用Python和Pygame写游戏-从入门到精通(9)

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上次我们说到了向量,不得不说向量是一个伟大的发明,在单纯的数字运算之中,居然就把方向也包含其中。对于如今的我们来看,非常普通的事情,几百年前的人们能够考虑到这个,实在是非常的不容易。不过同时我们也要有这样的意识——我们现在所使用的数学,未必就是最完美的。时代发展科技进步,或许我们会有更好的方式来诠释我们的世界。想想一片叶子飘落,有它独特的轨迹,如果要人类计算出来那个轨迹,即便可能,也是无比繁杂的。叶子懂我们的数学吗?不,它不懂,但它就优雅的落了下来。自然有着我们尚无法理解的思考方式,我们现在所使用的工具,还是太复杂!人类要向“道”继续努力才行啊。

“一方通行”凭借向量的力量成为了学园第一能力者,我们是否也应该好好学习向量?

扯远了,虽然不记得学校里是什么时候开始接触到向量的,不过肯定也不会太晚,如果你不知道什么是向量,最好先找一本书看看吧,这里只会有一些最最核心的讲解。

引入向量

我们先考虑二维的向量,三维也差不多了,而游戏中的运动最多只用得到三维,更高的留给以后的游戏吧~

向量的表示和坐标很像,(10,20)对坐标而言,就是一个固定的点,然而在向量中,它意味着x方向行进10,y方向行进20,所以坐标(0,0)加上向量(10,20)后,就到达了点(10,20)。

向量可以通过两个点来计算出来,如下图,A经过向量AB到达了B,则向量AB就是(30, 35) – (10, 20) = (20, 15)。我们也能猜到向量BA会是(-20, -15),注意向量AB和向量BA,虽然长度一样,但是方向不同。

在Python中,我们可以创建一个类来存储和获得向量(虽然向量的写法很像一个元组,但因为向量有很多种计算,必须使用类来完成):

 

原理上很简单,函数修饰符@不用我说明了吧?如果不明白的话,可以参考Python的编程指南。

向量的大小

向量的大小可以简单的理解为那根箭头的长度,勾股定理熟稔的各位立刻知道怎么计算了:

 

把这几句加入到刚刚的Vector2里,我们的向量类就多了计算长度的能力。嗯,别忘了一开始要引入math库。

单位向量

一开头说过,向量有着大小和方向两个要素,通过刚刚的例子,我们可以理解这两个意思了。在向量的大家族里,有一种比较特殊的向量叫“单位向量”,意思是大小为1的向量,我们还能把任意向量方向不变的缩放(体现在数字上就是x和y等比例的缩放)到一个单位向量,这叫向量的规格(正规)化,代码体现的话:

 

使用过normalize方法以后,向量就成了一个单位向量。单位向量有什么用?我们以后会看到。

向量运算

我们观察下图,点B由A出发,通过向量AB到达,C则有B到达,通过BC到达;C直接由A出发的话,就得经由向量AC。

由此我们得到一个显而易见的结论向量AC = 向量AB + 向量BC。向量的加法计算方法呼之欲出:

(20, 15) + (-15, 10) = (20-15, 15+10) = (5, 25)

把各个方向分别相加,我们就得到了向量的加法运算法则。很类似的,减法也是同样,把各个方向分别想减,可以自己简单验证一下。代码表示的话:

 

两个下划线“__”为首尾的函数,在Python中一般就是重载的意思,如果不知道的话还需要稍微努力努力:)当然,功力稍深厚一点的,就会知道这里super来代替Vector2可能会更好一些,确实如此。不过这里只是示例代码,讲述一下原理而已。

有加减法,那乘除法呢?当然有!不过向量的乘除并不是发生在两个向量直接,而是用一个向量来乘/除一个数,其实际意义就是,向量的方向不变,而大小放大/缩小多少倍。如下图:

 

向量的运算被广泛的用来计算到达某个位置时的中间状态,比如我们知道一辆坦克从A到B,中间有10帧,那么很显然的,把步进向量通过(B-A)/10计算出来,每次在当前位置加上就可以了。很简单吧?

更好的向量类

我们创造的向量类已经不错了,不过毕竟只能做一些简单的运算,别人帮我们已经写好了更帅的库(早点不拿出来?写了半天…… 原理始终是我们掌握的,自己动手,印象更深),是发挥拿来主义的时候了(可以尝试使用easy_install gameobjects简单的安装起来)。下面是一个使用的例子: