当前位置：首页 > article >正文

Pac-Man（吃豆人）游戏

article 2025/3/13 5:51:07

前言

1. Pygame游戏开发基础

1.1 Pygame简介

1.2 游戏开发基本概念

1.3 Pygame核心模块介绍

2. 游戏设计与规划

2.1 游戏规则设计

2.2 游戏对象规划

2.3 技术方案选择

3. 创建游戏窗口与初始化

3.1 初始化Pygame环境

3.2 设置游戏窗口

3.3 定义颜色和游戏参数

3.4 初始化游戏时钟

4. 吃豆人角色设计与实现

4.1 吃豆人类设计

4.2 实现吃豆人移动

4.3 绘制吃豆人

5. 幽灵角色设计与AI实现

5.1 幽灵类设计

5.2 幽灵AI行为实现

5.3 绘制幽灵

6. 迷宫生成与渲染

6.1 迷宫表示方法

6.2 迷宫渲染

7. 游戏物品：豆子与能量豆

7.1 豆子生成

7.2 豆子渲染

7.3 豆子与吃豆人的交互

8. 碰撞检测系统

8.1 角色与墙壁的碰撞检测

8.2 吃豆人与幽灵的碰撞检测

8.3 吃豆人与豆子的碰撞检测

9. 游戏状态管理

9.1 游戏状态定义

9.2 游戏状态切换

9.3 幽灵状态管理

10. 游戏UI与视觉效果

10.1 分数和生命值显示

10.2 游戏结束画面

10.3 角色动画

11. 游戏主循环与事件处理

11.1 游戏主循环结构

11.2 事件处理

11.3 键盘输入处理

12. 代码优化与性能改进

12.1 碰撞检测优化

12.2 渲染优化

12.3 内存管理

13. 完整代码

前言

吃豆人（Pac-Man）是一款经典的街机游戏，自1980年问世以来一直深受玩家喜爱。在这篇博客中，我将详细介绍如何使用Python的Pygame库从零开始构建一个完整的吃豆人游戏。我们将逐步实现游戏的核心功能，包括角色控制、碰撞检测、AI行为等，并且深入剖析每个组件的工作原理。

无论你是游戏开发新手还是想要提升编程技能的中级开发者，这个项目都将帮助你理解游戏开发的基本原理和技巧。让我们开始这段有趣的编程之旅吧！

1. Pygame游戏开发基础

1.1 Pygame简介

Pygame是一个为Python设计的游戏开发库，它基于SDL（Simple DirectMedia Layer）构建，提供了图形、声音、输入设备等功能的简单接口，非常适合初学者和中级开发者使用。

Pygame的主要特点包括：

跨平台：可在Windows、macOS、Linux等多种系统上运行
易于学习：API设计简洁直观
功能全面：提供图形渲染、声音播放、输入处理等游戏开发必备功能
活跃的社区：有大量的教程和资源可供学习

1.2 游戏开发基本概念

在开始编写游戏代码前，让我们先了解一些游戏开发的基本概念：

1. 游戏循环（Game Loop）

游戏循环是几乎所有电子游戏的核心，它通常包含以下三个主要步骤：

处理输入（Processing Input）：检测并响应用户的键盘、鼠标等输入
更新游戏状态（Updating Game State）：根据输入和游戏规则更新游戏对象的状态
渲染（Rendering）：将当前游戏状态绘制到屏幕上

2. 精灵（Sprite）

在游戏开发中，精灵是指可以在屏幕上移动的图形对象。在我们的吃豆人游戏中，吃豆人和幽灵都是精灵。

3. 碰撞检测（Collision Detection）

碰撞检测用于判断游戏对象之间是否发生接触或重叠，这在游戏中非常重要。例如，我们需要检测吃豆人是否碰到了豆子或幽灵。

4. 帧率控制（Frame Rate Control）

帧率是指游戏每秒更新和渲染的次数。控制帧率对于确保游戏在不同硬件上有一致的表现非常重要。

1.3 Pygame核心模块介绍

Pygame提供了多个模块来处理游戏开发的不同方面：

pygame.display：创建和管理游戏窗口
pygame.event：处理用户输入和其他事件
pygame.draw：提供基本图形绘制功能
pygame.image：加载和处理图像
pygame.mixer：处理音频播放
pygame.font：渲染文本
pygame.time：控制时间和帧率
pygame.Rect：处理矩形区域（对碰撞检测很有用）

在我们的吃豆人游戏中，将主要使用这些模块来实现各种功能。

2. 游戏设计与规划

2.1 游戏规则设计

首先，让我们确定我们的吃豆人游戏的基本规则：

玩家控制吃豆人在迷宫中移动，目标是吃掉所有的豆子
迷宫中有四个会追逐吃豆人的幽灵
如果幽灵碰到吃豆人，吃豆人会失去一条生命
玩家初始有3条生命，全部失去后游戏结束
吃掉小豆子可以获得10分
吃掉大豆子（能量豆）可以获得50分，并且能暂时让幽灵变成可食用状态
在幽灵处于可食用状态时，吃豆人可以吃掉幽灵获得200分
吃掉所有豆子后，玩家获胜

2.2 游戏对象规划

我们的游戏需要以下几种主要对象：

吃豆人（Pac-Man） ：
- 属性：位置、方向、速度、生命值、分数
- 行为：移动、改变方向、吃豆子、与幽灵交互
幽灵（Ghost） ：
- 属性：位置、颜色、方向、速度、状态（普通/可食用）
- 行为：移动、追逐吃豆人、在被吃后重生
迷宫（Maze） ：
- 属性：网格布局（墙壁和通道）
- 用途：限制角色移动范围，提供游戏环境
豆子（Dots） ：
- 小豆子：被吃后加10分
- 大豆子（能量豆）：被吃后加50分并激活幽灵的可食用状态
游戏管理器：
- 控制游戏状态（运行中、暂停、游戏结束）
- 管理得分系统
- 处理游戏逻辑（如关卡切换、胜利条件检查）

