換個(gè)思路挑戰(zhàn)“小恐龍”游戲

謝作如　林淼焱

很多人都知道，Chrome瀏覽器在出現(xiàn)無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)會(huì)提供一個(gè)恐龍小游戲，幫我們緩解一下情緒。只要按下空格鍵，這只小恐龍就會(huì)動(dòng)起來(lái)，開始在沙漠中狂奔，然后會(huì)有仙人掌、飛鳥等源源不斷地迎面而來(lái)，玩家需要操控小恐龍?zhí)S到空中，以躲避這些障礙物（如圖1）。在瀏覽器地址欄輸入chrome：//dino/，聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下也可以玩這個(gè)游戲。

因?yàn)槭芫W(wǎng)絡(luò)控制，學(xué)生在機(jī)房會(huì)經(jīng)?？吹竭@個(gè)頁(yè)面，也會(huì)經(jīng)常玩這個(gè)游戲。這給我們一個(gè)靈感：為什么不讓學(xué)生試試用Python代碼編寫一個(gè)自動(dòng)玩游戲的腳本，然后比賽誰(shuí)寫的代碼效果好呢？這可是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

● 解決方案分析

能不能用Python腳本自動(dòng)“玩”這個(gè)瀏覽器游戲？答案不言而喻，借助Python強(qiáng)大的第三方庫(kù)，不僅可以對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別，還能模擬鍵盤輸入，讓小恐龍?zhí)饋?lái)，達(dá)到我們想要的自動(dòng)玩游戲的效果。

用流程圖的形式來(lái)描述玩小恐龍游戲的過(guò)程，只有兩個(gè)核心的工作流程，即判斷前方是否有障礙和按下空格躲避障礙，用流程圖來(lái)描述，如圖下頁(yè)2所示。

接下來(lái)，分析這個(gè)游戲的玩法，要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)“玩”，我們需要解決三個(gè)問(wèn)題：①如何獲得當(dāng)前的障礙物信息？②如何模擬按鍵讓小恐龍?zhí)饋?lái)？③如何在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跳起來(lái)？

問(wèn)題②是最容易解決的。Python有很多庫(kù)可以模擬鍵盤，如在Windows系統(tǒng)下，常用的是調(diào)用win32api庫(kù)，非Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以用pykeyboard。但是考慮到判斷障礙物需要用到截圖，而截圖方面比較好用的庫(kù)是pyautogui，因此選擇用pyautogui的typewrite方法。代碼如下：

pyautogui.typewrite（message='? '）

引號(hào)中的字符就是要模擬的按鍵，如果是空格，那么就在引號(hào)中放一個(gè)空格。也可以用“pyautogui.press（"space"）”的形式，“space”表示空格鍵。

所以，這個(gè)工作流程中的核心算法，是問(wèn)題①和③，即判斷障礙物信息，并在合適時(shí)間跳起來(lái)。

● 核心算法的解決

觀察游戲界面可以知道，如果小恐龍“眼前”的區(qū)域都是白色，那么說(shuō)明沒(méi)有障礙物，如果出現(xiàn)了其他顏色，說(shuō)明障礙物來(lái)了，如圖3中框選區(qū)域所示。要想讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷是否有障礙物，可以用定時(shí)截圖的方式，然后不斷“識(shí)別”框中區(qū)域的顏色，再根據(jù)識(shí)別結(jié)果來(lái)確定是否按下空格鍵。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

1.截圖并且識(shí)別障礙物

通過(guò)pyautogui庫(kù)完成屏幕截圖后，再借助PIL庫(kù)，來(lái)識(shí)別目標(biāo)區(qū)域的顏色。為了加快判斷的速度，我們可以繼續(xù)裁剪圖像，裁去場(chǎng)景中的云朵、地面等干擾物，僅剩下框中的內(nèi)容。

識(shí)別圖片的顏色，大家想到的方法可能是讀取圖片中每個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其相加并求出平均數(shù)，如果這個(gè)數(shù)字小于255，說(shuō)明圖片不是純白色，包含黑色的障礙物。其實(shí)還有一種更簡(jiǎn)單的方法，即利用PIL庫(kù)中的getcolors方法，統(tǒng)計(jì)整張圖片中所有像素點(diǎn)的顏色及其數(shù)量。

