():创建游戏场景,可视化输出。
  • stage2():创建结束场景,可视化输出。
  • init():打开游戏场景时,初始化游戏变量。
  • furit():判断并生成水果坐标。
  • head():生成蛇头移动坐标。
  • fail():失败查询,判断蛇头是否撞墙或蛇尾,如果失败则跳过画图,进入结束场景。
  • body():生成蛇尾移动坐标。
  • drawTable():绘制游戏背景。
  • drawMatrix():绘制游戏矩阵。

通过程序设计过程,我们就把需求分析中的业务语言描述,变成了程序开发中的技术语言描述。经过完整的设计后,最后就剩下写代码了。

4. R语言实现

用R语言写代码,其实没有几行就可以搞定,按照上面的函数定义,我们把代码像填空一样地写进去就行了。当然,在写代码的过程中,我们需要掌握一些R语言特性,让代码更健壮。

run()函数,启动程序。


run<-function(){
  # 设置全局画布无边
  par(mai=rep(0,4),oma=rep(0,4))

  # 定义全局环境空间,用于封装变量
  e<<-new.env()

  # 启动开机场景
  stage0()
  
  # 注册键盘事件
  getGraphicsEvent(prompt="Snake Game",onKeybd=keydown)
}

上面代码中,通过定义环境空间e来存储变量,可以有效的解决变量名冲突,和变量污染的问题,关于环境空间的介绍,请参考文章:揭开R语言中环境空间的神秘面纱解密R语言函数的环境空间

keydown函数,监听键盘事件。


keydown<-function(K){
  print(paste("keydown:",K,",stage:",e$stage));
  
  if(e$stage==0){ #开机画面
    init()
    stage1()
    return(NULL)
  }  
  
  if(e$stage==2){ #结束画面
    if(K=="q") q()
    else if(K==' ') stage0()  
    return(NULL)
  } 
  
  if(e$stage==1){ #游戏中
    if(K == "q") {
      stage2()
    } else {
      if(tolower(K) %in% c("up","down","left","right")){
        e$lastd<-e$dir
        e$dir<-tolower(K)
        stage1()  
      }
    }
  }
  return(NULL)
}

代码中,参数K为键盘输入。通过对当前所在场景,与键盘输入的条件判断,来确定键盘事件的响应。在游戏中,键盘只响应5个键 "up","down","left","right","q"。

stage0():创建开机场景,可视化输出。


# 开机画图
stage0<-function(){
  e$stage<-0
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Snake Game",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Any keyboard to start",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label="Up,Down,Left,Rigth to control direction",cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

stage2():创建结束场景,可视化输出。


# 结束画图
stage2<-function(){
  e$stage<-2
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Game Over",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Space to restart, q to quit.",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label=paste("Congratulations! You have eat",nrow(e$tail),"fruits!"),cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

init():打开游戏场景时,初始化游戏变量。


# 初始化环境变量
init<-function(){
  e<<-new.env()
  e$stage<-0 #场景
  e$width<-e$height<-20  #切分格子
  e$step<-1/e$width #步长
  e$m<-matrix(rep(0,e$width*e$height),nrow=e$width)  #点矩阵
  e$dir<-e$lastd<-'up' # 移动方向
  e$head<-c(2,2) #初始蛇头
  e$lastx<-e$lasty<-2 # 初始化蛇头上一个点
  e$tail<-data.frame(x=c(),y=c())#初始蛇尾
  
  e$col_furit<-2 #水果颜色
  e$col_head<-4 #蛇头颜色
  e$col_tail<-8 #蛇尾颜色
  e$col_path<-0 #路颜色
}

代码中,初始化全局的环境空间e,然后将所有需要的变量,定义在e中。

furit():判断并生成水果坐标。


 # 随机的水果点
  furit<-function(){
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      idx<-sample(index(e$col_path),1)
      
      fx<-ifelse(idx%%e$width==0,10,idx%%e$width)
      fy<-ceiling(idx/e$height)
      e$m[fx,fy]<-e$col_furit
      
      print(paste("furit idx",idx))
      print(paste("furit axis:",fx,fy))
    }
  }

fail():失败查询,判断蛇头是否撞墙或蛇尾,如果失败则跳过画图,进入结束场景。


 # 检查失败
  fail<-function(){
    # head出边界
    if(length(which(e$head<1))>0 | length(which(e$head>e$width))>0){
      print("game over: Out of ledge.")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    # head碰到tail
    if(e$m[e$head[1],e$head[2]]==e$col_tail){
      print("game over: head hit tail")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    return(FALSE)
  }

head():生成蛇头移动坐标。


  # snake head
  head<-function(){
    e$lastx<-e$head[1]
    e$lasty<-e$head[2]
    
    # 方向操作
    if(e$dir=='up') e$head[2]<-e$head[2]+1
    if(e$dir=='down') e$head[2]<-e$head[2]-1
    if(e$dir=='left') e$head[1]<-e$head[1]-1
    if(e$dir=='right') e$head[1]<-e$head[1]+1
    