2.3 技术方案选择

对于我们的吃豆人游戏，我们将采用以下技术方案：

游戏引擎：Pygame（提供图形渲染、输入处理等基础功能）
图形表示：使用简单的几何图形（圆形、矩形等）绘制游戏元素
碰撞检测：基于距离计算的简单碰撞检测方法
AI算法：简化的追逐算法，幽灵会有一定概率朝吃豆人的方向移动
地图表示：使用二维数组表示迷宫布局，1表示墙壁，0表示通道

这种方案适合初学者理解，同时也能实现一个功能完整的吃豆人游戏。

3. 创建游戏窗口与初始化

3.1 初始化Pygame环境

首先，我们需要导入必要的模块并初始化Pygame环境：

python

import pygame
import random
import math

# 初始化 Pygame
pygame.init()

pygame.init()函数初始化所有Pygame模块，这是使用Pygame的第一步。

3.2 设置游戏窗口

接下来，我们创建游戏窗口并设置标题：

python

# 设置游戏窗口
WIDTH, HEIGHT = 800, 600
win = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
pygame.display.set_caption("Pac-Man 游戏")

这里我们创建了一个800x600像素的游戏窗口，并将其标题设置为"Pac-Man 游戏"。pygame.display.set_mode()函数返回一个Surface对象，我们将使用这个对象来绘制游戏元素。

3.3 定义颜色和游戏参数

为了使代码更清晰，我们定义了一些常用颜色和游戏参数：

python

# 颜色定义
BLACK = (0, 0, 0)
YELLOW = (255, 255, 0)
WHITE = (255, 255, 255)
RED = (255, 0, 0)
BLUE = (0, 0, 255)
PINK = (255, 192, 203)
ORANGE = (255, 165, 0)
CYAN = (0, 255, 255)

# 游戏参数
CELL_SIZE = 30
GRID_WIDTH = WIDTH // CELL_SIZE
GRID_HEIGHT = HEIGHT // CELL_SIZE

颜色在Pygame中用RGB元组表示，例如(255, 255, 0)表示黄色。

CELL_SIZE定义了游戏网格中每个单元格的大小（30像素），GRID_WIDTH和GRID_HEIGHT计算了游戏窗口可以容纳的网格数量。这种网格系统将帮助我们更容易地放置游戏对象并处理碰撞检测。

3.4 初始化游戏时钟

Pygame提供了一个Clock对象来控制游戏的帧率：

clock = pygame.time.Clock()

在游戏循环中，我们将使用clock.tick(60)来确保游戏以约60帧每秒的速度运行。这对于保持游戏运行速度一致非常重要，无论游戏运行在什么样的硬件上。

4. 吃豆人角色设计与实现

4.1 吃豆人类设计

我们创建一个PacMan类来封装吃豆人的属性和行为：

python

class PacMan:
    def __init__(self):
        self.x = GRID_WIDTH // 2
        self.y = GRID_HEIGHT // 2
        self.direction = "right"
        self.speed = 0.1
        self.mouth_open = True
        self.mouth_counter = 0
        self.score = 0
        self.lives = 3

这个初始化方法设置了吃豆人的起始位置（在网格中心），方向（向右），速度，嘴巴状态（用于动画），分数和生命值。

4.2 实现吃豆人移动

让我们添加一个方法来处理吃豆人的移动：

python

def move(self, direction, grid):
    new_x, new_y = self.x, self.y
    
    if direction == "right":
        new_x += self.speed
    elif direction == "left":
        new_x -= self.speed
    elif direction == "up":
        new_y -= self.speed
    elif direction == "down":
        new_y += self.speed
    
    # 检查是否能移动（不与墙碰撞）
    cell_x, cell_y = int(new_x), int(new_y)
    if 0 <= cell_x < GRID_WIDTH and 0 <= cell_y < GRID_HEIGHT and grid[cell_y][cell_x] != 1:
        self.x, self.y = new_x, new_y
        self.direction = direction
    
    # 更新嘴巴动画
    self.mouth_counter += 1
    if self.mouth_counter >= 10:
        self.mouth_counter = 0
        self.mouth_open = not self.mouth_open

这个方法接受一个方向参数和迷宫网格，然后尝试向该方向移动吃豆人。它首先计算吃豆人的新位置，然后检查这个位置是否有效（在网格范围内且不是墙壁）。如果有效，就更新吃豆人的位置和方向。

此外，这个方法还更新了嘴巴的动画状态，每10帧切换一次嘴巴的开合状态，这将创建吃豆人标志性的"吃"的动画效果。

4.3 绘制吃豆人

接下来，我们需要一个方法来绘制吃豆人：

python

def draw(self, win):
    x = int(self.x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
    y = int(self.y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
    radius = CELL_SIZE // 2
    
    # 绘制 Pac-Man
    if self.mouth_open:
        # 嘴巴张开
        if self.direction == "right":
            pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
            pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y), 
                                            (x + radius, y - radius // 2), 
                                            (x + radius, y + radius // 2)])
        elif self.direction == "left":
            pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
            pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y), 
                                            (x - radius, y - radius // 2), 
                                            (x - radius, y + radius // 2)])
        elif self.direction == "up":
            pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
            pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y), 
                                            (x - radius // 2, y - radius), 
                                            (x + radius // 2, y - radius)])
        elif self.direction == "down":
            pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
            pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y), 
                                            (x - radius // 2, y + radius), 
                                            (x + radius // 2, y + radius)])
    else:
        # 嘴巴闭合
        pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)

这个方法使用Pygame的绘图函数来绘制吃豆人。当嘴巴打开时，我们绘制一个黄色圆形和一个黑色三角形（表示嘴巴），三角形的位置根据吃豆人的方向而改变。当嘴巴闭合时，我们只绘制一个完整的黄色圆形。

5. 幽灵角色设计与AI实现

5.1 幽灵类设计

现在让我们创建一个Ghost类来处理幽灵的行为：

python

class Ghost:
    def __init__(self, x, y, color):
        self.x = x
        self.y = y
        self.color = color
        self.direction = random.choice(["right", "left", "up", "down"])
        self.speed = 0.05
        self.frightened = False

