康威生命游戏是一个久负盛名的数学游戏，有简单的规则和无穷无尽的组合。它不仅看起来非常迷幻，而且极富理性，可能用来模拟物理、化学、生态、社会等等各种现象。在国内外，都有很多小组专门研究这个游戏，并创造出了许多惊为天人的模型。
康威生命游戏是一个久负盛名的数学游戏，有简单的规则和无穷无尽的组合。它不仅看起来非常迷幻，而且极富理性，可能用来模拟物理、化学、生态、社会等等各种现象。在国内外，都有很多小组专门研究这个游戏，并创造出了许多惊为天人的模型。
本课程将使用 pygame 模块来实现这样一个游戏，让你在趣味游戏中提升对 Python 的理解，入门 pygame。
本教程由 Eric_Wenyi 发布在 实验楼，完整教程、代码及在线练习地址：Python 实现康威生命游戏（更多课程请查看全部 - 课程 - 实验楼）
康威生命游戏，又称康威生命棋，是英国数学家约翰·何顿·康威在1970年发明的细胞自动机。
它最初于1970年10月在《科学美国人》杂志上马丁·葛登能的“数学游戏”专栏出现。
生命游戏是一个零玩家游戏。它包括一个二维矩形世界，这个世界中的每个方格居住着一个活着的或死了的细胞。一个细胞在下一个时刻生死取决于相邻八个方格中活着的或死了的细胞的数量。
可以先在下面的地址中玩玩看。（注意这游戏迷幻的很）
规则
每个细胞有两种状态-存活或死亡，每个细胞与以自身为中心的周围八格细胞产生互动。
可能初看觉得这就是个模拟细胞繁衍的东西，规则也很简单，这能有什么意思。
这很有意思。
在游戏的进行中，杂乱无序的细胞会逐渐演化出各种精致、有形的结构；这些结构往往有很好的对称性，而且每一代都在变化形状。一些形状已经锁定，不会逐代变化。有时，一些已经成形的结构会因为一些无序细胞的“入侵”而被破坏。但是形状和秩序经常能从杂乱中产生出来。对于生成的形状和秩序我们称作 pattern。或者在这里，我们也把它称作 creature。
生物图鉴
静物族：面包
震荡族：信号灯
震荡族：脉冲星
宇宙飞船族：LWSS
XXX族：质数计算器
(本图出自 golly 的主页：http://golly.sourceforge.net/ golly 是一个跨平台专门用于探索生命游戏与元胞自动机的开源软件)
趣闻：康威曾经相信没有 pattern 能够生成无限多的活细胞，并悬赏 50刀 奖赏能在 1970 年前找到反例的人。结果就是在生命游戏的世界中出现了很多枪支弹药啦（不懂这个梗的同学可以去看一看http://pmav.eu/stuff/javascript-game-of-life-v3.1.1/ 中间的Gosper Glider Gun）
本课程难度中等，适合具有 Python 基础和 pygame 基础的同学学习。
你可以通过下面命令将代码下载到实验楼环境中，作为参照对比进行学习。
$ wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/769/LifeGame.py
我们会用 pygame 来实现一个生命游戏程序
安装 pygame
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install python-pygame
我们使用矩阵来记录我们的游戏世界，其中单位值为 0 代表细胞死亡。单位值为 1 代表细胞存活。
感谢 The Game of Life in Python 这篇博文，一行代码解决了计算细胞周围活细胞数量的问题。
nbrs_count = sum(np.roll(np.roll(X, i, 0), j, 1)
for i in (-1, 0, 1) for j in (-1, 0, 1)
if (i != 0 or j != 0))
由于我们的游戏世界是上下左右循环的，所以将矩阵往8个方向进行循环移位得到8个新矩阵，将8个新矩阵相加就能够得到每个细胞周围的活细胞数量的矩阵了。
np.roll 操作就是循环移位操作。np.roll(X, i, 0) 中的 X 代表输入矩阵，i 代表移位的大小，0 代表移位的维度，np.roll(X, 1, 0) 代表矩阵下移一格，np.roll(X, 1, 1) 代表右移一格，if (i != 0 or j != 0)) 是为了将原矩阵从计算中去除。
通过活细胞数量矩阵根据更新规则更新我们的世界。因为矩阵单位只有两种状态，这里我们只考虑存活态就可以了。注意到存活的条件：
即细胞周围数量等于3 或者 本单元细胞存活的同时周围有2个存活细胞的时候。本单元细胞将在下一代存活（也可看作繁衍）
翻译过来就是：
(nbrs_count == 3) | (X & (nbrs_count == 2))
注意到这种方法虽然便捷，但显然效率不怎么样。因为这种做法更新了矩阵的每一个单元，这完全没有必要，大部分情况下矩阵都是稀疏的。但如何改进就不在本文的讨论范畴内了。欢迎读者自己尝试提升效率。
我们实现的生命游戏操作如下：
下面是用 pygame 实现的全部代码。
#-*- coding:utf8 -*-
import pygame, sys, time
import numpy as np
from pygame.locals import *
#矩阵宽与矩阵高
WIDTH = 80
HEIGHT = 40
#记录鼠标按键情况的全局变量
pygame.button_down = False
#记录游戏世界的矩阵
pygame.world=np.zeros((HEIGHT,WIDTH))
#创建 Cell 类方便细胞绘制
class Cell(pygame.sprite.Sprite):
size = 10
def __init__(self, position):
pygame.sprite.Sprite.__init__(self)
self.image = pygame.Surface([self.size, self.size])
#填上白色
self.image.fill((255,255,255))
# 创建一个以左上角为锚点的矩形
self.rect = self.image.get_rect()
self.rect.topleft = position
