Создание игр на Python 3 и Pygame: Часть 1

Многие разработчики приходят в разработку ПО, потому что хотят создавать игры. Не все могут стать профессиональными разработчиками игр, но любой может создавать собственные игры из интереса (а может быть, и с выгодой). В этом туториале, состоящем из пяти частей, я расскажу вам, как создавать двухмерные однопользовательские игры с помощью Python 3 и замечательного фреймворка PyGame.

(Остальные части туториала: вторая, третья, четвёртая, пятая.)

Мы создадим версию классической игры Breakout. Освоив этот туториал, вы будете чётко понимать, что необходимо для создания игры, познакомитесь с возможностями Pygame и напишете собственный пример игры.

Мы реализуем следующие функции и возможности:

• простые стандартные GameObject и TextObject
• простой стандартный Game object
• простая стандартная кнопка
• файл конфигурации
• обработка событий клавиатуры и мыши
• кирпичи, ракетка и мяч
• управление движением ракетки
• обработка коллизий мяча с объектами игры
• фоновое изображение
• звуковые эффекты
• расширяемая система спецэффектов

Не стоит ожидать, что игра будет очень красива графически. Я программист, а не художник, меня больше интересует эстетика кода. Созданный мной дизайн может неприятно удивить. С другой стороны, у вас будут почти неограниченные возможности по улучшению графики этой версии Breakout. Если вы отважитесь повторять за мной, посмотрите на скриншот:


Готовый исходный код выложен здесь.

Краткое введение в программирование игр

Главное в играх — перемещение пикселей на экране и издаваемый шум. Почти во всех видеоиграх есть эти элементы. В этой статье мы не будем рассматривать клиент-серверные и многопользовательские игры, для которых требуется много сетевого программирования.

Основной цикл

Основной цикл (main loop) игры выполняется и обновляет экран через фиксированные интервалы времени. Они называются частотой кадров и определяют плавность перемещения. Обычно игры обновляют экран 30-60 раз в секунду. Если частота будет меньше, то покажется, что объекты на экране дёргаются.

Внутри основного цикла есть три основных операции: обработка событий, обновление состояния игры и отрисовка текущего состояния на экране.

Обработка событий

События в игре состоят из всего, что происходит за пределами управления кода игры, но относится к выполнению игры. Например, если в Breakout игрок нажимает клавишу «стрелка влево», то игре нужно переместить ракетку влево. Стандартными событиями являются нажатия (и отжатия) клавиш, движение мыши, нажатия кнопок мыши (особенно в меню) и события таймера (например, действие спецэффекта может длиться 10 секунд).

Обновление состояния

Сердце любой игры — это её состояние: всё то, что она отслеживает и отрисовывает на экране. В случае Breakout к состоянию относятся положение всех кирпичей, позиция и скорость мяча, положение ракетки, а также жизни и очки.

Существует также вспомогательное состояние, позволяющее управлять игрой:

• Отображается ли сейчас меню?
• Закончена ли игра?
• Победил ли игрок?

Отрисовка

Игре нужно отображать своё состояние на экране, в том числе отрисовывать геометрические фигуры, изображения и текст.

Игровая физика

В большинстве игр симулируется физическое окружение. В Breakout мяч отскакивает от объектов и имеет очень приблизительную систему физики твёрдого тела (если это можно так назвать).

В более сложных играх могут использоваться более изощрённые и реалистичные физические системы (особенно в 3D-играх). Стоит также отметить, что в некоторых играх, например, в карточных, физики почти нет, и это совершенно нормально.

ИИ (искусственный интеллект)

Во многих играх мы сражаемся с компьютерными противниками, или в них есть враги, пытающиеся нас убить. Часто они ведут себя в игровом мире так, как будто обладают разумом.

Например, враги преследуют игрока и знают о его местоположении. В Breakout нет никакого ИИ. Игрок сражается с холодными и твёрдыми кирпичами. Однако ИИ в играх часто очень прост и всего лишь следует простым (или сложным) правилам, обеспечивающим псевдоразумные результаты.

Воспроизведение звука

Воспроизведение звука — ещё один важный аспект игр. В общем случае существует два типа звука: фоновая музыка и звуковые эффекты. В Breakout я реализую только звуковые эффекты, которые воспроизводятся при различных событиях.