每个幽灵都有一个位置、颜色、方向、速度和状态（是否处于"惊吓"状态）。我们将创建四个不同颜色的幽灵，每个幽灵都有自己的起始位置。

5.2 幽灵AI行为实现

幽灵的关键行为是在迷宫中移动并尝试追逐吃豆人。我们实现了一个简单的AI系统：

python

def move(self, grid, pacman):
    directions = ["right", "left", "up", "down"]
    
    # 简单的 AI - 有 80% 概率朝向 Pac-Man，20% 概率随机移动
    if random.random() < 0.8 and not self.frightened:
        # 寻找 Pac-Man 的方向
        if pacman.x > self.x and "right" in directions:
            self.direction = "right"
        elif pacman.x < self.x and "left" in directions:
            self.direction = "left"
        elif pacman.y > self.y and "down" in directions:
            self.direction = "down"
        elif pacman.y < self.y and "up" in directions:
            self.direction = "up"
    else:
        # 随机选择方向
        self.direction = random.choice(directions)
    
    # 移动幽灵
    new_x, new_y = self.x, self.y
    
    if self.direction == "right":
        new_x += self.speed
    elif self.direction == "left":
        new_x -= self.speed
    elif self.direction == "up":
        new_y -= self.speed
    elif self.direction == "down":
        new_y += self.speed
    
    # 检查是否能移动（不与墙碰撞）
    cell_x, cell_y = int(new_x), int(new_y)
    if 0 <= cell_x < GRID_WIDTH and 0 <= cell_y < GRID_HEIGHT and grid[cell_y][cell_x] != 1:
        self.x, self.y = new_x, new_y
    else:
        # 如果碰到墙，选择新方向
        self.direction = random.choice(directions)

这个方法实现了一个简单但有效的AI：

正常状态下，幽灵有80%的概率朝着吃豆人的方向移动，20%的概率随机移动
当幽灵处于"惊吓"状态时，它们只会随机移动
如果幽灵碰到墙壁，它会选择一个新的随机方向

这种AI行为创造了一种挑战性但不是不可战胜的游戏体验。

5.3 绘制幽灵

幽灵的外观是游戏中的重要视觉元素，我们需要一个方法来绘制它们：

python

def draw(self, win):
    x = int(self.x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
    y = int(self.y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
    radius = CELL_SIZE // 2
    
    # 绘制幽灵主体
    color = BLUE if self.frightened else self.color
    
    # 绘制幽灵的半圆顶部
    pygame.draw.circle(win, color, (x, y - radius // 3), radius)
    
    # 绘制幽灵的矩形底部
    pygame.draw.rect(win, color, (x - radius, y - radius // 3, radius * 2, radius))
    
    # 绘制幽灵底部的波浪形状
    wave_height = radius // 3
    pygame.draw.polygon(win, color, [
        (x - radius, y + radius * 2 // 3),  # 左上角
        (x - radius * 2 // 3, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第一个波谷
        (x - radius // 3, y + radius * 2 // 3),  # 第一个波峰
        (x, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第二个波谷
        (x + radius // 3, y + radius * 2 // 3),  # 第二个波峰
        (x + radius * 2 // 3, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第三个波谷
        (x + radius, y + radius * 2 // 3),  # 右上角
        (x + radius, y + radius * 2 // 3 - radius),  # 右下角
        (x - radius, y + radius * 2 // 3 - radius),  # 左下角
    ])
    
    # 绘制眼睛 (白色部分)
    eye_radius = radius // 3
    left_eye_x = x - radius // 2
    right_eye_x = x + radius // 2
    eye_y = y - radius // 3
    
    pygame.draw.circle(win, WHITE, (left_eye_x, eye_y), eye_radius)
    pygame.draw.circle(win, WHITE, (right_eye_x, eye_y), eye_radius)
    
    # 绘制眼球 (瞳孔)
    pupil_radius = eye_radius // 2
    
    # 根据方向移动眼球
    pupil_offset_x, pupil_offset_y = 0, 0
    if self.direction == "left":
        pupil_offset_x = -pupil_radius // 2
    elif self.direction == "right":
        pupil_offset_x = pupil_radius // 2
    elif self.direction == "up":
        pupil_offset_y = -pupil_radius // 2
    elif self.direction == "down":
        pupil_offset_y = pupil_radius // 2
    
    pygame.draw.circle(win, BLACK, (left_eye_x + pupil_offset_x, eye_y + pupil_offset_y), pupil_radius)
    pygame.draw.circle(win, BLACK, (right_eye_x + pupil_offset_x, eye_y + pupil_offset_y), pupil_radius)

这个方法使用多个形状来创建经典的幽灵外观：

半圆形顶部
矩形主体
波浪形底部
两个眼睛，眼球会根据幽灵的移动方向而变化位置

当幽灵处于"惊吓"状态时，它们会变成蓝色，让玩家知道现在可以吃掉它们。

6. 迷宫生成与渲染

6.1 迷宫表示方法

在我们的游戏中，迷宫被表示为一个二维数组，其中：

0表示空白区域（可以移动）
1表示墙壁（不可移动）

我们实现了一个函数来创建一个随机迷宫：

python

def create_maze():
    grid = [[0 for _ in range(GRID_WIDTH)] for _ in range(GRID_HEIGHT)]
    
    # 添加边界
    for x in range(GRID_WIDTH):
        grid[0][x] = 1
        grid[GRID_HEIGHT - 1][x] = 1
    for y in range(GRID_HEIGHT):
        grid[y][0] = 1
        grid[y][GRID_WIDTH - 1] = 1
    
    # 添加随机墙壁
    for _ in range(GRID_WIDTH * GRID_HEIGHT // 10):
        x = random.randint(1, GRID_WIDTH - 2)
        y = random.randint(1, GRID_HEIGHT - 2)
        grid[y][x] = 1
    
