换个思路挑战“小恐龙”游戏

    谢作如　林淼焱

    

    

    

    很多人都知道，Chrome浏览器在出现无网络连接时会提供一个恐龙小游戏，帮我们缓解一下情绪。只要按下空格键，这只小恐龙就会动起来，开始在沙漠中狂奔，然后会有仙人掌、飞鸟等源源不断地迎面而来，玩家需要操控小恐龙跳跃到空中，以躲避这些障碍物（如图1）。在浏览器地址栏输入chrome：//dino/，联网状态下也可以玩这个游戏。

    因为受网络控制，学生在机房会经常看到这个页面，也会经常玩这个游戏。这给我们一个灵感：为什么不让学生试试用Python代码编写一个自动玩游戏的脚本，然后比赛谁写的代码效果好呢？这可是一个有挑战性的任务。

    ● 解决方案分析

    能不能用Python脚本自动“玩”这个浏览器游戏？答案不言而喻，借助Python强大的第三方库，不仅可以对障碍物进行识别，还能模拟键盘输入，让小恐龙跳起来，达到我们想要的自动玩游戏的效果。

    用流程图的形式来描述玩小恐龙游戏的过程，只有两个核心的工作流程，即判断前方是否有障碍和按下空格躲避障碍，用流程图来描述，如图下页2所示。

    接下来，分析这个游戏的玩法，要想实现自动“玩”，我们需要解决三个问题：①如何获得当前的障碍物信息？②如何模拟按键让小恐龙跳起来？③如何在适当的时间跳起来？

    问题②是最容易解决的。Python有很多库可以模拟键盘，如在Windows系统下，常用的是调用win32api库，非Windows系统的计算机可以用pykeyboard。但是考虑到判断障碍物需要用到截图，而截图方面比较好用的库是pyautogui，因此选择用pyautogui的typewrite方法。代码如下：

    pyautogui.typewrite（message='? '）

    引号中的字符就是要模拟的按键，如果是空格，那么就在引号中放一个空格。也可以用“pyautogui.press（"space"）”的形式，“space”表示空格键。

    所以，这个工作流程中的核心算法，是问题①和③，即判断障碍物信息，并在合适时间跳起来。

    ● 核心算法的解决

    观察游戏界面可以知道，如果小恐龙“眼前”的区域都是白色，那么说明没有障碍物，如果出现了其他颜色，说明障碍物来了，如图3中框选区域所示。要想让计算机自动判断是否有障碍物，可以用定时截图的方式，然后不断“识别”框中区域的颜色，再根据识别结果来确定是否按下空格键。具体实现方法如下。

    1.截图并且识别障碍物

    通过pyautogui库完成屏幕截图后，再借助PIL库，来识别目标区域的颜色。为了加快判断的速度，我们可以继续裁剪图像，裁去场景中的云朵、地面等干扰物，仅剩下框中的内容。

    识别图片的颜色，大家想到的方法可能是读取图片中每个像素点的数据，将其相加并求出平均数，如果这个数字小于255，说明图片不是纯白色，包含黑色的障碍物。其实还有一种更简单的方法，即利用PIL库中的getcolors方法，统计整张图片中所有像素点的颜色及其数量。

    对于Python来说，要想提高执行代码的效率，应该尽可能调用库中的方法。getcolors方法会返回一个列表，如[（（颜色1像素点的数量），（颜色1RGB值））]。图4中的案例结果就代表图片中共有68751个白色像素点、3011个绿色像素点、1958个红色像素点、2522个蓝色像素点。

    有了这个方法，判断颜色就非常简单了。用getcolors方法返回顏色的列表，再用len（）函数就能得到图片中所有颜色的种类数。没有障碍物时，颜色是1，即只有白色，大于1就说明有障碍物了。参考代码如下页图5所示。

    2.选择适当的跳跃时机

    当小恐龙“眼前”不止一种颜色时，说明障碍物已经接近，需要让小恐龙及时跳跃，进行躲避。

    一般来说，用下页图6这样的语句就能让小恐龙跳过很多障碍物，并且得到很高的分数了。但是，当速度越来越快的时候，是不是还要继续判断列表中的白色数量？因为白色的数量越小，说明障碍物已经完全进入了区域。或者是否要多划分几个区域，然后得到障碍物离小恐龙的位置？这就要不断调试，找到最适合的时机。

    ● 代码实现和测试

    将上述代码合并在一起，添加循环，使得程序能够不断进行判断，这个能够自动控制小恐龙的“外挂”代码就写好了。参考代码如下页图7所示。

    因为不同的计算机显示屏的大小也是不一样的，我们要根据分辨率微调截图参数，以达到最好的效果。为了更好地确定位置，可以用PIL库的ImageDraw模块来画出区域，代码如图8所示。

    经过测试，我们这段简单的代码居然可以拿到高于1000的分数。这是我们平时根本没办法达到的分数。当看到小恐龙在屏幕上不断自动跳跃，一种特别的满足感会油然而生。

    ● 算法的优化

    当达到一定分数后，这个小游戏的场景会在黑夜与白天之间切换，且障碍物移动速度增加，大大增加了游戏的难度。上述代码最高能够到达1500分左右，由于障碍物的提速，会让小恐龙在落地前就撞上下一个障碍物，想要继续提高分数，就需要继续优化代码。比如，①让小恐龙看得更远：随着分数的增加，不断扩大截取图片的范围，直到这个范围增加到屏幕右端为止。②提前预判起跳时间：在图片的中间和右端各截取一张图片，根据障碍物的通过时间，计算其速度，列出算式，求得障碍物到达小恐龙前方的时间，小恐龙在等待相应的延时后，精准起跳。Pyautogui库中还有keyDown和keyUp的控制键盘方法，可以实现短按和长按的效果。

    ● 总结

    《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》在必修模块1中提到，要让学生“通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法效率，掌握程序调试与运行的方法”，而控制游戏这种有趣的案例，既源于生活又具有不断优化的特点，寓教于乐，很适合作为教学的拓展案例，让学生在探索过程中提高编程能力。此外，这种“自动化”的思想，能够引发学生对人工智能的学习兴趣，值得在教学中推广。