  }

body():生成蛇尾移动坐标。


  # snake body
  body<-function(){
    e$m[e$lastx,e$lasty]<-0
    e$m[e$head[1],e$head[2]]<-e$col_head #snake
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
    }
    
    if(nrow(e$tail)>0) { #如果有尾巴
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
      e$m[e$tail[1,]$x,e$tail[1,]$y]<-e$col_path
      e$tail<-e$tail[-1,]
      e$m[e$lastx,e$lasty]<-e$col_tail
    }
    
    print(paste("snake idx",index(e$col_head)))
    print(paste("snake axis:",e$head[1],e$head[2]))
  }

drawTable():绘制游戏背景。


 # 画布背景
  drawTable<-function(){
    plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
    
    # 显示背景表格
    abline(h=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 水平线
    abline(v=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 垂直线
    # 显示矩阵
    df<-data.frame(x=rep(seq(0,0.95,e$step),e$width),y=rep(seq(0,0.95,e$step),each=e$height),lab=seq(1,e$width*e$height))
    text(df$x+e$step/2,df$y+e$step/2,label=df$lab)
  }

drawMatrix():绘制游戏矩阵。


  # 根据矩阵画数据
  drawMatrix<-function(){
    idx<-which(e$m>0)
    px<- (ifelse(idx%%e$width==0,e$width,idx%%e$width)-1)/e$width+e$step/2
    py<- (ceiling(idx/e$height)-1)/e$height+e$step/2
    pxy<-data.frame(x=px,y=py,col=e$m[idx])
    points(pxy$x,pxy$y,col=pxy$col,pch=15,cex=4.4)
  }

stage1():创建游戏场景,stage1()函数内部,封装了游戏场景运行时的函数,并进行调用。


# 游戏中
stage1<-function(){
  e$stage<-1
  furit<-function(){...} //见furit
  fail<-function(){...} //见fail
  head<-function(){...} //见head
  body<-function(){...}//见body
  drawTable<-function(){...} //见drawTable
  drawMatrix<-function(){...} //见drawMatrix

  # 运行函数
  furit()
  head()
  if(!fail()){ #失败检查
    body()
    drawTable()
    drawMatrix()  
  }
}

注:此处代码为伪代码。

最后,是完整的程序代码。


# 初始化环境变量
init<-function(){
  e<<-new.env()
  e$stage<-0 #场景
  e$width<-e$height<-20  #切分格子
  e$step<-1/e$width #步长
  e$m<-matrix(rep(0,e$width*e$height),nrow=e$width)  #点矩阵
  e$dir<-e$lastd<-'up' # 移动方向
  e$head<-c(2,2) #初始蛇头
  e$lastx<-e$lasty<-2 # 初始化蛇头上一个点
  e$tail<-data.frame(x=c(),y=c())#初始蛇尾
  
  e$col_furit<-2 #水果颜色
  e$col_head<-4 #蛇头颜色
  e$col_tail<-8 #蛇尾颜色
  e$col_path<-0 #路颜色
}


# 获得矩阵的索引值
index<-function(col) which(e$m==col)

# 游戏中
stage1<-function(){
  e$stage<-1
  
  # 随机的水果点
  furit<-function(){
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      idx<-sample(index(e$col_path),1)
      
      fx<-ifelse(idx%%e$width==0,10,idx%%e$width)
      fy<-ceiling(idx/e$height)
      e$m[fx,fy]<-e$col_furit
      
      print(paste("furit idx",idx))
      print(paste("furit axis:",fx,fy))
    }
  }
  
  
  # 检查失败
  fail<-function(){
    # head出边界
    if(length(which(e$head<1))>0 | length(which(e$head>e$width))>0){
      print("game over: Out of ledge.")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    # head碰到tail
    if(e$m[e$head[1],e$head[2]]==e$col_tail){
      print("game over: head hit tail")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    return(FALSE)
  }
  
  
  # snake head
  head<-function(){
    e$lastx<-e$head[1]
    e$lasty<-e$head[2]
    
    # 方向操作
    if(e$dir=='up') e$head[2]<-e$head[2]+1
    if(e$dir=='down') e$head[2]<-e$head[2]-1
    if(e$dir=='left') e$head[1]<-e$head[1]-1
    if(e$dir=='right') e$head[1]<-e$head[1]+1
    