    # 确保 Pac-Man 的起始位置是空的
    grid[GRID_HEIGHT // 2][GRID_WIDTH // 2] = 0
    
    return grid

这个函数首先创建一个全是0的网格，然后：

在网格的边缘添加墙壁，形成一个封闭的区域
在网格内部随机添加一些墙壁，数量约为网格总单元数的10%
确保吃豆人的起始位置（网格中心）是空的

这种方法生成的迷宫每次游戏都不同，增加了游戏的可重玩性。

6.2 迷宫渲染

我们需要一个方法来绘制迷宫：

python

# 绘制迷宫
for y in range(GRID_HEIGHT):
    for x in range(GRID_WIDTH):
        if grid[y][x] == 1:
            pygame.draw.rect(win, BLUE, [x * CELL_SIZE, y * CELL_SIZE, CELL_SIZE, CELL_SIZE])

这段代码遍历整个网格，当遇到值为1的单元格时，在相应位置绘制一个蓝色矩形表示墙壁。

7. 游戏物品：豆子与能量豆

7.1 豆子生成

在我们的游戏中，有两种豆子：普通豆子和能量豆（大豆子）。我们实现了一个函数来在迷宫中生成这些豆子：

python

def create_dots(grid):
    dots = []
    big_dots = []
    
    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            if grid[y][x] == 0 and (x != GRID_WIDTH // 2 or y != GRID_HEIGHT // 2):  # 避免在Pac-Man起始位置放置豆子
                # 15% 概率创建大豆子，85% 概率创建小豆子
                if random.random() < 0.15:
                    big_dots.append((x, y))
                else:
                    dots.append((x, y))
    
    return dots, big_dots

这个函数遍历网格中的所有空白单元格（值为0），然后：

避免在吃豆人的起始位置放置豆子
有15%的概率在该位置放置一个能量豆
有85%的概率放置一个普通豆子

函数返回两个列表，分别包含普通豆子和能量豆的位置。

7.2 豆子渲染

接下来，我们需要在游戏中绘制这些豆子：

python

# 绘制小豆子
for x, y in dots:
    pygame.draw.circle(win, WHITE, (x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2, y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2), CELL_SIZE // 10)

# 绘制大豆子
for x, y in big_dots:
    pygame.draw.circle(win, WHITE, (x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2, y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2), CELL_SIZE // 5)

普通豆子被绘制为小白色圆点，而能量豆被绘制为较大的白色圆点。

7.3 豆子与吃豆人的交互

当吃豆人经过豆子的位置时，我们需要检测这种碰撞并作出相应反应：

python

# 检查吃豆子
pacman_cell_x, pacman_cell_y = int(pacman.x), int(pacman.y)

# 小豆子
for i, (x, y) in enumerate(dots[:]):
    if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
        dots.remove((x, y))
        pacman.score += 10

# 大豆子
for i, (x, y) in enumerate(big_dots[:]):
    if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
        big_dots.remove((x, y))
        pacman.score += 50
        
        # 幽灵进入惊恐状态
        frightened_timer = 300  # 约5秒
        for ghost in ghosts:
            ghost.frightened = True

这段代码检查吃豆人当前所在的网格单元是否有豆子：

如果有普通豆子，移除该豆子并增加10分
如果有能量豆，移除该豆子，增加50分，并让所有幽灵进入"惊吓"状态

8. 碰撞检测系统

8.1 角色与墙壁的碰撞检测

在我们的游戏中，角色不能穿过墙壁。我们在move方法中实现了这种碰撞检测：

# 检查是否能移动（不与墙碰撞）
cell_x, cell_y = int(new_x), int(new_y)
if 0 <= cell_x < GRID_WIDTH and 0 <= cell_y < GRID_HEIGHT and grid[cell_y][cell_x] != 1:
    self.x, self.y = new_x, new_y
    self.direction = direction
else:
    # 如果是幽灵撞墙，就选择新方向
    if isinstance(self, Ghost):
        self.direction = random.choice(["right", "left", "up", "down"])

这段代码先检查预期的新位置是否在网格范围内，然后检查该位置是否是墙壁（值为1）。如果不是墙壁，角色可以移动到新位置；如果是墙壁，则不允许移动。特别地，如果是幽灵撞到墙壁，它会选择一个新的随机方向。

8.2 吃豆人与幽灵的碰撞检测

吃豆人与幽灵之间的碰撞检测是游戏的核心机制之一。我们使用基于距离的碰撞检测方法：

python

# 检查与幽灵碰撞
for ghost in ghosts:
    distance = math.sqrt((pacman.x - ghost.x) ** 2 + (pacman.y - ghost.y) ** 2)
    if distance < 0.7:  # 碰撞阈值
        if ghost.frightened:
            # Pac-Man 吃掉幽灵
            ghost.x, ghost.y = random.randint(1, GRID_WIDTH - 2), random.randint(1, GRID_HEIGHT - 2)
            ghost.frightened = False
            pacman.score += 200
        else:
            # 幽灵吃掉 Pac-Man
            pacman.lives -= 1
            pacman.x, pacman.y = GRID_WIDTH // 2, GRID_HEIGHT // 2
            
            if pacman.lives <= 0:
                game_over = True

这段代码计算吃豆人和每个幽灵之间的欧几里得距离。如果距离小于阈值（0.7个网格单位），则认为发生了碰撞。碰撞的结果取决于幽灵的状态：

如果幽灵处于"惊吓"状态，吃豆人会吃掉幽灵，获得200分，幽灵会重生在一个随机位置
如果幽灵处于正常状态，吃豆人会失去一条生命，并重置到起始位置。如果吃豆人的生命值降到0，游戏结束

8.3 吃豆人与豆子的碰撞检测

我们已经在第7.3节中介绍了吃豆人与豆子的碰撞检测。为了完整性，这里再次展示相关代码：

python

# 检查吃豆子
pacman_cell_x, pacman_cell_y = int(pacman.x), int(pacman.y)

# 小豆子
for i, (x, y) in enumerate(dots[:]):
    if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
        dots.remove((x, y))
        pacman.score += 10

# 大豆子
for i, (x, y) in enumerate(big_dots[:]):
    if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
        big_dots.remove((x, y))
        pacman.score += 50
        
