สร้างเกมเดาะตะกร้อด้วย VPython

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

การเตรียมตัว

ไพทอนและไลบรารีที่เกี่ยวข้อง

วิกินี้ใช้ภาษาไพทอนและไลบรารีที่เกี่ยวข้องดังนี้

• Anaconda Scientific Python Distribution - ดูขั้นตอนจากวิกิ Python Programming/Setting Up Python
• ไลบรารี PyUSB - ดูขั้นตอนจากวิกิ การติดตั้งไลบรารี PyUSB
• ไลบรารี Visual (VPython) - ดูขั้นตอนจากวิกิ การติดตั้งไลบรารี Visual

บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์และโมดูลไดรเวอร์

บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่นำมาใช้เป็นตัวควบคุมผู้เล่นในวิกินี้ต้องถูกโปรแกรมเฟิร์มแวร์ให้สามารถอ่านค่าแสงผ่านพอร์ท USB ได้แล้ว ให้แน่ใจว่า

• ได้พัฒนาเฟิร์มแวร์ตามขั้นตอนของวิกิ การติดต่อกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ท USB ด้วย Arduino
• เฟิร์มแวร์รองรับการอ่านค่าแสง และได้แก้ไขโมดูลไดรเวอร์ peri.py ให้รองรับการอ่านค่าแสงในช่วง 0-1023 จากเมท็อด getLight() ได้อย่างถูกต้องตามที่ระบุไว้ในแบบฝึกหัดท้ายสไลด์บรรยาย การสื่อสารกับบอร์ด MCU ผ่านพอร์ต USB

องค์ประกอบของเกม

ตัวเกมพื้นฐานประกอบไปด้วย

• กำแพงและเพดาน (สีแดง) สร้างขึ้นจากคลาส vis.curve เพื่อใช้แสดงขอบเขตด้านซ้าย ขวา และบน ลูกตะกร้อจะกระดอนกลับเมื่อเคลื่อนที่เลยขอบเขตนี้
• ลูกตะกร้อ (สีเหลือง) สร้างขึ้นจากคลาส Ball ซึ่งสืบสกุลมาจากคลาส vis.sphere มีทิศทางการเคลื่อนที่ในสองมิติซึ่งคำนวณจากกฎการเคลื่อนที่
• แป้นรับลูกที่ควบคุมด้วยผู้เล่น (สีน้ำเงิน) สร้างขึ้นจากคลาส Player ซึ่งสืบสกุลมาจากคลาส vis.cylinder มีการเคลื่อนที่ในทิศทางซ้ายและขวาตามความเข้มของแสงที่อ่านได้จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

ระบบพิกัด

VPython ใช้ระบบพิกัดในปริภูมิ 3 มิติ อย่างไรก็ตามตำแหน่งต่าง ๆ ของผู้เล่น ลูกตะกร้อ และกำแพง จะวางตัวอยู่ในระนาบ z=0 โดยที่พิกัด (x,y) มีทิศทางและขอบเขตดังภาพ ในที่นี้ BORDER เป็นค่าคงที่ที่กำหนดขึ้นมาในโปรแกรมซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนขอบเขตได้ตามต้องการ

สร้างสนามและตั้งค่าคงที่เพื่อใช้ในเกม

ใช้เท็กซ์เอดิเตอร์สร้างไฟล์ชื่อ takro.py ตามโค้ดด้านล่าง

 1 import vis
 2 
 3 ANIM_RATE = 30
 4 BORDER = 10
 5 scene = vis.display(title='Takro',width=500,height=500)
 6 scene.center = (0,0)
 7 scene.range = BORDER*1.2
 8 
 9 border = vis.curve(pos=[
10     (-BORDER,-BORDER),
11     (-BORDER,+BORDER),
12     (+BORDER,+BORDER),
13     (+BORDER,-BORDER)
14     ],radius=0.1,color=vis.color.red)
15 
16 while True:
17     vis.rate(ANIM_RATE)