對(duì)于Python來(lái)說(shuō)，要想提高執(zhí)行代碼的效率，應(yīng)該盡可能調(diào)用庫(kù)中的方法。getcolors方法會(huì)返回一個(gè)列表，如[（（顏色1像素點(diǎn)的數(shù)量），（顏色1RGB值））]。圖4中的案例結(jié)果就代表圖片中共有68751個(gè)白色像素點(diǎn)、3011個(gè)綠色像素點(diǎn)、1958個(gè)紅色像素點(diǎn)、2522個(gè)藍(lán)色像素點(diǎn)。

有了這個(gè)方法，判斷顏色就非常簡(jiǎn)單了。用getcolors方法返回顏色的列表，再用len（）函數(shù)就能得到圖片中所有顏色的種類數(shù)。沒(méi)有障礙物時(shí)，顏色是1，即只有白色，大于1就說(shuō)明有障礙物了。參考代碼如下頁(yè)圖5所示。

2.選擇適當(dāng)?shù)奶S時(shí)機(jī)

當(dāng)小恐龍“眼前”不止一種顏色時(shí)，說(shuō)明障礙物已經(jīng)接近，需要讓小恐龍及時(shí)跳躍，進(jìn)行躲避。

一般來(lái)說(shuō)，用下頁(yè)圖6這樣的語(yǔ)句就能讓小恐龍?zhí)^(guò)很多障礙物，并且得到很高的分?jǐn)?shù)了。但是，當(dāng)速度越來(lái)越快的時(shí)候，是不是還要繼續(xù)判斷列表中的白色數(shù)量？因?yàn)榘咨臄?shù)量越小，說(shuō)明障礙物已經(jīng)完全進(jìn)入了區(qū)域?；蛘呤欠褚鄤澐謳讉€(gè)區(qū)域，然后得到障礙物離小恐龍的位置？這就要不斷調(diào)試，找到最適合的時(shí)機(jī)。

● 代碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試

將上述代碼合并在一起，添加循環(huán)，使得程序能夠不斷進(jìn)行判斷，這個(gè)能夠自動(dòng)控制小恐龍的“外掛”代碼就寫好了。參考代碼如下頁(yè)圖7所示。

因?yàn)椴煌挠?jì)算機(jī)顯示屏的大小也是不一樣的，我們要根據(jù)分辨率微調(diào)截圖參數(shù)，以達(dá)到最好的效果。為了更好地確定位置，可以用PIL庫(kù)的ImageDraw模塊來(lái)畫出區(qū)域，代碼如圖8所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們這段簡(jiǎn)單的代碼居然可以拿到高于1000的分?jǐn)?shù)。這是我們平時(shí)根本沒(méi)辦法達(dá)到的分?jǐn)?shù)。當(dāng)看到小恐龍?jiān)谄聊簧喜粩嘧詣?dòng)跳躍，一種特別的滿足感會(huì)油然而生。

● 算法的優(yōu)化

當(dāng)達(dá)到一定分?jǐn)?shù)后，這個(gè)小游戲的場(chǎng)景會(huì)在黑夜與白天之間切換，且障礙物移動(dòng)速度增加，大大增加了游戲的難度。上述代碼最高能夠到達(dá)1500分左右，由于障礙物的提速，會(huì)讓小恐龍?jiān)诼涞厍熬妥采舷乱粋€(gè)障礙物，想要繼續(xù)提高分?jǐn)?shù)，就需要繼續(xù)優(yōu)化代碼。比如，①讓小恐龍看得更遠(yuǎn)：隨著分?jǐn)?shù)的增加，不斷擴(kuò)大截取圖片的范圍，直到這個(gè)范圍增加到屏幕右端為止。②提前預(yù)判起跳時(shí)間：在圖片的中間和右端各截取一張圖片，根據(jù)障礙物的通過(guò)時(shí)間，計(jì)算其速度，列出算式，求得障礙物到達(dá)小恐龍前方的時(shí)間，小恐龍?jiān)诘却鄳?yīng)的延時(shí)后，精準(zhǔn)起跳。Pyautogui庫(kù)中還有keyDown和keyUp的控制鍵盤方法，可以實(shí)現(xiàn)短按和長(zhǎng)按的效果。

● 總結(jié)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在必修模塊1中提到，要讓學(xué)生“通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程，感受算法效率，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法”，而控制游戲這種有趣的案例，既源于生活又具有不斷優(yōu)化的特點(diǎn)，寓教于樂(lè)，很適合作為教學(xué)的拓展案例，讓學(xué)生在探索過(guò)程中提高編程能力。此外，這種“自動(dòng)化”的思想，能夠引發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)興趣，值得在教學(xué)中推廣。