        # 幽灵进入惊恐状态
        frightened_timer = 300  # 约5秒
        for ghost in ghosts:
            ghost.frightened = True

这种碰撞检测基于网格位置：如果吃豆人当前所在的网格单元与豆子的位置相同，则认为吃豆人吃到了豆子。

9. 游戏状态管理

9.1 游戏状态定义

我们的游戏有几种不同的状态：

游戏运行中
游戏暂停
游戏结束（玩家胜利或失败）

我们使用布尔变量game_over来跟踪游戏是否结束：

python

running = True  # 游戏程序是否继续运行
game_over = False  # 当前游戏是否结束

9.2 游戏状态切换

游戏状态可以通过几种方式切换：

游戏结束：当玩家失去所有生命或吃掉所有豆子时

python

# 检查游戏胜利
if len(dots) == 0 and len(big_dots) == 0:
    game_over = True

# 或者当玩家失去所有生命时
if pacman.lives <= 0:
    game_over = True

重新开始游戏：当游戏结束后按下回车键

python

if event.type == pygame.KEYDOWN:
    if event.key == pygame.K_RETURN and game_over:
        # 重新开始游戏
        pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()
        game_over = False

退出游戏：当玩家关闭游戏窗口时

python

if event.type == pygame.QUIT:
    running = False

9.3 幽灵状态管理

幽灵有两种状态：正常状态和"惊吓"状态。我们使用frightened属性和一个计时器来管理这种状态：

python

# 处理幽灵惊恐状态
if frightened_timer > 0:
    frightened_timer -= 1
    if frightened_timer == 0:
        for ghost in ghosts:
            ghost.frightened = False

当吃豆人吃到能量豆时，所有幽灵进入"惊吓"状态，并设置一个计时器（300帧，约5秒）。每帧都会减少计时器的值，当计时器归零时，所有幽灵回到正常状态。

10. 游戏UI与视觉效果

10.1 分数和生命值显示

我们在游戏界面顶部显示玩家的分数和剩余生命值：

python

# 绘制分数和生命值
font = pygame.font.SysFont(None, 36)
score_text = font.render(f"分数: {pacman.score}", True, WHITE)
lives_text = font.render(f"生命: {pacman.lives}", True, WHITE)
win.blit(score_text, (10, 10))
win.blit(lives_text, (WIDTH - 110, 10))

这段代码创建两个文本Surface对象，分别显示分数和生命值，然后将它们绘制在游戏窗口的顶部。

10.2 游戏结束画面

当游戏结束时，我们显示一个游戏结束画面，告诉玩家游戏结果并提供重新开始的提示：

python

# 游戏结束显示
if game_over:
    font = pygame.font.SysFont(None, 72)
    
    if pacman.lives <= 0:
        game_over_text = font.render("游戏结束!", True, RED)
    else:
        game_over_text = font.render("恭喜你赢了!", True, YELLOW)
    
    restart_text = font.render("按 Enter 重新开始", True, WHITE)
    
    win.blit(game_over_text, (WIDTH // 2 - game_over_text.get_width() // 2, HEIGHT // 2 - 50))
    win.blit(restart_text, (WIDTH // 2 - restart_text.get_width() // 2, HEIGHT // 2 + 50))

根据游戏结束的原因（玩家胜利或失败），显示不同的信息。游戏胜利时显示黄色的"恭喜你赢了!"，失败时显示红色的"游戏结束!"。同时，提示玩家按Enter键重新开始游戏。

10.3 角色动画

为了增加游戏的视觉吸引力，我们为吃豆人和幽灵添加了简单的动画效果：

吃豆人的嘴巴动画：吃豆人的嘴巴会周期性地开合，创造出经典的"吃"的效果

python

# 更新嘴巴动画
self.mouth_counter += 1
if self.mouth_counter >= 10:
    self.mouth_counter = 0
    self.mouth_open = not self.mouth_open

幽灵的眼球动画：幽灵的眼球会根据移动方向改变位置

python

# 根据方向移动眼球
pupil_offset_x, pupil_offset_y = 0, 0
if self.direction == "left":
    pupil_offset_x = -pupil_radius // 2
elif self.direction == "right":
    pupil_offset_x = pupil_radius // 2
elif self.direction == "up":
    pupil_offset_y = -pupil_radius // 2
elif self.direction == "down":
    pupil_offset_y = pupil_radius // 2

这些动画效果虽小，但大大增加了游戏的视觉体验和角色的生动感。

11. 游戏主循环与事件处理

11.1 游戏主循环结构

游戏主循环是游戏程序的核心，负责处理输入、更新游戏状态和渲染画面。我们的主循环结构如下：

python

def main():
    clock = pygame.time.Clock()
    pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()
    
    frightened_timer = 0
    
    running = True
    game_over = False
    
    while running:
        clock.tick(60)  # 限制帧率为60FPS
        
        # 事件处理
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False
            
            if event.type == pygame.KEYDOWN:
                if event.key == pygame.K_RETURN and game_over:
                    # 重新开始游戏
                    pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()
                    game_over = False
        
        if not game_over:
            # 处理输入
            keys = pygame.key.get_pressed()
            
            # 处理吃豆人移动
            if keys[pygame.K_RIGHT]:
                pacman.move("right", grid)
            elif keys[pygame.K_LEFT]:
                pacman.move("left", grid)
            elif keys[pygame.K_UP]:
                pacman.move("up", grid)
            elif keys[pygame.K_DOWN]:
                pacman.move("down", grid)
            
            # 更新游戏状态
            
            # 幽灵移动
            for ghost in ghosts:
                ghost.move(grid, pacman)
            
            # 检查吃豆子
            # ...
            
            # 检查碰撞
            # ...
            
            # 检查游戏胜利
            # ...
        
        # 渲染
        draw_game(win, pacman, grid, dots, big_dots, ghosts)
        
        # 游戏结束显示
        # ...
    
    pygame.quit()

