【AI + pygame】pygameで作るインベーダー風ゲーム 第1回 改造編その1(壁を作る)

最終更新:2019年04月22日 公開:2019年04月15日

(2019年4月22日更新)

お久しぶりです。エンジニアのMです。
今回はPython用ゲームライブラリ「pygame」を使ったインベーダー風ゲームを題材として、連載していきたいと思います。
第1回でいきなり改造編から始まるのは、「Pythonでゲーム作りますが何か? – 人工知能に関する断創録」という記事で公開されているインベーダー風ゲームをベースとして進めていくためです。
10年以上前の記事ですが、情報が豊富でpygameの勉強にもってこいです。
基礎の部分はこちらにお任せすることにしますので、先に目を通しておくことをおすすめします。

この連載ではゲーム内容の細かい改造を重ねていき、最終回はこのゲームに対する強化学習(deep Q-network)を予定しています。
今この記事を書いている裏でも、強化学習は進行中です。
ATARIのゲームを攻略して、強化学習の新たな可能性を拓いた「deep Q-network」。
果たしてAIは無事にこのゲームも攻略できるのでしょうか?

それでは早速ゲームを改造していきましょう。
ベースは、「ゲームオーバー画面 – 人工知能に関する断創録」のコードとなりますので、必要であればリンク先の「invader07.zip」をダウンロードしてください。
また、改造後のコードと画像データは、こちらからダウンロードできます。
-> pygame_invader_1.zip

以降のコードの動作確認はWindows版「PyCharm」上で行っています。
「PyCharm」はPythonの統合開発環境(IDE)です。「Community Edition」は無料で使用することができます。

  • Windows10 64bit
  • PyCharm 2017.3.3 (Community Edition)
  • Python 3.6.2
  • pygame 1.9.4

GUI環境のあるMac、Linuxでも動作するはずです。
環境構築についてはこの記事で解説しませんので、インターネット上の情報(Qiitaの記事など)を駆使して行ってください。

Python2.xで書かれたコードを3.x仕様に

最近はQiitaの記事でも、「Python2.x」仕様のコードはほとんど見なくなりました。
まずは10年前の「Python2.x」用コードを「Python3.x」用に修正しましょう。

修正点は以下の通りです。漏れなく修正しましょう。

print文を関数に + try,except文の修正

except pygame.error, message:
    print "Cannot load image:", filename
    raise SystemExit, message

except pygame.error as message:
    print("Cannot load image:", filename)
    raise SystemExit(message)

文字列のUnicode指定は不要

pygame.display.set_caption(u"Invader 07 ゲームオーバー画面")

pygame.display.set_caption("Invader 07 ゲームオーバー画面")

「u」があっても動作しますが、他の修正ついでに消してしまいましょう。

演算子「/」を「//」に変更

y = 20 + (i / 10) * 40

y = 20 + (i // 10) * 40

そのままでも動いてしまうので見落としがちですが、2.x系と3.x系で挙動が違うので移植に際しては注意が必要です。

3 /  2 = 1    # Python 2.x
3 /  2 = 1.5  # Python 3.x

3 // 2 = 1    # Python 3.x

2.x系では、整数値同士の除算で小数点以下切り捨てとなります。
3.x系で同じ計算をすると、小数点以下まで計算されます。
3.x系で切り捨てた結果を得たい場合は、演算子「//」を使う必要があります。

弾から自機を守る壁を作る

移植作業も済んだので、ゲームの改造に取り掛かりましょう。

今のままでは自機が隠れる場所が無いので、弾を防ぐ壁を用意します。
「スペースインベーダー」では、あの壁のことを「トーチカ」と呼ぶそうです。

壁のクラスを作る

他のクラスからコピーして修正します。
壁へのダメージ判定や破壊判定は別で行いますので、このクラス自体は非常にシンプルです。
update の記述は無くても問題ないですが、敢えて何もしないことを明示しておきます。

class Wall(pygame.sprite.Sprite):
    """ミサイル・ビームを防ぐ壁"""
    shield = 100  # 耐久力

    def __init__(self, pos):
        # imagesとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos

    def update(self):
        pass

画像の読み込み

忘れずに画像も登録しておきます。

class Invader:
    def load_images(self):
        """イメージのロード"""
        # スプライトの画像を登録
        Player.image = load_image("player.png")
        Shot.image = load_image("shot.png")
        Alien.images = split_image(load_image("alien.png"), 2)
        Beam.image = load_image("beam.png")
        Wall.image = load_image("wall.png")
        Explosion.images = split_image(load_image("explosion.png"), 16)

スプライトの登録

エイリアンと同様にして、壁を登録・作成します。

class Invader:
    def init_game(self):
        """ゲームオブジェクトを初期化"""
        # ゲーム状態
        self.game_state = START
        # スプライトグループを作成して登録
        self.all = pygame.sprite.RenderUpdates()
        self.aliens = pygame.sprite.Group()  # エイリアングループ
        self.shots = pygame.sprite.Group()   # ミサイルグループ
        self.beams = pygame.sprite.Group()   # ビームグループ
        self.walls = pygame.sprite.Group()  # 壁グループ
        # デフォルトスプライトグループを登録
        Player.containers = self.all
        Shot.containers = self.all, self.shots
        Alien.containers = self.all, self.aliens
        Beam.containers = self.all, self.beams
        Wall.containers = self.all, self.walls
        Explosion.containers = self.all
        # 自機を作成
        self.player = Player()
        # エイリアンを作成
        for i in range(0, 50):
            x = 20 + (i % 10) * 40
            y = 20 + (i // 10) * 40
            Alien((x,y))
        # 壁を作成
        for i in range(4):
            x = 95 + i * 150
            y = 400
            Wall((x, y))

残りの耐久値を描画する

見た目は少し不格好ですが、壁に耐久値を表示するようにしましょう。
文字の描画サイズを取得して、ちょうど壁の中央に描画されるように調整しています。

class Invader:
    def draw(self, screen):
        """描画"""
        # 中略
        elif self.game_state == PLAY:  # ゲームプレイ画面
            self.all.draw(screen)
            shield_font = pygame.font.SysFont(None, 30)
            for wall in self.walls:
                shield = shield_font.render(str(wall.shield), False, (0,0,0))
                text_size = shield_font.size(str(wall.shield))
                screen.blit(shield, (wall.rect.center[0]-text_size[0]//2,
                                     wall.rect.center[1]-text_size[1]//2))
    # 略

壁との衝突判定を実装する

sprite.groupcollide の返り値は辞書型です。
壁とミサイル、ビームの衝突判定を一旦 hit_dict にまとめて、一括で処理します。
(ミサイル=プレイヤーの撃った弾(shots)、ビーム=エイリアンの撃った弾(beams))
groupcollide の引数で与えている真偽値は消去判定です。
shots,beams は無条件で消滅するので True を指定し、walls は条件付きで消滅するのでここでは False を指定します。

稀なケースですが、全く同じタイミングで1つの壁に複数のビームが当たった場合も想定しています。
各オブジェクトの耐久値が「0」以下になったら、kill で消去します。

class Invader:
    def collision_detection(self):
        """衝突判定"""
        # 中略
        # 壁とミサイル、ビームの衝突判定
        hit_dict = pygame.sprite.groupcollide(self.walls, self.shots, False, True)
        hit_dict.update(pygame.sprite.groupcollide(self.walls, self.beams, False, True))
        for hit_wall in hit_dict:
            hit_wall.shield -= len(hit_dict[hit_wall])
            if hit_wall.shield <= 0:
                hit_wall.kill()

まとめ

以上で、インベーダー風ゲームに壁が実装されました。
「pygame」の機能を利用すると、簡単にオブジェクトを追加・生成できることがわかります。
次回も色々改造して、「pygame」についての理解を深めていきましょう。

