詳解Python 實(shí)現(xiàn)元胞自動(dòng)機(jī)中的生命游戲(Game of life)

更新時(shí)間：2018年01月27日 09:34:34 作者：農(nóng)大魯迅

本篇文章主要介紹了詳解Python 實(shí)現(xiàn)元胞自動(dòng)機(jī)中的生命游戲(Game of life)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

簡(jiǎn)介

細(xì)胞自動(dòng)機(jī)（又稱元胞自動(dòng)機(jī)），名字雖然很深?yuàn)W，但是它的行為卻是非常美妙的。所有這些怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？我們可以把計(jì)算機(jī)中的宇宙想象成是一堆方格子構(gòu)成的封閉空間，尺寸為N的空間就有NN個(gè)格子。而每一個(gè)格子都可以看成是一個(gè)生命體，每個(gè)生命都有生和死兩種狀態(tài)，如果該格子生就顯示藍(lán)色，死則顯示白色。每一個(gè)格子旁邊都有鄰居格子存在，如果我們把33的9個(gè)格子構(gòu)成的正方形看成一個(gè)基本單位的話，那么這個(gè)正方形中心的格子的鄰居就是它旁邊的8個(gè)格子。

每個(gè)格子的生死遵循下面的原則：

1．如果一個(gè)細(xì)胞周圍有3個(gè)細(xì)胞為生（一個(gè)細(xì)胞周圍共有8個(gè)細(xì)胞），則該細(xì)胞為生（即該細(xì)胞若原先為死，則轉(zhuǎn)為生，若原先為生，則保持不變）。

2．如果一個(gè)細(xì)胞周圍有2個(gè)細(xì)胞為生，則該細(xì)胞的生死狀態(tài)保持不變；

3．在其它情況下，該細(xì)胞為死（即該細(xì)胞若原先為生，則轉(zhuǎn)為死，若原先為死，則保持不變）

設(shè)定圖像中每個(gè)像素的初始狀態(tài)后依據(jù)上述的游戲規(guī)則演繹生命的變化，由于初始狀態(tài)和迭代次數(shù)不同，將會(huì)得到令人嘆服的優(yōu)美圖案。

代碼

"""
元胞自動(dòng)機(jī) Python 實(shí)現(xiàn)
"""
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt


class GameOfLife(object):

  def __init__(self, cells_shape):
    """
    Parameters
    ----------
    cells_shape : 一個(gè)元組，表示畫布的大小。

    Examples
    --------
    建立一個(gè)高20，寬30的畫布
    game = GameOfLife((20, 30))
    
    """

    # 矩陣的四周不參與運(yùn)算
    self.cells = np.zeros(cells_shape)

    real_width = cells_shape[0] - 2
    real_height = cells_shape[1] - 2
    
    self.cells[1:-1, 1:-1] = np.random.randint(2, size=(real_width, real_height))
    self.timer = 0
    self.mask = np.ones(9)
    self.mask[4] = 0
  
  def update_state(self):
    """更新一次狀態(tài)"""
    buf = np.zeros(self.cells.shape)
    cells = self.cells
    for i in range(1, cells.shape[0] - 1):
      for j in range(1, cells.shape[0] - 1):
        # 計(jì)算該細(xì)胞周圍的存活細(xì)胞數(shù)
        neighbor = cells[i-1:i+2, j-1:j+2].reshape((-1, ))
        neighbor_num = np.convolve(self.mask, neighbor, 'valid')[0]
        if neighbor_num == 3:
          buf[i, j] = 1
        elif neighbor_num == 2:
          buf[i, j] = cells[i, j]
        else:
          buf[i, j] = 0
    self.cells = buf
    self.timer += 1
  
  def plot_state(self):
    """畫出當(dāng)前的狀態(tài)"""
    plt.title('Iter :{}'.format(self.timer))
    plt.imshow(self.cells)
    plt.show()

  def update_and_plot(self, n_iter):
    """更新狀態(tài)并畫圖
    Parameters
    ----------
    n_iter : 更新的輪數(shù)
    """
    plt.ion()
    for _ in range(n_iter):
      plt.title('Iter :{}'.format(self.timer))
      plt.imshow(self.cells)
      self.update_state()
      plt.pause(0.2)
    plt.ioff()
          

if __name__ == '__main__':
  game = GameOfLife(cells_shape=(60, 60))
  game.update_and_plot(200)

效果圖