• บรรทัดที่ 1 อิมพอร์ตโมดูล vis ซึ่งเป็นโมดูลหลักของ VPython
• บรรทัดที่ 3-4 กำหนดค่าคงที่เพื่อใช้ในโปรแกรม โดย ANIM_RATE ใช้กำหนดอัตราการอัพเดตหน้าจอต่อวินาที และ BORDER ใช้กำหนดขอบเขตของสนามตามที่อธิบายไว้ในหัวข้อระบบพิกัดข้างต้น
• บรรทัดที่ 5-7 สร้างหน้าต่างขนาด 500x500 ที่มีหัวข้อ "Takro" ขึ้นมา หน้าต่างนี้ทำหน้าที่เสมือนช่องที่มองเข้าไปในปริภูมิสามมิติของ VPython โดยให้พิกัด (0,0) อยู่ที่จุดศูนย์กลางของหน้าต่าง และช่องหน้าต่างมีขอบเขตครอบคลุมพิกัด (-BORDER,-BORDER) - (+BORDER,+BORDER) ออกไป 20%
• บรรทัดที่ 9-14 สร้างกำแพงและเพดานเพื่อแสดงขอบเขตสนามด้วยเส้นสีแดง เริ่มต้นจากพิกัด (-BORDER,-BORDER) → (-BORDER,+BORDER) → (+BORDER,+BORDER) และจบลงที่พิกัด (+BORDER,-BORDER) เส้นแสดงกำแพงแต่ละท่อนมีรัศมี 0.1 หน่วย
• บรรทัดที่ 16-17 เป็นลูปอนันต์เพื่อให้โปรแกรมไม่จบการทำงาน ฟังก์ชัน vis.rate() ทำหน้าที่หน่วงเวลาเพื่อให้ลูปทำงานไม่เกินอัตราที่กำหนด (ในที่นี่คือ 30 รอบต่อวินาที ซึ่งทำให้การแสดงผลอยู่ที่ 30 เฟรมต่อวินาทีเช่นกัน) และยังทำหน้าที่ในการประมวลผลอินพุทจากเมาส์และคีย์บอร์ด ซึ่งการกดแป้น Ctrl ค้างไว้แล้วคลิ้กลากเมาส์ไปมาจะทำให้หน้าต่างหมุนเปลี่ยนมุมมอง ในขณะที่การกดแป้น Alt ค้างไว้แล้วลากเมาส์เป็นการซูมเข้าออก

รันสคริปต์ด้วยไพทอน (ที่มากับ Anaconda) ควรเห็นหน้าต่างขนาด 500x500 ปรากฏขึ้นพร้อมกำแพงสีแดงล้อมรอบสามทิศทาง

python takro.py

สร้างลูกตะกร้อ

คลาส Ball

นิยามคลาส Ball เพื่อใช้สร้างเป็นลูกตะกร้อ โดยให้สืบสกุลมาจากคลาสทรงกลม (vis.sphere) ของ VPython ดังโค้ดด้านล่าง

 1 import vis
 2  
 3 ANIM_RATE = 30
 4 BORDER = 10
 5 scene = vis.display(title='Takro',width=500,height=500)
 6 scene.center = (0,0)
 7 scene.range = BORDER*1.2
 8 
 9 ################################################################
10 class Ball(vis.sphere):
11 
12     SIZE = 0.5
13 
14     def __init__(self,color=vis.color.white,vel=(0,0),acc=(0,0)):
15         vis.sphere.__init__(self,pos=(0,0),radius=self.SIZE,color=color,
16                 make_trail=True,retain=10)
17         self.vel = vis.vector(vel)
18         self.acc = vis.vector(acc)
19 
20     def move(self,dt):
21         self.vel += self.acc*dt
22         self.pos += self.vel*dt
23 
24 ################################################################
25 border = vis.curve(pos=[
26     (-BORDER,-BORDER),
27     (-BORDER,+BORDER),
28     (+BORDER,+BORDER),
29     (+BORDER,-BORDER)
30     ],radius=0.1,color=vis.color.red)
31 ball = Ball(color=vis.color.yellow,vel=(5,10),acc=(0,-5))
32 
33 while True:
34     vis.rate(ANIM_RATE)
35     ball.move(1.0/ANIM_RATE)