这个结构遵循了典型的游戏循环模式：

限制帧率
处理事件
根据输入更新游戏状态
渲染当前游戏状态
处理特殊情况（如游戏结束）
如此循环直到游戏退出

11.2 事件处理

Pygame使用事件队列来处理用户输入和其他事件。我们的事件处理代码如下：

python

for event in pygame.event.get():
    if event.type == pygame.QUIT:
        running = False
    
    if event.type == pygame.KEYDOWN:
        if event.key == pygame.K_RETURN and game_over:
            # 重新开始游戏
            pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()
            game_over = False

这段代码处理两种事件：

pygame.QUIT事件（当玩家关闭游戏窗口时触发）
pygame.KEYDOWN事件，特别是检查游戏结束时按下回车键重新开始游戏

11.3 键盘输入处理

除了事件队列外，我们还使用pygame.key.get_pressed()函数来检测当前按下的键，这适用于需要持续检测的输入，如方向键控制：

python

keys = pygame.key.get_pressed()

# 处理吃豆人移动
if keys[pygame.K_RIGHT]:
    pacman.move("right", grid)
elif keys[pygame.K_LEFT]:
    pacman.move("left", grid)
elif keys[pygame.K_UP]:
    pacman.move("up", grid)
elif keys[pygame.K_DOWN]:
    pacman.move("down", grid)

这段代码检查方向键（上、下、左、右）是否被按下，并据此移动吃豆人。使用elif确保每帧只处理一个方向，优先级从右到左再到上再到下。

12. 代码优化与性能改进

12.1 碰撞检测优化

在我们的游戏中，碰撞检测是一个频繁执行的操作。为了提高性能，我们可以采取以下优化措施：

减少不必要的计算：只在距离较近时才进行精确的碰撞检测

python

# 优化前
distance = math.sqrt((pacman.x - ghost.x) ** 2 + (pacman.y - ghost.y) ** 2)
if distance < 0.7:
    # 处理碰撞

# 优化后
dx = pacman.x - ghost.x
dy = pacman.y - ghost.y
# 避免开方运算，直接比较平方
if dx*dx + dy*dy < 0.7*0.7:
    # 处理碰撞

使用网格位置进行初步筛选：对于豆子的碰撞检测，我们只检查吃豆人当前所在的网格单元，而不是所有豆子

python

# 优化前
for dot in dots:
    if collision(pacman, dot):
        # 处理碰撞

# 优化后
pacman_cell_x, pacman_cell_y = int(pacman.x), int(pacman.y)
for x, y in dots[:]:
    if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
        # 处理碰撞

12.2 渲染优化

渲染是游戏中另一个性能关键点。我们可以通过以下方式优化渲染过程：

只渲染可见区域：如果游戏地图非常大，只渲染当前屏幕可见的部分

python

# 计算可见区域
view_left = max(0, int(pacman.x) - VIEW_RANGE)
view_right = min(GRID_WIDTH, int(pacman.x) + VIEW_RANGE + 1)
view_top = max(0, int(pacman.y) - VIEW_RANGE)
view_bottom = min(GRID_HEIGHT, int(pacman.y) + VIEW_RANGE + 1)

# 只渲染可见区域
for y in range(view_top, view_bottom):
    for x in range(view_left, view_right):
        # 渲染网格[y][x]

减少渲染调用：合并相同类型的渲染操作，减少API调用次数

python

# 优化前
for dot in dots:
    draw_dot(dot)

# 优化后
# 创建一个Surface来预渲染所有豆子
dots_surface = pygame.Surface((WIDTH, HEIGHT), pygame.SRCALPHA)
for dot in dots:
    draw_dot(dots_surface, dot)
# 一次性将所有豆子绘制到屏幕上
win.blit(dots_surface, (0, 0))

12.3 内存管理

良好的内存管理对于游戏性能也很重要：

避免内存泄漏：确保不再需要的对象被正确清理

python

# 游戏退出时清理资源
pygame.quit()

重用对象：避免频繁创建和销毁临时对象

python

# 不好的做法：每次创建新字体对象
font = pygame.font.SysFont(None, 36)
score_text = font.render(f"分数: {pacman.score}", True, WHITE)

# 更好的做法：只创建一次字体对象，重复使用
# 在游戏初始化时
self.font = pygame.font.SysFont(None, 36)

# 在渲染时
score_text = self.font.render(f"分数: {pacman.score}", True, WHITE)

使用适当的数据结构：选择适合操作类型的数据结构

python

# 对于经常需要检查成员关系的集合，使用set而不是list
dots = set((x, y) for x in range(GRID_WIDTH) for y in range(GRID_HEIGHT) if grid[y][x] == 0)

# 检查成员关系
if (pacman_cell_x, pacman_cell_y) in dots:
    dots.remove((pacman_cell_x, pacman_cell_y))
    pacman.score += 10

13. 完整代码

以下是我们吃豆人游戏的完整代码：

import pygame
import random
import math

# 初始化 Pygame
pygame.init()

# 设置游戏窗口
WIDTH, HEIGHT = 800, 600
win = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))
pygame.display.set_caption("Pac-Man 游戏")

# 颜色定义
BLACK = (0, 0, 0)
YELLOW = (255, 255, 0)
WHITE = (255, 255, 255)
RED = (255, 0, 0)
BLUE = (0, 0, 255)
PINK = (255, 192, 203)
ORANGE = (255, 165, 0)
CYAN = (0, 255, 255)

# 游戏参数
CELL_SIZE = 30
GRID_WIDTH = WIDTH // CELL_SIZE
GRID_HEIGHT = HEIGHT // CELL_SIZE


# Pac-Man 参数
class PacMan:
    def __init__(self):
        self.x = GRID_WIDTH // 2
        self.y = GRID_HEIGHT // 2
        self.direction = "right"
        self.speed = 0.1
        self.mouth_open = True
        self.mouth_counter = 0
        self.score = 0
        self.lives = 3

    def move(self, direction, grid):
        new_x, new_y = self.x, self.y

        if direction == "right":
            new_x += self.speed
        elif direction == "left":
            new_x -= self.speed
        elif direction == "up":
            new_y -= self.speed
        elif direction == "down":
            new_y += self.speed