また、Python 2.x から Python 3.x への移植も行いました。
今後移植せざるを得ない状況というのは滅多にないと思いますが、豆知識程度に覚えておくとどこかで役に立つかもしれません。

今回のデータはこちらから(再掲) -> pygame_invader_1.zip

コード全体は以下をクリックすると表示されます。

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import pygame
from pygame.locals import *
import os
import random
import sys

START, PLAY, GAMEOVER = (0, 1, 2)  # ゲーム状態
SCR_RECT = Rect(0, 0, 640, 480)

class Invader:
    def __init__(self):
        pygame.init()
        screen = pygame.display.set_mode(SCR_RECT.size)
        pygame.display.set_caption("Invader Part1")
        # 素材のロード
        self.load_images()
        self.load_sounds()
        # ゲームオブジェクトを初期化
        self.init_game()
        # メインループ開始
        clock = pygame.time.Clock()
        while True:
            clock.tick(60)
            self.update()
            self.draw(screen)
            pygame.display.update()
            self.key_handler()

    def init_game(self):
        """ゲームオブジェクトを初期化"""
        # ゲーム状態
        self.game_state = START
        # スプライトグループを作成して登録
        self.all = pygame.sprite.RenderUpdates()
        self.aliens = pygame.sprite.Group()  # エイリアングループ
        self.shots = pygame.sprite.Group()   # ミサイルグループ
        self.beams = pygame.sprite.Group()   # ビームグループ
        self.walls = pygame.sprite.Group()  # 壁グループ
        # デフォルトスプライトグループを登録
        Player.containers = self.all
        Shot.containers = self.all, self.shots
        Alien.containers = self.all, self.aliens
        Beam.containers = self.all, self.beams
        Wall.containers = self.all, self.walls
        Explosion.containers = self.all
        # 自機を作成
        self.player = Player()
        # エイリアンを作成
        for i in range(0, 50):
            x = 20 + (i % 10) * 40
            y = 20 + (i // 10) * 40
            Alien((x,y))
        # 壁を作成
        for i in range(4):
            x = 95 + i * 150
            y = 400
            Wall((x, y))

    def update(self):
        """ゲーム状態の更新"""
        if self.game_state == PLAY:
            self.all.update()
            # 衝突判定
            self.collision_detection()
            # エイリアンをすべて倒したらゲームオーバー
            if len(self.aliens.sprites()) == 0:
                self.game_state = GAMEOVER

    def draw(self, screen):
        """描画"""
        screen.fill((0, 0, 0))
        if self.game_state == START:  # スタート画面
            # タイトルを描画
            title_font = pygame.font.SysFont(None, 80)
            title = title_font.render("INVADER GAME", False, (255,0,0))
            screen.blit(title, ((SCR_RECT.width-title.get_width())//2, 100))
            # エイリアンを描画
            alien_image = Alien.images[0]
            screen.blit(alien_image, ((SCR_RECT.width-alien_image.get_width())//2, 200))
            # PUSH STARTを描画
            push_font = pygame.font.SysFont(None, 40)
            push_space = push_font.render("PUSH SPACE KEY", False, (255,255,255))
            screen.blit(push_space, ((SCR_RECT.width-push_space.get_width())//2, 300))
            # クレジットを描画
            credit_font = pygame.font.SysFont(None, 20)
            credit = credit_font.render("2019 http://pygame.skr.jp", False, (255,255,255))
            screen.blit(credit, ((SCR_RECT.width-credit.get_width())//2, 380))
        elif self.game_state == PLAY:  # ゲームプレイ画面
            self.all.draw(screen)
            shield_font = pygame.font.SysFont(None, 30)
            for wall in self.walls:
                shield = shield_font.render(str(wall.shield), False, (0,0,0))
                text_size = shield_font.size(str(wall.shield))
                screen.blit(shield, (wall.rect.center[0]-text_size[0]//2,
                                     wall.rect.center[1]-text_size[1]//2))
        elif self.game_state == GAMEOVER:  # ゲームオーバー画面
            # GAME OVERを描画
            gameover_font = pygame.font.SysFont(None, 80)
            gameover = gameover_font.render("GAME OVER", False, (255,0,0))
            screen.blit(gameover, ((SCR_RECT.width-gameover.get_width())//2, 100))
            # エイリアンを描画
            alien_image = Alien.images[0]
            screen.blit(alien_image, ((SCR_RECT.width-alien_image.get_width())//2, 200))
            # PUSH STARTを描画
            push_font = pygame.font.SysFont(None, 40)
            push_space = push_font.render("PUSH SPACE KEY", False, (255,255,255))
            screen.blit(push_space, ((SCR_RECT.width-push_space.get_width())//2, 300))