• บรรทัดที่ 14-18 นิยามคอนสตรัคเตอร์ของคลาส โดยให้ไปเรียกใช้คอนสตรัคเตอร์ของคลาส vis.sphere เพื่อสร้างทรงกลมตามสีและขนาดที่กำหนดไว้ที่ตำแหน่ง (0,0) อาร์กิวเมนต์ make_trail และ retain ถูกกำหนดเอาไว้เพื่อให้เห็นวิถีการเคลื่อนที่ในช่วง 10 เฟรมที่ผ่านมา คุณสมบัติ vel และ acc เก็บค่าเวกเตอร์ความเร็วและความเร่งตามลำดับ เพื่อนำไปใช้ในการคำนวณการเคลื่อนที่ของลูกตะกร้อต่อไป
• บรรทัดที่ 20-22 นิยามเมท็อด move เพื่ออัพเดตตำแหน่งและความเร็วของลูกตะกร้อในช่วงเวลา dt วินาทีที่ผ่านมา การคำนวณเป็นไปตามกฎการเคลื่อนที่ตามที่ได้อธิบายไว้ในวิกิ จำลองการเคลื่อนที่ด้วยคณิตศาสตร์แบบเวกเตอร์ใน VPython
• บรรทัดที่ 31 สร้างอ็อบเจ็กต์ขึ้นจากคลาส Ball โดยกำหนดให้มีสีเหลือง มีความเร็วต้นตามเวกเตอร์ (5,10) และความเร่ง (0,-5) ซึ่งหมายความว่าเมื่อเริ่มต้นลูกตะกร้อจะเคลื่อนที่ไปทางขวาด้วยความเร็ว 5 หน่วย/วินาที และไปด้านบนด้วยความเร็ว 10 หน่วยต่อวินาที และเสมือนว่าถูกแรงดึงดูดลงด้านล่างด้วยความเร่งในแนวดิ่ง 5 หน่วย/วินาที² อ็อบเจ็กต์นี้ถูกอ้างอิงด้วยตัวแปร ball
• บรรทัดที่ 35 สั่งให้ลูกตะกร้ออัพเดตตำแหน่งเมื่อผ่านไป 1 ลูป ซึ่งจากการใช้ฟังก์ชัน vis.rate() เราทราบได้ว่าเวลาจะผ่านไป 1/ANIM_RATE วินาที จึงต้องส่งค่าเวลานี้ไปให้กับเมท็อด Ball.move() เพื่อใช้ในสูตรคำนวณการเคลื่อนที่

ทดลองรันสคริปต์จะเห็นว่าลูกตะกร้อปรากฏขึ้นที่พิกัด (0,0) และมีการเคลื่อนที่ไปในทิศทางบนขวาตามความเร็วต้นและความเร่งที่กำหนดให้ ทดลองเปลี่ยนโค้ดในบรรทัดที่ 31 และสังเกตพฤติกรรมที่เปลี่ยนไปของลูกตะกร้อ อย่างไรก็ตามจะเห็นว่าลูกตะกร้อมีการเคลื่อนที่โดยไม่สนใจกำแพงที่สร้างเอาไว้

ทำให้ตะกร้อกระดอนกำแพง

เพิ่มโค้ดตรวจสอบขอบเขตของลูกตะกร้อตามแนวกำแพงและเพดาน เมื่อพบว่าลูกเคลื่อนที่เลยขอบให้ดึงลูกกลับเข้ามาติดกับขอบแล้วเปลี่ยนทิศทางความเร็วตามแนวที่ตกกระทบโดยคงอัตราเร็วไว้เท่าเดิม

10 class Ball(vis.sphere):
11 
12     SIZE = 0.5
13 
14     def __init__(self,color=vis.color.white,vel=(0,0),acc=(0,0)):
15         vis.sphere.__init__(self,pos=(0,0),radius=self.SIZE,color=color,
16                 make_trail=True,retain=10)
17         self.vel = vis.vector(vel)
18         self.acc = vis.vector(acc)
19 
20     def move(self,dt):
21         self.vel += self.acc*dt
22         self.pos += self.vel*dt
23         if self.pos.x+self.SIZE > BORDER:  # hit right wall
24             self.pos.x = BORDER-self.SIZE
25             self.vel.x = -abs(self.vel.x)
26         if self.pos.x-self.SIZE < -BORDER: # hit left wall
27             self.pos.x = -BORDER+self.SIZE
28             self.vel.x = +abs(self.vel.x)
29         if self.pos.y+self.SIZE > BORDER:  # hit ceiling
30             self.pos.y = BORDER-self.SIZE
31             self.vel.y = -abs(self.vel.y)

