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.

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

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 (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.

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).

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?

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

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.

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 — 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.

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.

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

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.

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.

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:

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 — 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.

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.

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.

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.

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).