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Python 生命游戲（tkinter版）

編輯：Python

生命游戲(Game of Life)

由劍橋大學約翰·何頓·康威設計的計算機程序。美國趣味數學大師馬丁·加德納(Martin Gardner，1914-2010）通過《科學美國人》雜志，將康威的生命游戲介紹給學術界之外的廣大渎者，一時吸引了各行各業一大批人的興趣，這時細胞自動機課題才吸引了科學家的注意。

游戲概述

用一個二維表格表示“生存空間”，空間的每個方格中都可放置一個生命細胞，每個生命細胞只有兩種狀態：“生”或“死”。用綠色方格表示該細胞為“生”，空格(白色)表示該細胞為“死”。或者說方格網中綠色部分表示某個時候某種“生命”的分布圖。生命游戲想要模擬的是：隨著時間的流逝，這個分布圖將如何一代一代地變化。死亡太沉重，我想稱它為“湮滅”狀態。

生存定律

生存空間的每個方格都存在一個細胞，它的周邊緊鄰的8個方格上的稱為鄰居細胞。
(1)當前細胞為湮滅狀態時，當周圍有３個存活細胞時，則迭代後該細胞變成存活狀態(模擬繁殖)。
(2)當前細胞為存活狀態時，當周圍的鄰居細胞少於２個存活時，該細胞變成湮滅狀態(數量稀少)。
(3)當前細胞為存活狀態時，當周圍有３個以上的存活細胞時，該細胞變成湮滅狀態(數量過多)。
(4)當前細胞為存活狀態時，當周圍有２個或３個存活細胞時，該細胞保持原樣。

簡單來說，活細胞Cell看作是‘1’，死Cell看作‘0’，8個鄰居的累加和Sum決定了下一輪的狀態：

“繁殖”：死Cell=0，若Sum=3，則Cell=1。
“稀少”：活Cell=1，若Sum<2，則Cell=0。
“過多”：活Cell=1，若Sum>3，則Cell=0。
“正常”：活Cell=1，若Sum=2或3，則Cell=1。

生存空間中生命的繁殖和湮滅，如下圖所示：

圖形結構

在游戲進行中，雜亂無序的細胞會逐漸演化出各種精致、有形的圖形結構；這些結構往往有很好的對稱性，而且每一代都在變化形狀。一些形狀一經鎖定就不會逐代變化。有時，一些已經成形的結構會因為一些無序細胞的“入侵”而被破壞。但是形狀和秩序經常能從雜亂中產生出來。

通常會有以下四種狀態：

不動點（fixed points）：變化終結於恆定圖像
交替態（alternation）：圖像出現周期性變化
隨機態（randomness）：圖像變化近乎隨機
復雜態（complexity）：圖像存在某種復雜規律

常見的不動結構：

周期變化的結構：

逐步趨向湮滅的結構：

由一根10個連續細胞演化出來的周期結構：

動態變化後全部湮滅的結構：

移動的飛船：周期變化且逐漸向右平移

飛船到了邊界變成向對角線移動的“滑翔者”，滑翔者到了邊界成為不動的方塊。

更多有趣的圖形結構有待發現，用代碼來輔助這項工作還是比較方便的.....

代碼實現

用tkinter庫實現了軟件界面，畫布、按鈕、標簽等控件都是配角，全是為表現生命繁殖演化的核心代碼類方法 Lifes.reproduce() 作幫手的，源代碼lifegame.pyw如下：

