基于Pygame的壁球游戲的設計與開發(fā)

杜蘭 陳琳琳 祎神靜

摘要 本文通過開發(fā)經(jīng)典的壁球游戲展示了基于Pygame開發(fā)壁球的基本過程，重點介紹了壁球游戲的需求分析、核心算法和性能調優(yōu)。

【關鍵詞】Pygame 飛機射擊 游戲開發(fā)

1 概述

游戲正逐漸成為人們日常娛樂方式，游戲開發(fā)也成為軟件開發(fā)領域的重要分支。Pygame是Python的一個第三方庫，搭載了基于OpenGL的圖形庫和優(yōu)質的音頻庫，可以快速上手制作2D游戲的原型。Pygame的API比較偏底層，開發(fā)人員在編程時具有很大的自由度，同時具有了很強的可定制性。

2 需求分析

（1）游戲窗口內分為兩個區(qū)域：游戲區(qū)域和計分板。

（2）在游戲區(qū)域里有一個深紅色的小球在運動，小球撞擊到游戲區(qū)域左、右兩側的邊界時回彈，如果擊中上邊界則會向下回彈，玩家和AI輪流進行擊球，開局由玩家發(fā)球。

（3）玩家通過鼠標來左右移動球拍，并且在小球靠近時按下鼠標左鍵，進行擊球，成功擊球之后小球會向上回彈，而AI則會自動跟隨小球，進行擊球。游戲中設置AI擊球失敗的概率。如果向下運動的過程中小球的高度低于某個閾值時，則本局游戲結束，如果是玩家擊球失敗則AI得分，否則，玩家得分。

（4）率先贏取3分的選手即為整場比賽的獲勝者。單局勝利累計分數(shù)，全局結束顯示“You Win”或者“You Lose”的字樣表示輸贏結果。

（5）游戲內設有背景音樂以及擊球音效。

3 壁球游戲設計核心算法

3.1 小球的運動

用centerX表示圓心橫坐標，centerY表示圓心縱坐標，radius表示半徑。用velocityX來表示小球水平方向的速度，用velocityY來表示小球在垂直方向的速度。小球碰撞檢測的方法是檢測圓心的centerX到左側邊界的距離，如果這個距離小于小球的半徑，則說明發(fā)生了碰撞，同時這里需要做一個修正，重置centerX的值，使得小球與游戲區(qū)域的左側邊界相切，從而避免了視覺上的穿越。同理，當centerX到右側邊界的距離小于等于小球半徑時，則說明小球與右側的邊界發(fā)生了碰撞，此時更新velocityX并且重置centerX的值。對于上側邊界的檢測也是同理，不過這里處理的是y方向，如果centerY到上側邊界的距離小于等于小球的半徑則說明小球與上側邊界發(fā)生了碰撞，更新velocityY并且重置centerY的值。部分代碼如下所示：

小球運動部分代碼如下所示：

ifself.centerX - selfradius<-0：

self.centerX - self.radius

self.velocityX= -self.velocityX

elifself.centerX+self.radius>-gameArea[2]： self.centerX - gameArea[2] - self.radius self.velocityX= -self.velocityX ifself.centerY - self.radius<-O： self.centerY - selfradius self.velocityY= -self.velocityY

3.2 玩家的擊球操作

本文把小球在擊球區(qū)域里等價于小球的圓心在擊球區(qū)域里。因為擊球區(qū)域是一個矩形，因此這個問題可以被建模成判斷一個點是否在一個矩形區(qū)域里的問題。如圖1所示，在Pygame中，用（startX，startY， width，height）的4元組來表示一個矩形的位置與大小的信息，因此矩形的左上角的坐標即為（startX，startY），矩形的右下角的坐標即為（startX+width，startY+ height），要判斷一個點是否在這個矩形區(qū)域里，就可以轉換成下面的判斷。

startX≤pointX≤startX+width

startY≤pointY≤startY+height

其中（pointX，pointY）為需要判斷的點的坐標。當這個不等式組成立時，可以判斷該點在矩形區(qū)域內，否則該點在矩形區(qū)域外側。

為了使游戲具有可玩性，擊球后需要更改的不只是小球的velocityY，還需要改變小球的velocityX。如果不加以改變的話，則小球只會不斷的按照順時針或者逆時針的方向進行運動，這樣的設計會使得游戲的可玩性大大降低。因此，需要有一種策略來決定擊球之后velocityX的符號。通過描述擊球區(qū)域的元組，可以計算出中心點的橫坐標middleX，如果小球的centerX小于middleX，則將velocityX的符號設置為負號，否則設置為正號。這樣，玩家在擊球之后可以有一定的概率改變小球的運動方向，并且從而使得小球的運動軌跡具有多樣性，下一次擊球時合適的擊球區(qū)域也會隨之變化，這就增加了游戲的不確定性，進一步增強了玩家與游戲之間的互動和游戲本身的可玩性。部分代碼如下：

部分代碼如下：

ifselfcenterX

self.velocityX= -abs（self.velocityX）

else：

self.velociWX - abs（self.velocityX）

3.3 AI的擊球操作

本文采用了一個簡單的思想：AI控制的球拍的橫向位置與小球保持同步，這樣每當小球下落到AI的球拍的高度的時候，小球總能夠出現(xiàn)在AI的擊球區(qū)域里。這樣會產(chǎn)生一個問題：AI必然可以l00%的擊中小球，則玩家永遠不可能贏過AI！因此需要對這個簡單的策略做出一些改進：設置一個（0，1）之間的閾值missRate，比如說0.1，表示AI擊球失敗的概率，也就是說每次擊球時AI都會有missRate的概率無法打中球，這樣玩家就會有機會贏過AI，最終獲勝。

部分代碼如下：

miss- random.random（）

print（miss）

if miss >OpponentMissRate：

selfhitSound play（）

pyganle tlme wait（lOO）

selfba11.hit（selfopponemHitArea）

direction=random.randomn

if direction<0 5：

selfbalI.velocityX=-selfball.velocityX

4 性能調優(yōu)

一款游戲要推廣的一個前提是在目標機上能夠流暢運行。因此在實現(xiàn)基本功能之后，要針對游戲本身的性能進行一些優(yōu)化，在考慮到變量在內存中的排列以及Python的GC機制的基礎上，要合理的管理游戲對象和變量。經(jīng)過了少許的性能調優(yōu)之后，軟件可以流暢的在絕大多數(shù)的學生筆記本電腦上以60FPS的幀頻運行。

5 結束語

Pyganle可以大大的加快游戲開發(fā)者的開發(fā)速度，同時也避免了由于平臺不兼容而影響游戲開發(fā)的進程。本文重點討論了基于pygame的飛機射擊游戲的的核心算法以及游戲的性能調優(yōu)。

參考文獻

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[2]王攀拓.基于Python的Pygame框架研究[D].齊齊哈爾：齊齊哈爾大學，2015.

[3]劉班.用Python語言開發(fā)彈跳球游戲[J].電腦編程技巧與維護，2014 （07）：79-84.