康威生命游戏-编程知识

康威生命游戏

康威生命游戏(Conway’s Game of Life)是康威发明的细胞自动机。
生命游戏有几个简单的规则：
细胞有两种状态，存活或死亡，每个细胞以自身为中心与周围的八格细胞互动。
对于存活的细胞：

当周围的细胞过少(<2)或过多(>3)时，细胞死亡。
周围细胞数量适中(2或3)时，细胞保持存活。

对于死亡的细胞（空白区域）：

周围有3个细胞时，该区域生成细胞。（模拟繁殖）

参考：中文维基百科-康威生命游戏

康威生命游戏通过上述几条简单的规则，加上不同的初始状态，就可以演化出各种复杂的模式：
生命游戏中的一种情形。图源维基百科

Python实现

由于生命游戏的规则非常简单，我们可以很容易的用Python实现。
可以用二维数组表示细胞状态，并根据生命游戏的规则计算下一次的细胞状态进行更新。
（当规模变大时，更新细胞会变得困难。可以考虑并行）

下面是一个简单的实现，使用pygame显示动画，借助numpy操作数组。
效果如下：
python实现

代码参考：https://www.youtube.com/watch?v=cRWg2SWuXtM

完整代码：

import pygame
import numpy as np
import time# 定义颜色和细胞大小
COLOR_BG = (10, 10, 10) # 背景，黑色
COLOR_GRID = (40, 40, 40) # 网格，黑灰色
COLOR_DIE_NEXT = (170, 170, 170) # 下一代死亡细胞，灰色
COLOR_ALIVE_NEXT = (255, 255, 255) # 下一代存活细胞，白色
SIZE = 10# 更新细胞状态
def update(screen, cells, size, with_progress=False):'''更新细胞状态screen: pygame.Surface 对象cells: 细胞状态矩阵size: 细胞大小with_progress: 是否显示下一代细胞状态。有时候我们只想（通过鼠标点击）修改当前细胞状态，而不想立即显示下一代细胞状态'''updated_cells = np.zeros_like(cells)# 遍历每一个细胞for row, col in np.ndindex(cells.shape):# 统计周围细胞的存活数量alive = np.sum(cells[row-1:row+2, col-1:col+2]) - cells[row, col]# 设置格子颜色，如果当前细胞处于死亡状态，颜色为背景色；否则为存活细胞颜色color = COLOR_BG if not cells[row, col] else COLOR_ALIVE_NEXT# 如果当前细胞处于存活状态if cells[row, col]:if alive < 2 or alive > 3:if with_progress:color = COLOR_DIE_NEXTelif 2 <= alive <= 3:updated_cells[row, col] = 1if with_progress:color = COLOR_ALIVE_NEXT# 如果当前细胞处于死亡状态else:if alive == 3:updated_cells[row, col] = 1if with_progress:color = COLOR_ALIVE_NEXT# 在屏幕的(row, col)位置绘制细胞。size-1是为了留出边界pygame.draw.rect(screen, color, (col*size, row*size, size-1, size-1))return updated_cellsdef main():pygame.init()screen = pygame.display.set_mode((800, 600))cells = np.zeros((60, 80))screen.fill(COLOR_GRID)update(screen, cells, SIZE)pygame.display.update()ruuning = Falsewhile True:for event in pygame.event.get():if event.type == pygame.QUIT:pygame.quit()returnif event.type == pygame.KEYDOWN:# 空格键控制游戏暂停/继续if event.key == pygame.K_SPACE: ruuning = not ruuningupdate(screen, cells, SIZE)pygame.display.update()# 鼠标左键点击，添加活细胞if pygame.mouse.get_pressed()[0]:x, y = pygame.mouse.get_pos()cells[y//SIZE, x//SIZE] = 1update(screen, cells, SIZE)pygame.display.update()screen.fill(COLOR_GRID)if ruuning:cells = update(screen, cells, SIZE, with_progress=True)pygame.display.update() time.sleep(0.1)if __name__ == '__main__':main()