Фоновая музыка — это просто музыка, постоянно играющая на фоне. В некоторых играх она не используется, а в некоторых меняется на каждом уровне.

Жизни, очки и уровни

В большинстве игр игрок имеет определённое количество жизней, и когда они заканчиваются, игра завершается. Также в играх часто присутствуют очки, позволяющие понять, насколько хорошо мы играем, и дающие мотивацию к самосовершенствованию или просто хвастаться друзьям своими рекордами. Во многих играх есть уровни, которые или совершенно отличаются, или постепенно увеличивают сложность.

Знакомство с Pygame

Прежде чем приступить к реализации игры, давайте немного узнаем о Pygame, который возьмёт на себя большую часть работы.

Что такое Pygame?

Pygame — это фреймворк языка Python для программирования игр. Он создан поверх SDL и обладает всем необходимым:

• зрелостью
• хорошим сообществом
• открытым исходным кодом
• кроссплатформенностью
• качественной документацией
• множеством примеров игр
• простотой изучения

Установка Pygame

Введите pip install pygame, чтобы установить фреймворк. Если вам нужно что-то ещё, то следуйте инструкциям из раздела Getting Started в Wiki проекта. Если у вас, как и у меня, macOS Sierra, то могут возникнуть проблемы. Мне удалось установить Pygame без сложностей, и код работает отлично, но окно игры никогда не появляется.

Это станет серьёзным препятствием при запуске игры. В конце концов мне пришлось запускать её в Windows внутри VirtualBox VM. Надеюсь, ко времени прочтения этой статьи проблема будет решена.

Архитектура игры

Играм нужно управлять кучей информации и выполнять почти одинаковые операции со множеством объектов. Breakout — это небольшая игра, однако попытка управлять всем в одном файле может оказаться слишком утомительной. Поэтому я решил создать файловую структуру и архитектуру, которая подойдёт и для гораздо более крупных игр.

Структура папок и файлов

├── Pipfile
├── Pipfile.lock
├── README.md
├── ball.py
├── breakout.py
├── brick.py
├── button.py
├── colors.py
├── config.py
├── game.py
├── game_object.py
├── images
│   └── background.jpg
├── paddle.py
├── sound_effects
│   ├── brick_hit.wav
│   ├── effect_done.wav
│   ├── level_complete.wav
│   └── paddle_hit.wav
└── text_object.py

Pipfile и Pipfile.lock — это современный способ управления зависимостями в Python. Папка images содержит изображения, используемые игрой (в нашей версии будет только фоновое изображение), а в папке sound_effects directory лежат короткие звуковые клипы, используемые (как можно догадаться) в качестве звуковых эффектов.

Файлы ball.py, paddle.py и brick.py содержат код, относящийся к каждому из этих объектов Breakout. Подробнее я рассмотрю их в следующих частях туториала. Файл text_object.py содержит код отображения текста на экране, а в файле background.py содержится игровая логика Breakout.

Однако существует несколько модулей, создающих произвольный «скелет» общего назначения. Определённые в них классы можно будет использовать в других играх на основе Pygame.

Класс GameObject

GameObject представляет собой визуальный объект, знающий о том, как себя рендерить, сохранять свои границы и перемещаться. В Pygame есть и класс Sprite, исполняющий похожую роль, но в этом туториале я хочу показать вам, как всё работает на низком уровне, а не полагаться слишком активно на готовую магию. Вот как выглядит класс GameObject:

from pygame.rect import Rect


class GameObject:
    def __init__(self, x, y, w, h, speed=(0,0)):
        self.bounds = Rect(x, y, w, h)
        self.speed = speed

    @property
    def left(self):
        return self.bounds.left

    @property
    def right(self):
        return self.bounds.right

    @property
    def top(self):
        return self.bounds.top

    @property
    def bottom(self):
        return self.bounds.bottom

    @property
    def width(self):
        return self.bounds.width

    @property
    def height(self):
        return self.bounds.height

    @property
    def center(self):
        return self.bounds.center

    @property
    def centerx(self):
        return self.bounds.centerx

    @property
    def centery(self):
        return self.bounds.centery

    def draw(self, surface):
        pass

    def move(self, dx, dy):
        self.bounds = self.bounds.move(dx, dy)

    def update(self):
        if self.speed == [0, 0]:
            return

        self.move(*self.speed)

GameObject предназначен для того, чтобы быть базовым классом для других объектов. Он непосредственно раскрывает множество свойств его прямоугольника self.bounds, а в своём методе update() он перемещает объект в соответствии с его текущей скоростью. Он ничего не делает в своём методе draw(), который должен быть переопределён подклассами.