สร้างผู้เล่น

คลาส Player

นิยามคลาส Player เพื่อใช้สร้างเป็นแป้นรับลูกที่ควบคุมโดยผู้เล่น โดยให้สืบสกุลมาจากคลาสทรงกระบอก (vis.cylinder) ของ VPython ดังโค้ดด้านล่าง

33 ################################################################
34 class Player(vis.cylinder):
35 
36     def __init__(self,controller):
37         vis.cylinder.__init__(self,pos=(0,-BORDER),axis=(0,0.2),
38                 radius=2,color=vis.color.blue)
39         self.controller = controller
40 
41     def move(self):
42         if self.controller == None:
43             self.pos.x = ball.pos.x
44 
45 ################################################################
46 border = vis.curve(pos=[
47     (-BORDER,-BORDER),
48     (-BORDER,+BORDER),
49     (+BORDER,+BORDER),
50     (+BORDER,-BORDER)
51     ],radius=0.1,color=vis.color.red)
52 ball = Ball(color=vis.color.yellow,vel=(5,10),acc=(0,-5))
53 player = Player(None)
54  
55 while True:
56     vis.rate(ANIM_RATE)
57     player.move()
58     ball.move(1.0/ANIM_RATE)

• บรรทัดที่ 36-39 นิยามคอนสตรัคเตอร์ของคลาส โดยใช้คอนสตรัคเตอร์ของ vis.cylinder สร้างทรงรูปจานไว้ที่ขอบด้านล่างของหน้าจอ กำหนดให้จานมีสีน้ำเงิน มีความหนา 0.2 หน่วย และมีรัศมี 2 หน่วย นอกจากนั้นคอนสตรัคเตอร์ยังรับพารามิเตอร์ชื่อ controller ซึ่งคาดหวังอ็อบเจ็กต์ของคลาส PeriBoard ที่นำมาใช้อ่านค่าแสงจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ได้
• บรรทัดที่ 41-43 นิยามเมท็อด move() ซึ่งถ้าหากไม่ได้มีการกำหนดอ็อบเจ็กต์ controller มาให้ตั้งแต่แรกจะทำให้แป้นรับเคลื่อนที่ไปตามตำแหน่งเดียวกันกับลูกตะกร้อ เราจะมาเพิ่มเติมเมท็อดนี้ในภายหลัง
• บรรทัดที่ 53 สร้างอ็อบเจ็กต์ Player ขึ้นมาโดยกำหนดอาร์กิวเมนต์เป็น None ให้กับพารามิเตอร์ controller เนื่องจากโค้ดยังไม่ได้มีส่วนเชื่อมโยงกับบอร์ด
• บรรทัดที่ 58 เรียกใช้เมท็อด move() ของแป้นรับลูกเพื่อให้อัพเดตตำแหน่งของตนเอง

ทดสอบสคริปต์ หน้าจอควรปรากฏแป้นรับลูกรูปจานสีน้ำเงินที่ด้านล่างของจอ โดยมีการเคลื่อนที่ไปตามตำแหน่งของลูกตะกร้อดังภาพ

อย่างไรก็ตาม เมื่อลูกตะกร้อตกกระทบกับแป้นรับจะทะลุผ่านลงไปโดยไม่เกิดอะไรขึ้น

ตรวจสอบการกระทบลูกตะกร้อ

เพื่อความสะดวก เราจะเพิ่มเมท็อด hitPlayer() เข้าไปในคลาส Ball เพื่อตรวจสอบว่าลูกตะกร้อกำลังกระทบแป้นรับลูกอยู่หรือไม่ พร้อมทั้งปรับเปลี่ยนทิศทางความเร็วในแนวดิ่งของลูกตะกร้อหากพบว่ามีการกระทบ

 9 class Ball(vis.sphere):
10 
11     SIZE = 0.5
12 
13     def __init__(self,color=vis.color.white,vel=(0,0),acc=(0,0)):
14         vis.sphere.__init__(self,pos=(0,0),radius=self.SIZE,color=color,
15                 make_trail=True,retain=10)
16         self.vel = vis.vector(vel)
17         self.acc = vis.vector(acc)
18 
19     def move(self,dt):
20         self.vel += self.acc*dt
21         self.pos += self.vel*dt
22         if self.pos.x+self.SIZE > BORDER:  # hit right wall
23             self.pos.x = BORDER-self.SIZE
24             self.vel.x = -abs(self.vel.x)
25         if self.pos.x-self.SIZE < -BORDER: # hit left wall
26             self.pos.x = -BORDER+self.SIZE
27             self.vel.x = +abs(self.vel.x)
28         if self.pos.y+self.SIZE > BORDER:  # hit top wall
29             self.pos.y = BORDER-self.SIZE
30             self.vel.y = -abs(self.vel.y)
31 
32     def hitPlayer(self,player):
33         if (abs(self.pos.x-player.pos.x) < player.radius) and \
34            (self.pos.y < player.pos.y+player.axis.y+self.SIZE) and \
35            (self.pos.y > player.pos.y-self.SIZE):
36             self.pos.y = player.pos.y+player.axis.y+self.SIZE
37             self.vel.y = abs(self.vel.y)
38             return True
39         else:
40             return False

จากนั้นจึงนำเมท็อดนี้มาใช้ในลูปหลักดังนี้

65 while True:
66     vis.rate(ANIM_RATE)
67     ball.move(1.0/ANIM_RATE)
68     player.move()
69     ball.hitPlayer(player)

ทดสอบสคริปต์จะเห็นว่าลูกตะกร้อจะกระดอนกลับขึ้นมาเมื่อกระทบกับแป้นรับลูก ทดลองคอมเม้นต์โค้ด player.move() ในบรรทัดที่ 68 เพื่อให้แน่ใจว่าตะกร้อจะไม่กระดอนขึ้นมาหากไม่กระทบกับแป้นรับ

ควบคุมด้วยบอร์ดพ่วง

เราจะปรับแก้ไขโค้ดเพื่อให้ผู้เล่นควบคุมแป้นรับลูกได้ด้วยบอร์ดพ่วง โดยเมื่อคว่ำบอร์ดพ่วงลง (แสงน้อย) จะทำให้แป้นรับลูกเคลื่อนที่มาทางซ้าย เมื่อหงายบอร์ดพ่วงขึ้น (แสงมาก) จะทำให้แป้นรับลูกเคลื่อนที่ไปทางขวา เริ่มต้นจากการเพิ่มโค้ดให้เชื่อมต่อกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ท USB ดังนี้

 1 import vis
 2 from practicum import findDevices
 3 from peri import PeriBoard
 4  
 5 ANIM_RATE = 30
 6 BORDER = 10
 7 scene = vis.display(title='Takro',width=500,height=500)
 8 scene.center = (0,0)
 9 scene.range = BORDER*1.2
10 
11 devs = findDevices()
12 if len(devs) == 0:
13     print '*** No MCU board found.'
14     board = None
15 else:
16     board = PeriBoard(devs[0])
17     print '*** MCU board found'
18     print '*** Device manufacturer: %s' % board.getVendorName()
19     print '*** Device name: %s' % board.getDeviceName()

จากนั้นแก้ไขเมท็อด Player.move() ให้นำค่าแสงมาใช้กำหนดตำแหน่งของแป้นรับลูกในกรณีที่พบบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ พร้อมทั้งส่งอ็อบเจ็กต์ board ไปเป็นอาร์กิวเม้นต์ในระหว่างการสร้างอ็อบเจ็กต์ player ขึ้นมา เนื่องจากค่าแสงที่วัดได้อยู่ในช่วง 0 ถึง 1023 บรรทัดที่ 68 จึงนำเอาค่าแสงที่อ่านได้มาปรับให้อยู่ในช่วง -BORDER ถึง +BORDER

56 class Player(vis.cylinder):
57 
58     def __init__(self,controller):
59         vis.cylinder.__init__(self,pos=(0,-BORDER),axis=(0,0.2),
60                 radius=2,color=vis.color.blue)
61         self.controller = controller
62 
63     def move(self):
64         if self.controller == None:
65             self.pos.x = ball.pos.x
66         else:
67             light = self.controller.getLight()
68             self.pos.x = light/1023.0*BORDER*2 - BORDER
69 
70 ################################################################
71 border = vis.curve(pos=[
72     (-BORDER,-BORDER),
73     (-BORDER,+BORDER),
74     (+BORDER,+BORDER),
75     (+BORDER,-BORDER)
76     ],radius=0.1,color=vis.color.red)
77 ball = Ball(color=vis.color.yellow,vel=(5,10),acc=(0,-5))
78 player = Player(board)

คาลิเบรทตัววัดแสง

แม้ว่าผู้เล่นจะสามารถควบคุมตำแหน่งแป้นรับได้แล้วก็ตาม การควบคุมยังทำได้ยากและไม่นิ่มนวลเนื่องจากช่วงแสงในบริเวณที่เล่นไม่ได้ให้ค่าเต็มช่วง 0 ถึง 1023 แต่แกว่งอยู่เพียงบริเวณช่วงเล็ก ๆ ช่วงหนึ่ง เพื่อให้เกมตอบสนองต่อการควบคุมของผู้เล่นได้อย่างถูกต้องในสภาพแสงที่แตกต่างกัน ควรมีการคาลิเบรท (calibrate) ค่าแสงที่วัดได้โดยขอให้ผู้เล่นคว่่ำและหงายบอร์ดก่อนเริ่มต้นเกมเพื่อบันทึกค่าเอาไว้ใช้ต่อไป เราจะเพิ่มโค้ดส่วนนี้ลงไปในจุดที่อ็อบเจ็กต์ board ถูกสร้างขึ้นมาแล้วดังนี้

11 devs = findDevices()
12 if len(devs) == 0:
13     print '*** No MCU board found.'
14     board = None
15 else:
16     board = PeriBoard(devs[0])
17     print '*** MCU board found'
18     print '*** Device manufacturer: %s' % board.getVendorName()
19     print '*** Device name: %s' % board.getDeviceName()
20     print 'Calibrating board.'
21     raw_input('Face the board down then press ENTER...')
22     minLight = board.getLight()
23     raw_input('Face the board up then press ENTER...')
24     maxLight = board.getLight()
25     board.lightRange = (minLight,maxLight)
26     print 'Calibration done.  Light range is (%d,%d)' % board.lightRange

ค่าแสงต่ำสุดและสูงสุดจะถูกจัดเก็บไว้คู่กันในคุณสมบัติชื่อ lightRange ของอ็อบเจ็กต์ board

ช่วงค่าที่ได้มาสามารถนำไปปรับแก้ในเมท็อด Player.move() ซึ่งแต่เดิมมีการคำนวณตำแหน่งของแป้นจากแสงไว้ดังนี้

self.pos.x = light/1023.0*BORDER*2 - BORDER

เราจะแก้ไขบรรทัดนี้ใหม่เพื่อแม็ปค่าแสงตามช่วงที่คาลิเบรทได้ลงไปในช่วงที่เป็นไปได้ของตำแหน่งแป้นรับคือ -BORDER ถึง +BORDER และให้แน่ใจว่าค่าที่ได้มาไม่ตกอยู่นอกช่วงดังกล่าวเพื่อไม่ให้แป้นรับลูกวิ่งออกไปจากกรอบ

minl,maxl = self.controller.lightRange
x = float(light-minl)/(maxl-minl)*BORDER*2-BORDER
if x < -BORDER:
    x = -BORDER
if x > BORDER:
    x = BORDER
self.pos.x = x

แม้การคำนวณจะตรงไปตรงมาแต่ก็ดูค่อนข้างเทอะทะ อีกทั้งการคำนวณลักษณะนี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อ การประมาณค่าในช่วงแบบเชิงเส้น (linear interpolation) ทำให้ไลบรารีทางคณิตศาสตร์ส่วนใหญ่เตรียมฟังก์ชันไว้ให้พร้อมใช้งานอยู่แล้ว เราจะนำฟังก์ชัน interp() ของโมดูล numpy มาใช้แทนที่โค้ดข้างบน เริ่มด้วยการอิมพอร์ทฟังก์ชัน interp() มาจากโมดูล numpy

1 import vis
2 from practicum import findDevices
3 from peri import PeriBoard
4 from numpy import interp

แล้วจึงนำฟังก์ชันมาใช้ในเมท็อด Player.move() ดังนี้

64 class Player(vis.cylinder):
65 
66     def __init__(self,controller):
67         vis.cylinder.__init__(self,pos=(0,-BORDER),axis=(0,0.2),
68                 radius=2,color=vis.color.blue)
69         self.controller = controller
70 
71     def move(self):
72         if self.controller == None:
73             self.pos.x = ball.pos.x
74         else:
75             light = self.controller.getLight()
76             x = interp(light,self.controller.lightRange,[-BORDER,BORDER])
77             self.pos.x = x