  }
  
  # snake body
  body<-function(){
    e$m[e$lastx,e$lasty]<-0
    e$m[e$head[1],e$head[2]]<-e$col_head #snake
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
    }
    
    if(nrow(e$tail)>0) { #如果有尾巴
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
      e$m[e$tail[1,]$x,e$tail[1,]$y]<-e$col_path
      e$tail<-e$tail[-1,]
      e$m[e$lastx,e$lasty]<-e$col_tail
    }
    
    print(paste("snake idx",index(e$col_head)))
    print(paste("snake axis:",e$head[1],e$head[2]))
  }
  
  # 画布背景
  drawTable<-function(){
    plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  }
  
  # 根据矩阵画数据
  drawMatrix<-function(){
    idx<-which(e$m>0)
    px<- (ifelse(idx%%e$width==0,e$width,idx%%e$width)-1)/e$width+e$step/2
    py<- (ceiling(idx/e$height)-1)/e$height+e$step/2
    pxy<-data.frame(x=px,y=py,col=e$m[idx])
    points(pxy$x,pxy$y,col=pxy$col,pch=15,cex=4.4)
  }
  
  furit()
  head()
  if(!fail()){
    body()
    drawTable()
    drawMatrix()  
  }
}


# 开机画图
stage0<-function(){
  e$stage<-0
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Snake Game",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Any keyboard to start",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label="Up,Down,Left,Rigth to control direction",cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

# 结束画图
stage2<-function(){
  e$stage<-2
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Game Over",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Space to restart, q to quit.",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label=paste("Congratulations! You have eat",nrow(e$tail),"fruits!"),cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

# 键盘事件
keydown<-function(K){
  print(paste("keydown:",K,",stage:",e$stage));
  
  if(e$stage==0){ #开机画面
    init()
    stage1()
    return(NULL)
  }  
  
  if(e$stage==2){ #结束画面
    if(K=="q") q()
    else if(K==' ') stage0()  
    return(NULL)
  } 
  
  if(e$stage==1){ #游戏中
    if(K == "q") {
      stage2()
    } else {
      if(tolower(K) %in% c("up","down","left","right")){
        e$lastd<-e$dir
        e$dir<-tolower(K)
        stage1()  
      }
    }
  }
  return(NULL)
}

#######################################
# RUN  
#######################################  

run<-function(){
  par(mai=rep(0,4),oma=rep(0,4))
  e<<-new.env()
  stage0()
  
  # 注册事件
  getGraphicsEvent(prompt="Snake Game",onKeybd=keydown)
}

run()

游戏截图:

snake

全部代码仅仅190行,有效代码行只有100行左右,我们就实现了贪食蛇游戏。当然,时间事件我们没有实现,只因为R语言本身的单线程机制,而且不支持异步调用。正因为R语言强大的数据处理能力和可视化能力,让我们的程序写起来非常简单。我想如果让R来实现策略类游戏的矩阵部分的计算,一定会非常顺手的。

有了贪食蛇游戏的雏形,再通过面向对象的封装,能不能归纳出一个基于R语言游戏的开发框架呢?下一篇文章将继续R语言游戏之旅,R语言游戏框架设计

转载请注明出处:
http://blog.fens.me/r-game-snake/

打赏作者

This entry was posted in R语言实践, 游戏

  • acheng99

    这是要出书的节奏。。。啥时候出版呢?看了你很多的博客,值得期待哈

    • 呵呵,这么晚都没有睡啊,是不是看球呢!!

  • Kelvin Jiang

    牛人阿

  • Pingback: R语言游戏之旅 游戏2048 | 粉丝日志()

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  • kelly

    试了您的代码显示“图形设备不支持事件处理”,所以mac的R不可以?

    • 目前应该只支持win下运行,Linux有字体的错误,Mac没有测试过。

      Win下,可以从github安装这个包。
      https://github.com/bsspirit/gridgame

      library(devtools)
      install_github(“gridgame”,”bsspirit”)
      snake() # start snake game.
      g2048() # start 2048 game.

  • Chen Liu

    你好,在win下尝试了您的代码,同样显示:

    Error in setGraphicsEventEnv(which, as.environment(list(…))) :
    this graphics device does not support event handling

    请问是什么原因呢?

    • Chen Liu

      你好,我先前在Rstudio里面运行不支持,但是今天在R里面尝试已经成功了:-),应该是Rstudio的问题。

      • Rstudio有一个GUI的设置,他重置了grDevices库。

      • R的3.2.2版本以后,R就就可以了,等Rstudio更新那个配置就行了。