Python之深入決議如何使用Python Kivy實作一個“乒乓球”游戲-有解無憂

一、前言

本文是基于 Kivy 開源跨平臺的 Python 框架上創作的，Kivy 開源跨平臺的 Python 框架能用于開發多點觸控的用戶界面程式，允許快速簡單的互動設計，非常方便，
那么，如何使用 Kivy 撰寫一款乒乓球游戲呢？我們將從一個基本的應用程式開始，描述創建這個游戲的每個步驟，
Kivy 是用 Python 和 Cython 撰寫的，基于 OpenGL ES 2，支持各種輸入設備并擁有豐富的部件庫，使用相同的代碼，可直接實作多平臺應用，包括 Windows、macOS、Linux、Android 和 iOS，
所有 Kivy 部件都支持多點觸控，
實作效果，一睹為快：

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二、準備

① Python 安裝

在 windows 上安裝 Python：
- 下載 Python 的最新版本：訪問鏈接 Python 官網，在 Windows 作業系統上安裝 Python 3.10.0，大家也可以自行選擇最新版的下載，

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- 進入下一個頁面后，拉到最下面，選擇 Windows embeddable package (64-bit) 下載：

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- 雙擊下載完成的應用程式，記得一定要勾選 ADD Python 3.7 to PATH，否則 cmd 無法運行 Python，然后選擇 Install Now 進行安裝，默認會安裝 pip，而且將安裝到 C 盤（推薦），如果希望換一個盤安裝，可以點擊 Customize installation 在里面選擇其他的盤，
在 macOS 上安裝 Python：
- 其實 macOS 上是默認安裝了 Python 的，只不過版本是 Python2.7，其相對于現在的 Python 3 缺少了很多特性，而且速度也比 Python 3 慢，因此還是建議大家裝 Python 3，
- 同樣地，下載 Python 的最新版本，訪問鏈接：Python 官網，在 macOS 作業系統上安裝 Python 3.7.4，大家也可以自行選擇最新版的下載，

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- 進入下一個頁面后，拉到最下面，選擇 macOS 64-bit universal2 installer 下載：

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- 下載完成后得到一個 pkg 檔案，雙擊打開，按照指示步驟進行安裝即可，

② 安裝依賴

請選擇以下任一種方式輸入命令安裝依賴：
- Windows 環境打開 Cmd (開始-運行-CMD)；
- MacOS 環境打開 Terminal (command + 空格輸入 Terminal)；
- 如果用的是 VSCode 編輯器或 Pycharm，可以直接使用界面下方的 Terminal：

pip install kivy[base] kivy_examples

三、簡單使用 Kivy

首先，簡單介紹 Kivy 的基本使用，為游戲創建一個目錄和一個名為 main.py 的檔案：

# main.py
from kivy.app import App
from kivy.uix.widget import Widget


class PongGame(Widget):
    pass


class PongApp(App):
    def build(self):
        return PongGame()


if __name__ == '__main__':
    PongApp().run()

在命令列中輸入 python main.py 運行該應用程式，它應該只顯示一個黑色的視窗，因此我們所做的只是創建一個非常簡單的 Kivy 應用程式，它創建了一個 PongGame Widget 類的實體，并將其作為應用程式用戶界面的根元素回傳，
在這一點上應該把它想象成一個 Widget 的分層樹，Kivy 將這個 Widget 放在默認的視窗中，在下一步，我們將通過定義 PongGame 小部件的外觀來繪制 Pong 的背景和游戲分數，

四、Kivy - 添加簡單圖形

我們將使用一個 .kv 檔案來定義 PongGame 類的外觀，由于應用程式類被稱為 PongApp，可以簡單地在同一目錄下創建一個名為 pong.kv 的檔案，當應用程式運行時將會自動加載，
因此，為了定義游戲的外觀，創建一個名為 pong.kv 的新檔案并添加以下內容：

#:kivy 1.0.9

<PongGame>: 
    canvas:
        Rectangle:
            pos: self.center_x - 5, 0
            size: 10, self.height
            