กราฟด้านล่างแสดงตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างค่า light กับค่า x ที่คำนวณได้จากฟังก์ชัน interp() โดยสมมติว่า self.controller.lightRange คือ (200,600) และ BORDER=10

เห็นได้ว่าฟังก์ชัน interp() จะจำกัดค่าที่คืนมาให้ไม่ให้เกินออกไปจากช่วง (-BORDER,+BORDER) ทำให้แป้นรับลูกบอลไม่วิ่งเลยขอบสนามออกไป

ตำแหน่งแป้นรับลูกเมื่อแสงน้อย

ตำแหน่งแป้นรับลูกเมื่อแสงมาก

ลดการส่ายของแป้นรับลูก

ในบางสถานการณ์จะพบว่าแป้นรับลูกมีการสั่นไปมา อันเนื่องมาจากมือผู้เล่นสั่นเอง หรือแสงสว่างในบริเวณเป็นแสงไฟแบบฟลูออเรสเซนต์ซึ่งมีการกระพริบตลอดเวลาเป็นปกติ การกระพริบนี้อาจไม่สังเกตเห็นได้ด้วยตามนุษย์เราแต่ตรวจจับได้ด้วยตัววัดแสงบนบอร์ดพ่วง

เราสามารถเกลี่ยตำแหน่งแป้นรับลูกให้เรียบขึ้นได้ด้วยกลไก exponential smoothing ซึ่งมีสูตรดังนี้

${\begin{aligned}s_{0}&=x_{0}\\s_{t}&=\alpha x_{t}+(1-\alpha )s_{t-1}\end{aligned}}$

โดยที่

• α คือ smoothing factor มีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1
• ลำดับ x₀,x₁,x₂,... เป็นข้อมูลดิบ
• ลำดับ s₀,s₁,s₂,... เป็นลำดับที่ผ่านการปรับให้เรียบแล้ว

สูตรนี้เป็นการนำเอาค่าก่อนหน้ามาคำนวณแบบถ่วงน้ำหนักร่วมกับค่าที่อ่านได้ในปัจจุบัน โดยหากกำหนดให้ α มีค่ามากทำให้ค่า s_t (ตำแหน่งปัจจุบันของแป้นรับลูก) ขึ้นอยู่กับค่าก่อนหน้าค่อนข้างมาก มีผลทำให้การเปลี่ยนแปลงค่าของ s_t เป็นไปอย่างช้า ๆ และราบเรียบ แต่ก็ทำให้การตอบสนองต่อค่า x_t ที่เข้ามาใหม่ (ค่าความเข้มแสง) ช้าลงเช่นกัน

โค้ดด้านล่างผ่านการปรับแก้ให้ประยุกต์ใช้กลไก exponential smoothing โดยกำหนดให้ α มีค่าเท่ากับ 0.1 นั่นคือให้ความสำคัญกับค่าใหม่ 10% และค่าเก่า 90%

64 class Player(vis.cylinder):
65 
66     def __init__(self,controller):
67         vis.cylinder.__init__(self,pos=(0,-BORDER),axis=(0,0.2),
68                 radius=2,color=vis.color.blue)
69         self.controller = controller
70 
71     def move(self):
72         if self.controller == None:
73             self.pos.x = ball.pos.x
74         else:
75             light = self.controller.getLight()
76             x = interp(light,self.controller.lightRange,[-BORDER,BORDER])
77             self.pos.x = 0.1*x + 0.9*self.pos.x

รายละเอียดอื่น ๆ

แก้ไขเหตุขัดข้อง USB Error

การหยิบจับวงจรไฟฟ้าด้วยมือเปล่านั้นเป็นสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยงเพื่อลดความเสี่ยงต่อการถูกไฟฟ้าดูด แม้จะเป็นอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันต่ำเช่นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ก็ตาม นอกจากนั้นสัญญาณรบกวนจากร่างกายยังอาจส่งผลไปยังการทำงานของวงจรและการสื่อสารผ่านพอร์ท USB ได้ ปัญหาในการสื่อสารอาจทำให้สคริปต์ค้างและแสดงเหตุขัดข้อง (exception) ดังนี้

usb.core.USBError: [Errno None] error sending control message: Connection timed out