Класс Game

Класс Game — это ядро игры. Он выполняется в основном цикле. В нём есть множество полезных возможностей. Давайте разберём его метод за методом.

Метод __init__() инициализирует сам Pygame, систему шрифтов и звуковой микшер. Три разных вызова нужны, так как не во всякой игре на Pygame используются все компоненты, поэтому можно контролировать подсистемы, которые мы используем, и инициализировать только нужные с соответствующими параметрами. Метод создаёт фоновое изображение, основную поверхность (на которой всё отрисовывается) и игровой таймер с правильной частотой кадров.

Элемент self.objects хранит все игровые объекты, которые должны рендериться и обновляться. Различные обработчики управляют списками функций-обработчиков, которые должны выполняться при определённых событиях.

import pygame
import sys

from collections import defaultdict


class Game:
    def __init__(self, 
                 caption, 
                 width, 
                 height, 
                 back_image_filename, 
                 frame_rate):
        self.background_image = \
            pygame.image.load(back_image_filename)
        self.frame_rate = frame_rate
        self.game_over = False
        self.objects = []
        pygame.mixer.pre_init(44100, 16, 2, 4096)
        pygame.init()
        pygame.font.init()
        self.surface = pygame.display.set_mode((width, height))
        pygame.display.set_caption(caption)
        self.clock = pygame.time.Clock()
        self.keydown_handlers = defaultdict(list)
        self.keyup_handlers = defaultdict(list)
        self.mouse_handlers = []

Методы update() и draw() очень просты. Они обходят все управляемые игровые объекты и вызывают соответствующие им методы. Если два объекта накладываются друг на друга на экране, то порядок списка объектов определяет, какой из них будет рендериться первым, а остальные будут частично или полностью его перекрывать.

    def update(self):
        for o in self.objects:
            o.update()

    def draw(self):
        for o in self.objects:
            o.draw(self.surface)

Метод handle_events() слушает события, генерируемые Pygame, такие как события клавиш и мыши. Для каждого события он вызывает все функции-обработчики, которые должны обрабатывать события соответствующих типов.

    def handle_events(self):
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                sys.exit()
            elif event.type == pygame.KEYDOWN:
                for handler in self.keydown_handlers[event.key]:
                    handler(event.key)
            elif event.type == pygame.KEYUP:
                for handler in self.keydown_handlers[event.key]:
                    handler(event.key)
            elif event.type in (pygame.MOUSEBUTTONDOWN, 
                                pygame.MOUSEBUTTONUP, 
                                pygame.MOUSEMOTION):
                for handler in self.mouse_handlers:
                    handler(event.type, event.pos)

Наконец, метод run() выполняет основной цикл. Он выполняется до тех пор, пока элемент game_over не принимает значение True. В каждой итерации он рендерит фоновое изображение и вызывает по порядку методы handle_events(), update() и draw().

Затем он обновляет экран, то есть записывает на физический дисплей всё содержимое, которое было отрендерено на текущей итерации. И последнее, но не менее важное — он вызывает метод clock.tick() для управления тем, когда будет вызвана следующая итерация.

    def run(self):
        while not self.game_over:
            self.surface.blit(self.background_image, (0, 0))

            self.handle_events()
            self.update()
            self.draw()

            pygame.display.update()
            self.clock.tick(self.frame_rate)

Заключение

В этой части мы изучили основы программирования игр и все компоненты, участвующие в создании игр. Также мы рассмотрели сам Pygame и узнали, как его установить. Наконец, мы погрузились в архитектуру игры и изучили структуру папок, классы GameObject и Game.

Во второй части мы рассмотрим класс TextObject, используемый для рендеринга текста на экране. Мы создадим основное окно, в том числе и фоновое изображение, а затем узнаем, как отрисовывать объекты (мяч и ракетку).