    Label:
        font_size: 70 
        center_x: root.width / 4
        top: root.top - 50
        text: "0"
        
    Label:
        font_size: 70 
        center_x: root.width * 3 / 4
        top: root.top - 50
        text: "0"

注意一個常見錯誤：kv檔案的名稱，例如 pong.kv，必須與應用程式的名稱一致，例如 PongApp（Ap p結尾之前的部分），
如果現在運行這個應用程式，應該看到中間有一個豎條，還有兩個零，那里將顯示玩家的分數，如下所示：

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可以看到，在第一行有：

#:kivy 1.0.9

每個 kv 檔案都需要第一行，它應該以 #:kivy 及一個空格開頭，然后是它要使用的 Kivy 版本（因此 Kivy 可以確保您至少擁有所需的版本，或者稍后處理向后兼容性），
再往下看 kv 檔案里定義了三個元素，一個 canvas 和兩個 label：
- 先說說兩個 label，它們代表的是左右兩個數字，設定了 font_size（字體大小）， center_x（中心位置）， top（離頂部距離），text（文本），此外可以看到 root.width 和 root.top 的使用，這樣寫的好處是能跟跟隨視窗寬度和高度的變化而變化，
- 另一個元素 canvas，它的下面定義了 Rectangle 引數，意思是向畫布添加一個矩形，將矩形的 pos 設定為小部件水平中心左側 5 個像素，y 設定為 0，這就定義了矩形的顯示位置，
矩形的大小 size 設定為寬度為 10 像素，高度為小部件的高度，像這樣定義圖形的好處是，當值運算式中使用的任何小部件的屬性發生變化時，渲染的矩形將自動更新，

五、Kivy - 增加乒乓球球體

現在有了一個基本的乒乓球場（雖然很簡陋），但我們仍然需要球拍和一個球來打球，從球開始，添加一個新的 PongBall 類來創建一個小部件，它將成為我們的球并使它彈跳起來，
PongBall 類：

class PongBall(Widget):

    # velocity of the ball on x and y axis
    velocity_x = NumericProperty(0)
    velocity_y = NumericProperty(0)

    # referencelist property so we can use ball.velocity as
    # a shorthand, just like e.g. w.pos for w.x and w.y
    velocity = ReferenceListProperty(velocity_x, velocity_y)

    # ``move`` function will move the ball one step. This
    # will be called in equal intervals to animate the ball
    def move(self):
        self.pos = Vector(*self.velocity) + self.pos

白球的 kv 配置如下：

<PongBall>:
    size: 50, 50
    canvas:
        Ellipse:
            pos: self.pos
            size: self.size

為了使這一切順利進行，還必須為球體增加所用的 Property 屬性類，如下，是這一步更新后的 python 代碼和 kv 檔案：

from kivy.app import App
from kivy.uix.widget import Widget
from kivy.properties import NumericProperty, ReferenceListProperty
from kivy.vector import Vector


class PongBall(Widget):
    velocity_x = NumericProperty(0)
    velocity_y = NumericProperty(0)
    velocity = ReferenceListProperty(velocity_x, velocity_y)

    def move(self):
        self.pos = Vector(*self.velocity) + self.pos


class PongGame(Widget):
    pass


class PongApp(App):
    def build(self):
        return PongGame()


if __name__ == '__main__':
    PongApp().run()

kv 檔案如下：

#:kivy 1.0.9

<PongBall>:
    size: 50, 50 
    canvas:
        Ellipse:
            pos: self.pos
            size: self.size 

<PongGame>:
    canvas:
        Rectangle:
            pos: self.center_x - 5, 0
            size: 10, self.height
    
    Label:
        font_size: 70 
        center_x: root.width / 4
        top: root.top - 50
        text: "0"
        
    Label:
        font_size: 70 
        center_x: root.width * 3 / 4
        top: root.top - 50
        text: "0"
    
