Innleveringsoppgave 5

Transkript

1 Innleveringsoppgave 5 INF109 Dataprogrammering for naturvitskap Dette er den femte av syv obligatoriske oppgaver. Du kan få totalt 15 poeng på denne oppgaven. Innleveringsfristen er: fredag, 8. April, 23:59. Oppgaven skal leveres inn som én enkelt.py-fil. Oppgaven skal leveres inn på kursets hjemmeside på Mi Side. Oppgavene skal løses individuelt selv om samarbeid er tillatt. Lykke til! 1 Game of Life I denne oppgaven skal du implementere et veldig populært og kanskje det gøyeste nullspillerspillet som finnes, nemlig Game of Life. Spillet er et brettspill som har et fåtall veldig enkle regler, og vi skal i denne oppgaven implementere disse reglene og simulere dette spillet grafisk. (Du kan bla til Side 5 for å få en oversikt over de to oppgavene du skal gjøre.) (a) Bikube (b) Blokk (c) Båt (d) Brød Figure 1: Fire forskjellige stilleliv. 1.1 Om spillet Vanligvis er Game of Life spilt på et uendelig plan, men for enkelhetsskyld skal vi implementere en versjon som spiller på et brett med fast størrelse. Dersom man går ut oppe kommer man inn igjen nede, akkurat som i Pacmans verden 1, og går man ut til en av sidene, kommer man inn igjen på motsatt side. Nabolag. Brettet vi spiller på er inndelt i ruter som man kan se i eksemplene over. Hver rute kaller vi en celle og en celle er enten død eller levende. I bildene over er de sorte cellene levende og de hvite er døde. For et koordinat (x, y) i brettet definerer vi nabolaget til cellen på (x, y) som de åtte forskjellige posisjonene under. (Obs: Merk at y 1 betyr over dersom y-koordinat 0 er nede på skjermen, og under ellers.) 1 Vi spiller på topologien til en torus eller på en såkalt utbrettet smultring. 1

2 Topp 1: (x 1, y + 1) Topp 2: (x, y + 1) Topp 3: (x + 1, y + 1) Midt 1: (x 1, y) Midt 2: (x + 1, y) Bunn 1: (x 1, y 1) Bunn 2: (x, y 1) Bunn 3: (x + 1, y 1) Iterasjon. Spillet foregår i iterasjoner eller runder, om man vil. Mellom hver runde oppdaterer vi statusen til en celle etter hvor mange levende naboceller den har. Hvis en celle har for mange levende naboer sier vi den dør på grunn av overpopulasjon, har den for få levende celler sier vi den dør grunnet underpopulasjon og dersom det er en celle som ikke er i live som har nøyaktig tre levende naboceller, sier vi den blir vekket til live som etter reproduksjon. 1.2 Regler For hver celle på brettet, forklarer disse reglene hvor vidt cellen er levende i neste iterasjon: Regel 1. En levende celle med mindre enn to levende naboer dør. Regel 2. En levende celle med to eller tre levende naboer overlever til neste runde. Regel 3. En levende celle med mer enn tre levende naboer dør. Regel 4. En død celle med nøyaktig tre levende naboer våkner til live. Disse reglene ble utviklet av den britiske matematikeren John Horton Conway i 1970 etter en ide av John von Neumann. Conway beviste senere at Game of Live er Turing-komplett, noe som betyr at dette spillet kan simulere enhver utregning en datamaskin kan gjøre. 2 Algoritmer og datastrukturer En matrise er en liste av lister. Assosier gjerne dette med at en matrise i matematikken er en vektor av vektorer. Likheten mellom en liste i Python og en vektor i matematikken bør være enkel å se, men i Python putter vi ofte allslags rare objekter inn i en vektor, mens i matematikken er vi gjerne mest vant til at det bare er tall der, selv om det på ingen måte er en begrensning. Dersom vi har en liste av lister av boolske verdier, kan vi enkelt representere en slik verden: >>> board = [[ False, False, False ], [ False, False, False ], [ False, False, False ]] Denne koden lar variabelen board inneholde en 3 3-matrise av False. Dette er med andre ord et tomt Game of Life-brett på størrelse 3 3. For enkelhetsskyld skal vi alltid anta at brettene er kvadratisk, så vi vil nå si at størrelsen til et brett er n dersom det er n n celler i brettet. Vi skal alltid ha en variabel board som inneholder cellenes status (om de er død eller levende), men i tillegg, skal vi ha en like stor matrise, rectangles, som inneholder grafiske Rectangleobjekter som vi oppdaterer fargen på for å vise om celler er død eller ei. def size (): """ Returns the size of the board. """ return 3 2