    def key_handler(self):
        """キーハンドラー"""
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == QUIT:
                pygame.quit()
                sys.exit()
            elif event.type == KEYDOWN and event.key == K_ESCAPE:
                pygame.quit()
                sys.exit()
            elif event.type == KEYDOWN and event.key == K_SPACE:
                if self.game_state == START:  # スタート画面でスペースを押したとき
                    self.game_state = PLAY
                elif self.game_state == GAMEOVER:  # ゲームオーバー画面でスペースを押したとき
                    self.init_game()  # ゲームを初期化して再開
                    self.game_state = PLAY

    def collision_detection(self):
        """衝突判定"""
        # エイリアンとミサイルの衝突判定
        alien_collided = pygame.sprite.groupcollide(self.aliens, self.shots, True, True)
        for alien in alien_collided.keys():
            Alien.kill_sound.play()
            Explosion(alien.rect.center)  # エイリアンの中心で爆発
        # プレイヤーとビームの衝突判定
        beam_collided = pygame.sprite.spritecollide(self.player, self.beams, True)
        if beam_collided:  # プレイヤーと衝突したビームがあれば
            Player.bomb_sound.play()
            self.game_state = GAMEOVER  # ゲームオーバー!
        # 壁とミサイル、ビームの衝突判定
        hit_dict = pygame.sprite.groupcollide(self.walls, self.shots, False, True)
        hit_dict.update(pygame.sprite.groupcollide(self.walls, self.beams, False, True))
        for hit_wall in hit_dict:
            hit_wall.shield -= len(hit_dict[hit_wall])
            if hit_wall.shield <= 0:
                hit_wall.kill()

    def load_images(self):
        """イメージのロード"""
        # スプライトの画像を登録
        Player.image = load_image("player.png")
        Shot.image = load_image("shot.png")
        Alien.images = split_image(load_image("alien.png"), 2)
        Beam.image = load_image("beam.png")
        Wall.image = load_image("wall.png")
        Explosion.images = split_image(load_image("explosion.png"), 16)

    def load_sounds(self):
        """サウンドのロード"""
        Alien.kill_sound = load_sound("kill.wav")
        Player.shot_sound = load_sound("shot.wav")
        Player.bomb_sound = load_sound("bomb.wav")


class Player(pygame.sprite.Sprite):
    """自機"""
    speed = 5  # 移動速度
    reload_time = 15  # リロード時間
    def __init__(self):
        # imageとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.bottom = SCR_RECT.bottom  # プレイヤーが画面の一番下
        self.reload_timer = 0
    def update(self):
        # 押されているキーをチェック
        pressed_keys = pygame.key.get_pressed()
        # 押されているキーに応じてプレイヤーを移動
        if pressed_keys[K_LEFT]:
            self.rect.move_ip(-self.speed, 0)
        elif pressed_keys[K_RIGHT]:
            self.rect.move_ip(self.speed, 0)
        self.rect.clamp_ip(SCR_RECT)
        # ミサイルの発射
        if pressed_keys[K_SPACE]:
            # リロード時間が0になるまで再発射できない
            if self.reload_timer > 0:
                # リロード中
                self.reload_timer -= 1
            else:
                # 発射!!!
                Player.shot_sound.play()
                Shot(self.rect.center)  # 作成すると同時にallに追加される
                self.reload_timer = self.reload_time