    PongBall:
        center: self.parent.center

六、Kivy - 增加乒乓球體運動

現在我們的目的是讓這個球動起來，因此必須定期呼叫 move 函式讓它動起來，使用 Kivy 提供的 Clock 函式可以輕易地做到這一點：

Clock.schedule_interval(game.update, 1.0/60.0)

這一行將導致游戲物件的更新函式每秒被呼叫 60 次，
不過還有一個問題，想確保 PongBall 的移動函式被定期呼叫，但是在代碼中沒有任何對球物件的參考，因為只是通過 kv 檔案在 PongGame 類的 kv 規則中添加了它，
由于要做的不僅僅是移動球（比如把球從墻上彈下來，然后再彈到球員的球拍上），我們可能需要為 PongGame 類建立一個更新方法：

class PongGame(Widget):

    def update(self, dt):
        # call ball.move and other stuff
        pass

class PongApp(App):

    def build(self):
        game = PongGame()
        Clock.schedule_interval(game.update, 1.0/60.0)
        return game

然而，這仍然不能改變我們沒有對 kv 規則所創建的 PongBall 進行操作的這一事實，為了解決這個問題，可以給 PongGame 類添加一個 ObjectProperty，并將其與 kv 規則中創建的 widget 掛鉤，
一旦這樣做了，就可以很容易地在更新方法中參考球的屬性，甚至可以讓它從邊緣彈起：

class PongGame(Widget):
    ball = ObjectProperty(None)

    def update(self, dt):
        self.ball.move()

        # bounce off top and bottom
        if (self.ball.y < 0) or (self.ball.top > self.height):
            self.ball.velocity_y *= -1

        # bounce off left and right
        if (self.ball.x < 0) or (self.ball.right > self.width):
            self.ball.velocity_x *= -1

在 kv 檔案中將其與代碼中設定的 id: ball 映射起來：

<PongGame>:
    ball: pong_ball

    # ... (canvas and Labels)

    PongBall:
        id: pong_ball
        center: self.parent.center

七、Kivy - 球拍移動事件

現在，球正在彈來彈去，唯一缺少的是可移動的球拍和對分數的跟蹤，這里不會再去討論創建類和 kv 規則的所有細節，因為這些概念已經在前面的步驟中涵蓋了，
相反，把重點放在如何回應用戶的輸入而移動球拍上，在 Kivy 中，小部件可以通過實作 on_touch_down、on_touch_move 和 on_touch_up 方法對輸入做出反應，默認情況下，Widget 類實作這些方法時，只是在其子部件上呼叫相應的方法來傳遞事件，直到其中一個子部件回傳 True，
乒乓運動是非常簡單的，球拍只需要向上和向下移動，事實上，它是如此簡單，甚至不需要讓球員小部件自己處理事件，只需為 PongGame 類實作 on_touch_move 函式：

def on_touch_move(self, touch):
    if touch.x < self.width/3:
        self.player1.center_y = touch.y
    if touch.x > self.width - self.width/3:
        self.player2.center_y = touch.y

我們將在 NumericProperty 中保留每個球員的分數，PongGame 的分數標簽通過改變 NumericProperty score 來保持更新，這反過來又會更新 PongGame 的子標簽文本屬性，
這是如何實作的？因為 Kivy 屬性會自動系結到其對應的kv檔案中的任何參考，當球從兩側逃出時，我們將通過 PongGame 類中的更新方法來更新分數并再次發球，
PongPaddle 類也實作了一個 bounce_ball 方法，這樣球就會根據它擊中球拍的位置而產生不同方向的彈跳，非常有意思，下面是 PongPaddle 類的代碼：

class PongPaddle(Widget):

    score = NumericProperty(0)

    def bounce_ball(self, ball):
        if self.collide_widget(ball):
            speedup = 1.1
            offset = 0.02 * Vector(0, ball.center_y-self.center_y)
            ball.velocity = speedup * (offset - ball.velocity)

結果如下：

在這里插入圖片描述

到這一步，基本就完成了整個乒乓球游戲的制作，如何，你心動了嗎？

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