3 2.1 Telle levende naboer Hele regelsettet for Game of Life baserer seg på hvor mange levende naboceller en gitt celle har. Derfor er det veldig naturlig å lage følgende funksjon, som har som oppgave å telle nettopp dette. Husk at en celle alltid har åtte naboer, og hver av dem kan være levende eller død. Dette betyr også at når en celle er langs en kant eller i et hjørne, er noen av nabocellene på motsatt side av brettet, men som beskrevet under tar moduloaritmetikk seg av dette for deg. def living_neighbors (x,y, board ): """ Counts the number of living neighbors of the cell in the given coordinate (x, y). If either coordinate is on the edge, we wrap : we re living on a torus, dammit! Finally, we return the number of neighbors. """ neighbors = 0 # put stuff here # Here be dragons, be on a watchout for values greater than size () # and smaller than 0! return neighbors Kodesnutten over skal gi et lite hint om hva som må til i denne meget viktige, men relativt simple funksjonen. Vi er gitt en matrise board og et koordinat (x, y). Som beskrevet over er naboene i koordinatene (x 1, y 1), (x, y 1),... og dette er ikke noe problematisk å telle. Problemet oppstår når en verdi v er v = 0 eller v = size() 1. Men dette kan enkelt løses ved moduloaritmetikk: (x + 1) % size() er alltid mindre enn size(), og gir nettopp verdiene vi ønsker: Er vi på enden av verden, er verdien size() 1, og (size() 1 + 1) % size() = 0, og vi får koordinatet for cellen på andre siden av brettet! 2.2 Iterasjon Den viktigste funksjonen i spillet vårt er funksjonen iterate(board), som tar inn et brett (en n n matrise av boolske verdier) og som returnerer et nytt brett, neste iterasjon. def iterate ( board ): """ Does one iteration, returns the next generation of cells. Returns the tuple ( living, board ), where living is the number of alive cells and board is a matrix of boolean values corresponding to the liveness of each cell. """ new_board = [] for i in range ( size ()): row = [] for j in range ( size ()): row. append ( False ) new_board. append ( row ) # here be code return ( living, new_board ) 3

4 2.3 Grafikk Det første programmet ditt er å kalle en funksjon initiate(), som returnerer et par, (board, rectangles), som begge er matriser av størrelse size() size(). Matrisen board skal inneholde en tilfeldig konfigurasjon av True og False. En tilfeldig boolsk verdi kan enklest fåes på denne måten: from random import choice def random_bit (): """ Returns a random value of True or False. """ return choice ([ True, False ]) Deretter skal rectangles populeres med Rectangle-objekter. I posisjon x, y skal vi lage et objekt Rectangle(Point(x,y),Point(x+1,y+1)). Husk å sette koordinatsystemet i vinduet, med setcoords til (0,0,size(),size()). Nå når du har board og rectangles er det en enkel sak å sette fargen til hvert rektangel til ønskelig farge: def update_color (x,y, board, rectangles ): """ Sets color in rectangles [x, y] to correct value according to the status of its corresponding cell in board. """ if ( board [x][y]): rectangles [x][y]. setfill (" red4 ") else : rectangles [x][y]. setfill (" gray3 ") 3 Hastighet Når alt fungerer etter planen skal du implementere følgende speed-up. La funksjonen iterate gjøre én ekstra ting. Den skal nå returnere (living, board, changes), hvor den nye variabelen er en liste over koordinater som er endret. Denne skal brukes til å oppdatere fargen på kun de cellene som har endret status. 4