class Alien(pygame.sprite.Sprite):
    """エイリアン"""
    speed = 2  # 移動速度
    animcycle = 18  # アニメーション速度
    frame = 0
    move_width = 230  # 横方向の移動範囲
    prob_beam = 0.005  # ビームを発射する確率
    def __init__(self, pos):
        # imagesとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.image = self.images[0]
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos
        self.left = pos[0]  # 移動できる左端
        self.right = self.left + self.move_width  # 移動できる右端
    def update(self):
        # 横方向への移動
        self.rect.move_ip(self.speed, 0)
        if self.rect.center[0] < self.left or self.rect.center[0] > self.right:
            self.speed = -self.speed
        # ビームを発射
        if random.random() < self.prob_beam:
            Beam(self.rect.center)
        # キャラクターアニメーション
        self.frame += 1
        self.image = self.images[self.frame//self.animcycle%2]


class Shot(pygame.sprite.Sprite):
    """プレイヤーが発射するミサイル"""
    speed = 9  # 移動速度
    def __init__(self, pos):
        # imageとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos  # 中心座標をposに
    def update(self):
        self.rect.move_ip(0, -self.speed)  # 上へ移動
        if self.rect.top < 0:  # 上端に達したら除去
            self.kill()


class Beam(pygame.sprite.Sprite):
    """エイリアンが発射するビーム"""
    speed = 5  # 移動速度
    def __init__(self, pos):
        # imagesとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos
    def update(self):
        self.rect.move_ip(0, self.speed)  # 下へ移動
        if self.rect.bottom > SCR_RECT.height:  # 下端に達したら除去
            self.kill()


class Explosion(pygame.sprite.Sprite):
    """爆発エフェクト"""
    animcycle = 2  # アニメーション速度
    frame = 0

    def __init__(self, pos):
        # imagesとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.image = self.images[0]
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos
        self.max_frame = len(self.images) * self.animcycle  # 消滅するフレーム

    def update(self):
        # キャラクターアニメーション
        self.image = self.images[self.frame//self.animcycle]
        self.frame += 1
        if self.frame == self.max_frame:
            self.kill()  # 消滅


class Wall(pygame.sprite.Sprite):
    """ミサイル・ビームを防ぐ壁"""
    shield = 100  # 耐久力

    def __init__(self, pos):
        # imagesとcontainersはmain()でセット
        pygame.sprite.Sprite.__init__(self, self.containers)
        self.rect = self.image.get_rect()
        self.rect.center = pos

    def update(self):
        pass


def load_image(filename, colorkey=None):
    """画像をロードして画像と矩形を返す"""
    filename = os.path.join("data", filename)
    try:
        image = pygame.image.load(filename)
    except pygame.error as message:
        print("Cannot load image:", filename)
        raise SystemExit(message)
    image = image.convert()
    if colorkey is not None:
        if colorkey is -1:
            colorkey = image.get_at((0,0))
        image.set_colorkey(colorkey, RLEACCEL)
    return image


def split_image(image, n):
    """横に長いイメージを同じ大きさのn枚のイメージに分割
    分割したイメージを格納したリストを返す"""
    image_list = []
    w = image.get_width()
    h = image.get_height()
    w1 = w // n
    for i in range(0, w, w1):
        surface = pygame.Surface((w1,h))
        surface.blit(image, (0,0), (i,0,w1,h))
        surface.set_colorkey(surface.get_at((0,0)), RLEACCEL)
        surface.convert()
        image_list.append(surface)
    return image_list


def load_sound(filename):
    """サウンドをロード"""
    filename = os.path.join("data", filename)
    return pygame.mixer.Sound(filename)


if __name__ == "__main__":
    Invader()

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