mikulaszelinka/game-of-life

Game of Life

Implementace Conwayovy Hry života v okenní aplikaci. Vývoj generací je zobrazován za sebou ve snímcích jako animace. Program umožňuje:

• Nakreslit počáteční rozložení buněk.
• Nastavit počty sousedů buněk pro přežití a narození nových.
• Změnit rychlost animace na některou z přednastavených hodnot.
• Přiblížit a oddálit herní plochu.
• Uložit a načíst sestavu buněk.

Obsah

• Instalace
• Použití
• Dokumentace
• Návrhy na zlepšení

Instalace

Před spuštěním programu si musíte nainstalovat Python.

Spolu s Pythonem se stáhne program pip, pomocí něj nainstalujte knihovnu Pillow:

1. Otevřete příkazový řádek jako správce.
2. Stáhněte knihovnu příkazem:
   Path\pip install Pillow,
   kde Path je cesta k programu pip na vašem počítači.

Použití

Na operačním systému Windows spusťtě soubor main.pyw. Pokud máte jiný operační systém, spusťte main.py (zobrazí se s konzolí, tu ignorujte).

Otevře se okno programu. V horním panelu jsou k dispozici tlačítka pro minimalizaci, maximalizaci a zavření okna.

Tvorba mřížky

1. Prázdnou mřížku vytvoříte kliknutím na New Board.
2. Držením levého tlačítka myši můžete kreslit buňky. Úpravy lze provádět jen před spuštěním animace nebo po jejím resetování. V pravém menu jsou k dispozici 3 módy:
   • Add - přidat buňku.
   • Remove - odebrat buňku.
   • Toggle - změnit současný stav buňky. Po celou dobu jednoho tahu je nastaven jako Add nebo Remove podle stavu 1. buňky, na kterou bylo kliknuto.
3. Plochu přibližujte a oddalujte pomocí posuvníku Zoom nebo klávesami "+" a "-".
4. Obrazem pohybujte pomocí šipek.
5. Pro uložení použijte tlačítko Save. Zobrazí se dialog, v něm vyberte název souboru a cestu, potvrzením soubor uložte.
6. Načtení provedete kliknutím na Open. V dialogu nalezněte příslušný soubor a potvrďte.

Ve složce examples najdete některé hotové mřížky pro načtení.

Všechny mřížky mají šířku a výšku 1000 - dohromady 1 milion buněk.

Animace

1. Animaci spustíte tlačítkem Play. Text tlačítka se změní na Stop a opětovným kliknutím animaci pozastavíte.
2. Při pozastavené animaci můžete přejít k další generaci tlačítkem Step.
3. Rychlost animace lze upravit posuvníkem Speed.
4. Číslo současné generace je označeno nápisem Gen.
5. Animaci resetujte pomocí tlačítka Reset.

Změna pravidla

Pravidlo hry se zapisuje ve formátu "Bx/Ry", kde x jsou počty sousedů pro narození buňky a y počty sousedů pro přežití. Čísla se v těchto částech nesmí opakovat a nula je zakázána.

Současné pravidlo je označeno nápisem Rule nad herní plochou. Změníte jej následovně:

1. Text kolonky v pravém menu nahraďte novým pravidlem.
2. Nastavení potvrďte tlačítkem Set Rule.

Dokumentace

Detaily najdete v kódu, zde jsou uvedeny pouze nejdůležitější metody a datové struktury.

Použité knihovny

Zejména pro vzhled aplikace byly použity některé knihovny:

• Tkinter - okno programu a jeho komponenty, zpracování událostí od uživatele.
• Pillow - kreslení na obrázek v paměti.
• Time - měření času mezi snímky animace.
• Os - nalezení cesty k adresáři hlavního programu, která se použije jako výchozí při načítání hry ze souboru.
• Sys - předčasné ukončení programu.
• Typing - označení proměnných datovými typy, které nepatří mezi standardní.

Moduly

• gol.py:
  Třídy určené pro výpočet, kreslení a animaci: Board, Rule, Painter, Animator.
• main.py / main.pyw:
  Hlavní program se třídami: FileManager, TkState, Application.

Třída Board

Obsahuje informace o herní ploše (seznam buněk) a stará se o výpočet dalších generací. Umožňuje přidávat a odebírat buňky.

Proměnné:

• current: list
  Mřížka současné generace buněk jako 2D seznam proměnných bool (True = živá buňka, False = mrtvá buňka).
• living: list
  Seznam souřadnic (dvojice celých čísel) živých buněk v seznamu current.