from tkinter import messagebox as msgbox
import tkinter as tk
import webbrowser
import random
class Lifes:
def __init__(self, rows=38, cols=38):
self.row = rows
self.col = cols
self.items = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
self.histroy = []
self.histroySize = 30
self.running = False
self.runningSpeed = 100
def rndinit(self, rate=0.1):
self.histroy = []
for i in range(self.row):
for j in range(self.col):
rnd = random.random()
if rnd > 1-rate:
self.items[i][j]=1
def reproduce(self):
new = [[0]*self.col for _ in range(self.row)]
self.add_histroy()
if len(self.histroy) > self.histroySize:
self.histroy.pop(0)
for i in range(self.row):
for j in range(self.col):
if i*j==0 or i==self.row-1 or j==self.col-1:
new[i][j]=0
else:
lifes=0
for m in range(i-1,i+2):
for n in range(j-1,j+2):
if m==i and n==j:
continue
lifes += self.items[m][n]
if self.items[i][j]:
if lifes==2 or lifes==3:
new[i][j]=1
else:
new[i][j]=0
else:
if lifes==3:
new[i][j]=1
for idx,narray in enumerate(new):
self.items[idx] = narray
def is_stable(self):
if len(self.histroy)<self.histroySize:
return False
arr = []
for i in self.histroy:
if i not in arr:
arr.append(i)
if len(arr)<10:
return True
def add_histroy(self, Items=None):
arr = []
if Items==None:
Items=self.items[:]
for item in Items:
b = 0
for i,n in enumerate(item[::-1]):
b += n*2**i
arr.append(b)
self.histroy.append(arr)
def drawCanvas():
global tv,rect
tv = tk.Canvas(win, width=win.winfo_width(), height=win.winfo_height())
tv.pack(side = "top")
for i in range(36):
coord = 40, 40, 760, i*20 + 40
tv.create_rectangle(coord)
coord = 40, 40, i*20 + 40, 760
tv.create_rectangle(coord)
coord = 38, 38, 760, 760
tv.create_rectangle(coord,width=2)
coord = 39, 39, 760, 760
tv.create_rectangle(coord,width=2)
coord = 38, 38, 762, 762
tv.create_rectangle(coord,width=2)
R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
rect = [[0]*36 for _ in range(36)]
for i,x in enumerate(XY):
for j,y in enumerate(XY):
rect[i][j] = tv.create_rectangle(x-R,y-R,x+R,y+R,tags=('imgButton1'))
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
tv.tag_bind('imgButton1','<Button-1>',on_Click)
def drawLifes():
R,XY = 8,[50+i*20 for i in range(36)]
if Life.running:
for i,x in enumerate(XY):
for j,y in enumerate(XY):
if Life.items[i+1][j+1]:
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='green',outline='green')
else:
tv.itemconfig(rect[i][j],fill='lightgray',outline='lightgray')
tv.update()
Life.reproduce()
if Life.is_stable():
Life.running = False
if sum(sum(Life.items,[])):
msgbox.showinfo('Message','生命繁殖與湮滅進入穩定狀態！！！')
else:
msgbox.showinfo('Message','生命全部湮滅，進入死亡狀態！！！')
win.after(Life.runningSpeed, drawLifes)
def StartLife():
if sum(sum(Life.items,[])):
Life.histroy = []
Life.running = True
else:
msgbox.showinfo('Message','請點擊小方塊填入生命細胞，或者使用隨機功能！')
def BreakLife():
Life.running = not Life.running
if Life.running:
Life.histroy.clear()
Life.add_histroy()
def RandomLife():
Life.rndinit()
Life.running = True
def ClearLife():
Life.running = False
Life.histroy = []
Life.items = [[0]*38 for _ in range(38)]
for x in range(36):
for y in range(36):
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
def on_Enter(event):
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='magenta')
def on_Leave(event):
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue')
def on_Release(event):
url = 'https://blog.csdn.net/boysoft2002?type=blog'
webbrowser.open(url, new=0, autoraise=True)
def on_Click(event):
x,y = (event.x-40)//20,(event.y-40)//20
if not Life.running:
if Life.items[x+1][y+1]:
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='lightgray',outline='lightgray')
else:
tv.itemconfig(rect[x][y],fill='red',outline='red')
Life.items[x+1][y+1] = not Life.items[x+1][y+1]
def on_Close():
if msgbox.askokcancel("Quit","Do you want to quit?"):
Life.running = False
print(Copyright())
win.destroy()
def Introduce():
txt = '''【生命游戲】\n\n生存定律：
(1)當前細胞為湮滅狀態時，當周圍有３個存活細胞時，則迭代後該細胞變成存活狀態(模擬繁殖)。
(2)當前細胞為存活狀態時，當周圍的鄰居細胞少於２個存活時，該細胞變成湮滅狀態(數量稀少)。
(3)當前細胞為存活狀態時，當周圍有３個以上的存活細胞時，該細胞變成湮滅狀態(數量過多)。
(4)當前細胞為存活狀態時，當周圍有２個或３個存活細胞時，該細胞保持原樣。'''
return txt
def Copyright():
return 'Lifes Game Ver1.0\nWritten by HannYang, 2022/08/01.'
if __name__ == '__main__':
win = tk.Tk()
X,Y = win.maxsize()
W,H = 1024,800
winPos = f'{W}x{H}+{(X-W)//2}+{(Y-H)//2}'
win.geometry(winPos)
win.resizable(False, False)
win.title('生命游戲 Ver1.0')
win.update()
drawCanvas()
Life = Lifes()
drawLifes()
tLabel = tk.Label(win, width=30, height=20, background='lightgray')
tLabel.place(x=780, y=38)
tLabel.config(text='\n\n\n'.join((Introduce(),Copyright())))
tLabel.config(justify=tk.LEFT,anchor="nw",borderwidth=10,wraplength=210)
bX,bY,dY = 835, 458, 50
tButton0 = tk.Button(win, text=u'開始', command=StartLife)
tButton0.place(x=bX, y=bY+dY*0 ,width=120,height=40)
tButton1 = tk.Button(win, text=u'暫停', command=BreakLife)
tButton1.place(x=bX, y=bY+dY*1 ,width=120,height=40)
tButton2 = tk.Button(win, text=u'隨機', command=RandomLife)
tButton2.place(x=bX, y=bY+dY*2 ,width=120,height=40)
tButton3 = tk.Button(win, text=u'清空', command=ClearLife)
tButton3.place(x=bX, y=bY+dY*3 ,width=120,height=40)
tCanvas = tk.Canvas(win, width=200, height=45)
tCanvas.place(x=800,y=716)
tVisit = tCanvas.create_text((88, 22), text=u"點此訪問Hann's CSDN主頁!")
tCanvas.itemconfig(tVisit, fill='blue', tags=('btnText'))
tCanvas.tag_bind('btnText','<Enter>',on_Enter)
tCanvas.tag_bind('btnText','<Leave>',on_Leave)
tCanvas.tag_bind('btnText','<ButtonRelease-1>',on_Release)
win.protocol("WM_DELETE_WINDOW", on_Close)
win.mainloop()