#绘图函数，注意到我们是把画布重置了再遍历整个世界地图，因此有很大的性能提升空间
def draw():
screen.fill((0,0,0))
for sp_col in range(pygame.world.shape[1]):
for sp_row in range(pygame.world.shape[0]):
if pygame.world[sp_row][sp_col]:
new_cell = Cell((sp_col * Cell.size,sp_row * Cell.size))
screen.blit(new_cell.image,new_cell.rect)
#根据细胞更新规则更新地图
def next_generation():
nbrs_count = sum(np.roll(np.roll(pygame.world, i, 0), j, 1)
for i in (-1, 0, 1) for j in (-1, 0, 1)
if (i != 0 or j != 0))
pygame.world = (nbrs_count == 3) | ((pygame.world == 1) & (nbrs_count == 2)).astype('int')
#地图初始化
def init():
pygame.world.fill(0)
draw()
return 'Stop'
#停止时的操作
def stop():
for event in pygame.event.get():
if event.type == QUIT:
pygame.quit()
sys.exit()
if event.type == KEYDOWN and event.key == K_RETURN:
return 'Move'
if event.type == KEYDOWN and event.key == K_r:
return 'Reset'
if event.type == MOUSEBUTTONDOWN:
pygame.button_down = True
pygame.button_type = event.button
if event.type == MOUSEBUTTONUP:
pygame.button_down = False
if pygame.button_down:
mouse_x, mouse_y = pygame.mouse.get_pos()
sp_col = mouse_x / Cell.size;
sp_row = mouse_y / Cell.size;
if pygame.button_type == 1: #鼠标左键
pygame.world[sp_row][sp_col] = 1
elif pygame.button_type == 3: #鼠标右键
pygame.world[sp_row][sp_col] = 0
draw()
return 'Stop'
#计时器，控制帧率
pygame.clock_start = 0
#进行演化时的操作
def move():
for event in pygame.event.get():
if event.type == QUIT:
pygame.quit()
sys.exit()
if event.type == KEYDOWN and event.key == K_SPACE:
return 'Stop'
if event.type == KEYDOWN and event.key == K_r:
return 'Reset'
if event.type == MOUSEBUTTONDOWN:
pygame.button_down = True
pygame.button_type = event.button
if event.type == MOUSEBUTTONUP:
pygame.button_down = False
if pygame.button_down:
mouse_x, mouse_y = pygame.mouse.get_pos()
sp_col = mouse_x / Cell.size;
sp_row = mouse_y / Cell.size;
if pygame.button_type == 1:
pygame.world[sp_row][sp_col] = 1
elif pygame.button_type == 3:
pygame.world[sp_row][sp_col] = 0
draw()
if time.clock() - pygame.clock_start > 0.02:
next_generation()
draw()
pygame.clock_start = time.clock()
return 'Move'
if __name__ == '__main__':
#状态机对应三种状态，初始化，停止，进行
state_actions = {
'Reset': init,
'Stop': stop,
'Move': move
}
state = 'Reset'
pygame.init()
pygame.display.set_caption('Conway\'s Game of Life')
screen = pygame.display.set_mode((WIDTH * Cell.size, HEIGHT * Cell.size))
while True: # 游戏主循环
state = state_actions[state]()
pygame.display.update()
实验本身还是很有难度的，但是做出来的成就感就爆棚了呀。在学习的过程中就是需要一些自己感兴趣的东西来带动我们提升。如果还对游戏类的 Python 项目感兴趣的话，推荐 pygame 开发打飞机游戏 和 200行Python代码实现2048 去深入理解 pygame 模块。
自由地玩耍或者用自己喜欢的语言实现一个生命游戏。
完整教程、代码及在线练习地址：Python 实现康威生命游戏（更多课程请查看全部 - 课程 - 实验楼）