ซึ่งเกิดจากการที่โฮสท์ไม่ได้รับการตอบสนองจากไมโครคอนโทรลเลอร์ภายในเวลาที่กำหนด เราจะดักเหตุขัดข้องนี้เอาไว้เพื่อให้สคริปต์ยังทำงานต่อไปได้ เริ่มต้นด้วยการอิมพอร์ทเหตุขัดข้อง usb.core.USBError มาจากโมดูล usb

1 import vis
2 from practicum import findDevices
3 from peri import PeriBoard
4 from numpy import interp
5 from usb.core import USBError

จากนั้นใช้โครงสร้าง try..except (ซึ่งทำงานคล้ายคลึงกับโครงสร้าง try..catch ในภาษาจาวา) ในจุดที่สคริปต์อ่านค่าแสงจากบอร์ดดังนี้

65 class Player(vis.cylinder):
66 
67     def __init__(self,controller):
68         vis.cylinder.__init__(self,pos=(0,-BORDER),axis=(0,0.2),
69                 radius=2,color=vis.color.blue)
70         self.controller = controller
71 
72     def move(self):
73         if self.controller == None:
74             self.pos.x = ball.pos.x
75         else:
76             try:
77                 light = self.controller.getLight()
78                 x = interp(light,self.controller.lightRange,[-BORDER,BORDER])
79                 self.pos.x = 0.1*x + 0.9*self.pos.x
80             except USBError:
81                 print "USB error detected"

ตรวจสอบว่าลูกออกนอกกรอบแล้วจบเกม

ที่ผ่านมาเห็นได้ว่าเมื่อผู้เล่นรับลูกพลาดแล้วลูกจะหายไปจากจอภาพตลอดกาล หากซูมภาพออกมาจะเห็นลูกตะกร้อเคลื่อนที่ลงข้างล่างไปเรื่อย ๆ ไม่มีที่สิ้นสุด ในสถานการณ์นี้ผู้เล่นจะทำอะไรไม่ได้อีกเลยนอกจากกดปิดหน้าต่างโปรแกรม เราจึงควรตรวจสอบการออกของลูกและแสดงข้อความ GAME OVER ก่อนจบการทำงานด้วยการปิดหน้าต่าง

เพื่อความสะดวกเราจะเพิ่มเมท็อด isOut() ลงในคลาส Ball เพื่อใช้ตรวจสอบว่าลูกได้วิ่งเลยขอบล่างของสนามไปแล้วดังนี้

def isOut(self):
    return self.pos.y-self.SIZE < -BORDER

จากนั้นจึงเรียกใช้เมท็อดนี้ในลูปหลัก หากพบว่าลูกออกจากสนามไปแล้วให้แสดงป้าย "GAME OVER!" ด้วย vis.label หยุดรอ 2 วินาที แล้วจบการทำงาน

 99 while True:
100     vis.rate(ANIM_RATE)
101     ball.move(1.0/ANIM_RATE)
102     player.move()
103     ball.hitPlayer(player)
104     if ball.isOut():
105         vis.label(height=30,text='GAME OVER!')
106         vis.sleep(2)
107         vis.exit()

แสดงคะแนนให้ผู้เล่น

โค้ดที่แก้ไขด้านล่างแสดงป้ายคะแนนให้ผู้เล่นเห็น ป้ายคะแนนสร้างขึ้นจากคลาส vis.label ซึ่งอัพเดตข้อความได้โดยการเปลี่ยนคุณสมบัติ text

 87 border = vis.curve(pos=[
 88     (-BORDER,-BORDER),
 89     (-BORDER,+BORDER),
 90     (+BORDER,+BORDER),
 91     (+BORDER,-BORDER)
 92     ],radius=0.1,color=vis.color.red)
 93 ball = Ball(color=vis.color.yellow,vel=(5,10),acc=(0,-5))
 94 player = Player(board)
 95 score = vis.label(pos=(BORDER,BORDER))
 96 score.value = 0
 97 score.text = "Score: %d" % score.value
 98  
 99 while True:
100     vis.rate(ANIM_RATE)
101     ball.move(1.0/ANIM_RATE)
102     player.move()
103     if ball.hitPlayer(player):
104         score.value += 1
105         score.text = "Score: %d" % score.value
106     if ball.isOut():
107         vis.label(text="GAME OVER!",height=30)
108         vis.sleep(2)
109         vis.exit()