        # 检查是否能移动（不与墙碰撞）
        cell_x, cell_y = int(new_x), int(new_y)
        if 0 <= cell_x < GRID_WIDTH and 0 <= cell_y < GRID_HEIGHT and grid[cell_y][cell_x] != 1:
            self.x, self.y = new_x, new_y
            self.direction = direction

        # 更新嘴巴动画
        self.mouth_counter += 1
        if self.mouth_counter >= 10:
            self.mouth_counter = 0
            self.mouth_open = not self.mouth_open

    def draw(self, win):
        x = int(self.x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
        y = int(self.y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
        radius = CELL_SIZE // 2

        # 绘制 Pac-Man
        if self.mouth_open:
            # 嘴巴张开
            if self.direction == "right":
                pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
                pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y),
                                                 (x + radius, y - radius // 2),
                                                 (x + radius, y + radius // 2)])
            elif self.direction == "left":
                pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
                pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y),
                                                 (x - radius, y - radius // 2),
                                                 (x - radius, y + radius // 2)])
            elif self.direction == "up":
                pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
                pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y),
                                                 (x - radius // 2, y - radius),
                                                 (x + radius // 2, y - radius)])
            elif self.direction == "down":
                pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)
                pygame.draw.polygon(win, BLACK, [(x, y),
                                                 (x - radius // 2, y + radius),
                                                 (x + radius // 2, y + radius)])
        else:
            # 嘴巴闭合
            pygame.draw.circle(win, YELLOW, (x, y), radius)


# 幽灵参数
class Ghost:
    def __init__(self, x, y, color):
        self.x = x
        self.y = y
        self.color = color
        self.direction = random.choice(["right", "left", "up", "down"])
        self.speed = 0.05
        self.frightened = False

    def move(self, grid, pacman):
        directions = ["right", "left", "up", "down"]

        # 简单的 AI - 有 80% 概率朝向 Pac-Man，20% 概率随机移动
        if random.random() < 0.8 and not self.frightened:
            # 寻找 Pac-Man 的方向
            if pacman.x > self.x and "right" in directions:
                self.direction = "right"
            elif pacman.x < self.x and "left" in directions:
                self.direction = "left"
            elif pacman.y > self.y and "down" in directions:
                self.direction = "down"
            elif pacman.y < self.y and "up" in directions:
                self.direction = "up"
        else:
            # 随机选择方向
            self.direction = random.choice(directions)

        # 移动幽灵
        new_x, new_y = self.x, self.y

        if self.direction == "right":
            new_x += self.speed
        elif self.direction == "left":
            new_x -= self.speed
        elif self.direction == "up":
            new_y -= self.speed
        elif self.direction == "down":
            new_y += self.speed

        # 检查是否能移动（不与墙碰撞）
        cell_x, cell_y = int(new_x), int(new_y)
        if 0 <= cell_x < GRID_WIDTH and 0 <= cell_y < GRID_HEIGHT and grid[cell_y][cell_x] != 1:
            self.x, self.y = new_x, new_y
        else:
            # 如果碰到墙，选择新方向
            self.direction = random.choice(directions)

    def draw(self, win):
        x = int(self.x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
        y = int(self.y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2)
        radius = CELL_SIZE // 2

        # 绘制幽灵主体
        color = BLUE if self.frightened else self.color

        # 绘制幽灵的半圆顶部
        pygame.draw.circle(win, color, (x, y - radius // 3), radius)

        # 绘制幽灵的矩形底部
        pygame.draw.rect(win, color, (x - radius, y - radius // 3, radius * 2, radius))

        # 绘制幽灵底部的波浪形状
        wave_height = radius // 3
        pygame.draw.polygon(win, color, [
            (x - radius, y + radius * 2 // 3),  # 左上角
            (x - radius * 2 // 3, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第一个波谷
            (x - radius // 3, y + radius * 2 // 3),  # 第一个波峰
            (x, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第二个波谷
            (x + radius // 3, y + radius * 2 // 3),  # 第二个波峰
            (x + radius * 2 // 3, y + radius * 2 // 3 - wave_height),  # 第三个波谷
            (x + radius, y + radius * 2 // 3),  # 右上角
            (x + radius, y + radius * 2 // 3 - radius),  # 右下角
            (x - radius, y + radius * 2 // 3 - radius),  # 左下角
        ])

        # 绘制眼睛 (白色部分)
        eye_radius = radius // 3
        left_eye_x = x - radius // 2
        right_eye_x = x + radius // 2
        eye_y = y - radius // 3

        pygame.draw.circle(win, WHITE, (left_eye_x, eye_y), eye_radius)
        pygame.draw.circle(win, WHITE, (right_eye_x, eye_y), eye_radius)

        # 绘制眼球 (瞳孔)
        pupil_radius = eye_radius // 2

        # 根据方向移动眼球
        pupil_offset_x, pupil_offset_y = 0, 0
        if self.direction == "left":
            pupil_offset_x = -pupil_radius // 2
        elif self.direction == "right":
            pupil_offset_x = pupil_radius // 2
        elif self.direction == "up":
            pupil_offset_y = -pupil_radius // 2
        elif self.direction == "down":
            pupil_offset_y = pupil_radius // 2

        pygame.draw.circle(win, BLACK, (left_eye_x + pupil_offset_x, eye_y + pupil_offset_y), pupil_radius)
        pygame.draw.circle(win, BLACK, (right_eye_x + pupil_offset_x, eye_y + pupil_offset_y), pupil_radius)


# 创建迷宫
def create_maze():
    grid = [[0 for _ in range(GRID_WIDTH)] for _ in range(GRID_HEIGHT)]

    # 添加边界
    for x in range(GRID_WIDTH):
        grid[0][x] = 1
        grid[GRID_HEIGHT - 1][x] = 1
    for y in range(GRID_HEIGHT):
        grid[y][0] = 1
        grid[y][GRID_WIDTH - 1] = 1

    # 添加随机墙壁
    for _ in range(GRID_WIDTH * GRID_HEIGHT // 10):
        x = random.randint(1, GRID_WIDTH - 2)
        y = random.randint(1, GRID_HEIGHT - 2)
        grid[y][x] = 1

    # 确保 Pac-Man 的起始位置是空的
    grid[GRID_HEIGHT // 2][GRID_WIDTH // 2] = 0

    return grid


# 创建豆子
def create_dots(grid):
    dots = []
    big_dots = []

    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            if grid[y][x] == 0 and (x != GRID_WIDTH // 2 or y != GRID_HEIGHT // 2):  # 避免在Pac-Man起始位置放置豆子
                # 15% 概率创建大豆子，85% 概率创建小豆子
                if random.random() < 0.15:
                    big_dots.append((x, y))
                else:
                    dots.append((x, y))

    return dots, big_dots


# 游戏初始化
def init_game():
    pacman = PacMan()
    grid = create_maze()
    dots, big_dots = create_dots(grid)

    ghosts = [
        Ghost(1, 1, RED),
        Ghost(GRID_WIDTH - 2, 1, PINK),
        Ghost(1, GRID_HEIGHT - 2, ORANGE),
        Ghost(GRID_WIDTH - 2, GRID_HEIGHT - 2, CYAN)
    ]

    return pacman, grid, dots, big_dots, ghosts


# 绘制游戏
def draw_game(win, pacman, grid, dots, big_dots, ghosts):
    win.fill(BLACK)

    # 绘制迷宫
    for y in range(GRID_HEIGHT):
        for x in range(GRID_WIDTH):
            if grid[y][x] == 1:
                pygame.draw.rect(win, BLUE, [x * CELL_SIZE, y * CELL_SIZE, CELL_SIZE, CELL_SIZE])

    # 绘制小豆子
    for x, y in dots:
        pygame.draw.circle(win, WHITE, (x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2, y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2),
                           CELL_SIZE // 10)

    # 绘制大豆子
    for x, y in big_dots:
        pygame.draw.circle(win, WHITE, (x * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2, y * CELL_SIZE + CELL_SIZE // 2), CELL_SIZE // 5)

    # 绘制 Pac-Man
    pacman.draw(win)

    # 绘制幽灵
    for ghost in ghosts:
        ghost.draw(win)

    # 绘制分数和生命值
    font = pygame.font.SysFont(None, 36)
    score_text = font.render(f"分数: {pacman.score}", True, WHITE)
    lives_text = font.render(f"生命: {pacman.lives}", True, WHITE)
    win.blit(score_text, (10, 10))
    win.blit(lives_text, (WIDTH - 110, 10))

    pygame.display.update()


# 主游戏循环
def main():
    clock = pygame.time.Clock()
    pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()

    frightened_timer = 0

    running = True
    game_over = False

    while running:
        clock.tick(60)

        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

            if event.type == pygame.KEYDOWN:
                if event.key == pygame.K_RETURN and game_over:
                    # 重新开始游戏
                    pacman, grid, dots, big_dots, ghosts = init_game()
                    game_over = False

        if not game_over:
            keys = pygame.key.get_pressed()

            # 处理 Pac-Man 移动
            if keys[pygame.K_RIGHT]:
                pacman.move("right", grid)
            elif keys[pygame.K_LEFT]:
                pacman.move("left", grid)
            elif keys[pygame.K_UP]:
                pacman.move("up", grid)
            elif keys[pygame.K_DOWN]:
                pacman.move("down", grid)

            # 处理幽灵移动
            for ghost in ghosts:
                ghost.move(grid, pacman)

            # 检查吃豆子
            pacman_cell_x, pacman_cell_y = int(pacman.x), int(pacman.y)

            # 小豆子
            for i, (x, y) in enumerate(dots[:]):
                if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
                    dots.remove((x, y))
                    pacman.score += 10

            # 大豆子
            for i, (x, y) in enumerate(big_dots[:]):
                if x == pacman_cell_x and y == pacman_cell_y:
                    big_dots.remove((x, y))
                    pacman.score += 50

                    # 幽灵进入惊恐状态
                    frightened_timer = 300  # 约5秒
                    for ghost in ghosts:
                        ghost.frightened = True

            # 处理幽灵惊恐状态
            if frightened_timer > 0:
                frightened_timer -= 1
                if frightened_timer == 0:
                    for ghost in ghosts:
                        ghost.frightened = False

            # 检查与幽灵碰撞
            for ghost in ghosts:
                distance = math.sqrt((pacman.x - ghost.x) ** 2 + (pacman.y - ghost.y) ** 2)
                if distance < 0.7:  # 碰撞阈值
                    if ghost.frightened:
                        # Pac-Man 吃掉幽灵
                        ghost.x, ghost.y = random.randint(1, GRID_WIDTH - 2), random.randint(1, GRID_HEIGHT - 2)
                        ghost.frightened = False
                        pacman.score += 200
                    else:
                        # 幽灵吃掉 Pac-Man
                        pacman.lives -= 1
                        pacman.x, pacman.y = GRID_WIDTH // 2, GRID_HEIGHT // 2

                        if pacman.lives <= 0:
                            game_over = True

            # 检查游戏胜利
            if len(dots) == 0 and len(big_dots) == 0:
                game_over = True

        # 绘制游戏
        draw_game(win, pacman, grid, dots, big_dots, ghosts)

        # 游戏结束显示
        if game_over:
            font = pygame.font.SysFont(None, 72)

            if pacman.lives <= 0:
                game_over_text = font.render("游戏结束!", True, RED)
            else:
                game_over_text = font.render("恭喜你赢了!", True, YELLOW)

            restart_text = font.render("按 Enter 重新开始", True, WHITE)

            win.blit(game_over_text, (WIDTH // 2 - game_over_text.get_width() // 2, HEIGHT // 2 - 50))
            win.blit(restart_text, (WIDTH // 2 - restart_text.get_width() // 2, HEIGHT // 2 + 50))

            pygame.display.update()

    pygame.quit()


if __name__ == "__main__":
    main()