5 4 Oppgave 1 Oppgave 1 er å ha en fungerende, halvrask implementasjon av Game of Life, som når programmet starter, åpner et vindu på størrelse n n for en n som du bestemmer i koden selv, og med en tilfeldig fordeling av levende celler i startfasen. Deretter skal du ha en while (True)-løkke som kjører iterasjoner, helt til du manuelt går inn og avbryter programmet. Hvis du ønsker at oppdateringene skal gå saktere, kan du bruke sleep(r) for å la programmet sove i r sekunder, hvor r også kan være et flyttall. Men husk da først å importere sleep fra miljøet time, ved linjen from time import sleep. 5 Oppgave 2 Nå skal du utvide programmet ditt til å ha følgende funksjonalitet: et tekstfelt (Entry) og en knapp start, en knapp clear, en knapp randomize, en knapp load og en knapp save og en knapp quit. I tekstfeltet kan brukeren av programmet skrive inn ønsket antall iterasjoner som skal utføres, og når startknappen trykkes, kjøres (og vises) det antallet iterasjoner som var ønsket. Både før, og etter startknappen har blitt trykket (den skal kunne trykkes så mange ganske brukeren ønsker), skal brukeren kunne trykke i celler for å veksle mellom levende og død. Dersom clear trykkes, skal alle celler i brettet settes som død og om randomize trykkes, skal cellene settes til tilfeldige (uavhengige) statuser. Knappene load og save skal brukes for å lagre og laste inn mønstre (du kan anta at mønsteret som lastes ikke har flere celler enn du har i nåværende brett), filformatet velger du selv. Knappen quit skal lukke programmet. Hint. Dersom du setter koordinatsystemet til å være (0,-3,size(),size()), får du plass til knapper under brettet på koordinater med negativt y-koordinat. På den måten slipper du å gjøre endringer med koordinatene til cellene. Husk å lage en funksjon is inside(rectangle, point) som returnerer True hvis og bare hvis point er inni rectangle, og bruk denne til å finne ut om brukeren trykket på en knapp eller ikke. Lykke til. 5

6 6 Innlevering Lagre programmet ditt i en.py-fil som heter oblig5-abc123.py, hvor abc123 skal erstattes med ditt brukernavn, og lever besvarelsen på studentportalen Mi Side, i mappen 7 Vurdering Innleveringsmappe Vurderingsmappe Innlevering 5. For denne oppgaven kan du få maksimalt 15 poeng. Fordeling av poeng er som følger. Programmet fungerer som forventet 12 (ca ) Programmet er veldokumentert med kommentarer og oversiktlig 2 Navngiving 1 15 Programmet fungerer som forventet. Her får man trekk om programmet enten skriver ut feil data, har feil format på utskrift (avviker fra eksempelet), kræsjer på noen som helst måte eller om metodenavn ikke er som oppgitt. Programmet er veldokumentert med kommentarer og oversiktlig. Her får man trekk om programmet ikke er kommentert godt nok, men også om programmet er for mye kommentert. Man kan også få trekk om programmet er uoversiktlig. Navngiving. Her får man trekk dersom navn på variabler og metoder ikke er fornuftig valgt og at navngivingen som er brukt er inkonsistent. Husk å velge enten mixedcase eller underscore. 2 Oppgavene vil være ferdigrettet innen én uke har gått, og poengsum og kommentarer fra retter vil bli postet i vurderingsmappen under kommentarer. Questions and complaints to be directed to one of the teaching assisstants. Obs: Den nye karakteren vil bli stående og det er ikke garantert at den ikke vil gå ned. 2 mixedcase er når variablene ser ut som innlestdata, mens underscore er når variablene skrives som innlest data. Velg én av disse to, og hold dere til den måten. I boken bruker de førstnevnte, mens det er kanskje vanligere ellers i Python-verdenen å bruke sistnevnte. Aldri begynn med stor forbokstav, e.g. InnlestData eller lignende, da disse er reservert til klassenavn, noe som er delvis utenfor pensum for dette kurset. 6