Metody:

• next_gen() → None:
  Spočítá další generaci buněk podle počtu jejich sousedů. Prochází pouze živé buňky a jejich sousedy, protože ostatní buňky zůstanou nezměněné.

Třída Rule

Slouží pro snadnější nastavování pravidel hry (počtů sousedů) pomocí textového řetězce. Uloží si množiny čísel, které se pak mohou předat objektu Board a ten podle nich přizpůsobí výpočet dalších generací.

Proměnné:

• birth_rule: set
  Počty sousedů pro narození nové buňky.
• remain_rule: set
  Počty sousedů pro přežití buňky.

Metody:

• try_set_rule(value: str) → bool:
  Pokusí se nastavit textový řetězec value jako nové pravidlo. Vrací True, pokud je pravidlo správné, jinak False.

Třída Painter

Kreslí herní plochu Board na plátno Canvas.

Proměnné:

• grids: list
  Obrázky s mřížkou (svislými a vodorovnými čárami) pro různé velikosti buněk. Slouží jako pozadí, na které se budou buňky kreslit. Vytváří se v metodě reset, kterou je proto nutné zavolat před jakýmkoliv kreslením. Lze mezi nimi přepínat a tím mřížku „přibližovat / oddalovat“.
• m_cell: Tuple[int, int]
  Souřadnice buňky, která je kreslena doprostřed mřížky. Se změnou těchto souřadnic se bude zobrazovat jiná část herní plochy. Obraz se tak může posouvat nahoru, dolů, anebo do stran.
• canvas_image: int
  Obrázek na plátně Canvas knihovny tkinter (ve skutečnosti jen jeho index). Je natažen na celou velikost plátna, pokud nepřekračuje velikost mřížek. Nakreslení herní plochy je provedeno změnou jeho parametru image.

Metody:

• reset(...,cell_sizes: list,...) → None:
  Vytváří obrázky mřížek pro zadané velikosti buněk.
• draw_board() → None:
  Nakreslí herní plochu v těchto krocích:
  • Ořízne prostřední část mřížky z grids na velikost plátna.
  • Podle souřadnic buňky kreslené doprostřed (m_cell) nakreslí všechny viditelné buňky na oříznutou mřížku.
  • Výsledný obrázek nastaví jako parametr image obrázku canvas_image.

Třída Animator

S využitím objektu typu Painter kreslí generace buněk za sebou jako animaci.

Proměnné:

• time_per_gen: int
  Čas mezi kreslením generací v milisekundách.

Metody:

• play() → None:
  Spustí animaci.
• stop() → None:
  Pozastaví animaci.

Třída FileManager

Statická třída, která načítá a ukládá Board do souboru. Výsledek zobrazuje v okně se zprávou - messagebox.

Třída TkState

Statická třída, která aktivuje a deaktivuje komponenty tkinter (především tlačítka).

Třída Application

Propojuje výpočet a grafické rozhraní programu. Obsahuje komponenty okna a objekty modulu gol.py, se kterými manipuluje podle událostí.

Návrhy na zlepšení

Rychlost

U většího počtu buněk nebo některých pravidel (např. B1/R23) je vidět, že počítání generací je velmi pomalé.

V současné verzi program prochází všechny živé buňky a spočte jejich stav. Výpočet by se dal potenciálně zlepšit:

• Knihovna numpy nabízí datovou strukturu pole, kterým se mohou nahradit seznamy standardního Pythonu.
• Použití bitových operací umožní pracovat s celými řádky najednou. Problém by nastal při kreslení, kdy se v řádcích musí najít živé buňky - bity 1 nebo 0. V nejhorším případě se tak znovu projde celá mřížka.

Paměť

Objekt Painter vytváří obrázek pro každou velikost buňky zvlášť. To je zejména kvůli tomu, aby se mřížky nemusely kreslit v každém snímku. Pro rychlejší kreslení tento problém nenastane a v jednu chvíli by tak mohl existovat pouze 1 obrázek.

S využitím bitových operací (viz Rychlost) se značně ušetří na paměti. Každá buňka se uloží jako 1 bit a seznam živých buněk se vůbec nepoužije.

Ostatní

• Přesunutí na konrétní pozici v mřížce pomocí kolonky a tlačítka.
• Kreslení buněk i po spuštění animace.
• Změna barvy pozadí, buněk, atd.