不間斷 Python 挑戰 Day 24 - Turtle Graphics繪圖模組

2022/02/08閱讀時間約 13 分鐘

Turtle Graphic的前身是一種設計給小朋友學習的簡易繪圖程式，最初來自於Wally Feurzeig、Seymour Papert和Cynthia Solomon於1967年所創造的Logo編程語言，它是Python內建的繪圖函式庫，我們可以根據函式庫裡面的指令，操控一隻或多隻「小烏龜」在帶有平面座標的「畫布」上移動，小烏龜帶有畫筆，在它移動的軌跡上，可以讓畫筆提起或放下來決定畫或不畫出線條。本節會介紹一些基本的用法，詳細的內容可以參閱官方文件。

畫布 (Canvas)

在繪製圖形之前，首先必須要有可以繪製圖形的區域，也稱為畫布。以下程式載入turtle模組，並建立Screen的物件，最後再呼叫exitonclick()方法讓使用者點一下畫布後再結束程式，以免程式執行後畫布閃一下即消失。

from turtle import Screen
screen = Screen()
screen.exitonclick()

執行結果：

背景顏色

以下三種方式可以設定畫布的背景顏色：

screen.bgcolor(顏色字串)

　　顏色字串可參考：https://www.tcl.tk/man/tcl8.4/TkCmd/colors.html
例如：

screen.bgcolor("green")

screen.bgcolor(hex code number)

　　hex code number可參考：https://en.wikipedia.org/wiki/Web_colors
例如：

screen.bgcolor("#008000")

screen.bgcolor(r, g, b)

　　其中r、g、b的範圍由screen.colormode(cmode)決定，預設為1，cmode可為1或255，r、g、b必須介於0到cmode之間，例如：

screen.colormode(255)
screen.bgcolor(0, 255, 0)

執行結果皆為設定畫布背景為綠色：

標題

screen.title(titlestring)

　　可改變畫布左上角的標題，例如：

screen.title("我的畫布")

視窗大小與位置

screen.setup(width=_CFG['width'], height=_CFG['height'], startx=_CFG['leftright'], starty=_CFG['topbottom'])

　　可設置畫布主視窗的大小與位置，width與height若為整數表示像素、若為浮點數則表示螢幕的占比；startx若為正數表示距離左邊緣多少像素、若為負數表示距離右邊緣多少像素；starty若為正數表示距離上邊緣多少像素、若為負數表示距離右下邊緣多少像素。

清除繪圖

screen.clear()
screen.clearscreen()

　　可將畫布上的所有繪圖清除。

畫筆

有了畫布之後，載入turtle模組並建立Turtle的物件，執行後便可看到畫布中央多了一個預設為向右的箭頭，預設的位置即為畫布的原點，也是畫布的中心點，向右為x軸的正向、向上為y軸的正向，以此訂出畫布的座標系統。

from turtle import Turtle
turtle = Turtle()

前進、後退

turtle.forward(distance)
turtle.fd(distance)

　　往原本的方向前進distance指定的距離(像素)。

turtle.back(distance)
turtle.bk(distance)
turtle.backward(distance)

　　後退distance指定的距離(像素)，不改變畫筆的朝向

以下範例讓畫筆前進100步再後退100步。

turtle.forward(100)
turtle.backward(100)

移至定點

turtle.goto(x, y=None)
turtle.setpos(x, y=None)
turtle.setposition(x, y=None)

　　將畫筆移動到座標(x, y)的地方，整個畫布以中心為原點(0, 0)，向右為x軸正向、向上為y軸正向，如以下範例建立一個600*600大小的畫布，把畫筆移動到(-200, 200)的位置。

screen.setup(600, 600)
turtle.goto(-200, 200)

turtle.setx(x)

　　將畫筆移動到指定的x座標。

turtle.sety(y)

　　將畫筆移動到指定的y座標。

如下例最後停止的位置和前例相同，但軌跡不同。

turtle.setx(-200)
turtle.sety(200)

回到原點

turtle.home()

　　回到畫布中心(0, 0)的位置。

速度

turtle.speed(speed=None)

　　設定畫筆移動的速度，範圍在0到10之間，除了0以外，數字愈大畫筆移動的速度愈快，也可以使用文字做為參數輸入，和數字的對應如下：

“fastest”: 0
“fast”: 10
“normal”: 6
“slow”: 3
“slowest”: 1

提筆、下筆

turtle.penup()
turtle.pu()
turtle.up()

　　畫筆移動時不畫出軌跡。

turtle.pendown()
turtle.pd()
turtle.down()

　　畫筆移動時畫出軌跡。

先使用penup()方法，再移動至指定座標，過程中便不會畫出移動軌跡。

turtle.penup()
turtle.goto(-200, 200)

顯示、隱藏畫筆

turtle.showturtle()
turtle.st()

　　顯示畫筆。

turtle.hideturtle()
turtle.ht()

　　隱藏畫筆。

移動方向

turtle.right(angle)
turtle.rt(angle)

　　右轉angle個單位，預設為角度，單位可由turtle.degrees()或turtle.radians()設定。

turtle.left(angle)
turtle.lt(angle)

　　左轉angle個單位，預設為角度，單位可由turtle.degrees()或turtle.radians()設定。

turtle.setheading(to_angle)
turtle.seth(to_angle)

　　轉至特定的角度。

至此為止，我們可以結合移動跟角度來畫出一些比較複雜的圖形。

turtle.penup()
turtle.goto(-100, 200)
turtle.pendown()
for side in range(3, 11):
　　angle = 360/side
　　for _ in range(side):
　　　　turtle.forward(100)
　　　　turtle.right(angle)

詢問位置、方向

turtle.position()
turtle.pos()

　　詢問畫筆的(x, y)座標。

turtle.xcor()

　　詢問畫筆的x座標。

turtle.ycor()

　　詢問畫筆的y座標。

turtle.heading()

　　詢問畫筆的方向(角度)。

顏色

turtle.pencolor(*args)

turtle.pencolor(顏色字串)
turtle.pencolor(hex code number)
turtle.pencolor(r, g, b)

　　設定畫筆軌跡與畫筆外緣的顏色，設定方式和畫布的背景顏色相同，其中r、g、b的範圍由screen.colormode(cmode)決定。

turtle.fillcolor(*args)

turtle.fillcolor(顏色字串)
turtle.fillcolor(hex code number)
turtle.fillcolor(r, g, b)

設定畫筆軌跡圍出區域與畫筆內部的填充顏色，設定方式和畫布的背景顏色相同，其中r、g、b的範圍由screen.colormode(cmode)決定。

turtle.color(*args)

　　當輸入一個參數時，會同時設定pencolor和fillcolor；當輸入兩個參數時，第一個參數設定pencolor，第二個參數設定fillcolor。參數的設定方式和pencolor及fillcolor相同。

填充顏色

turtle.begin_fill()
turtle.end_fill()

　　在開始繪製圖形的前後分別呼叫turtle.begin_fill()及turtle.end_fill()，在繪製結束後填充顏色到繪製區域內。

screen.colormode(255)
turtle.fillcolor(0, 255, 0)
turtle.penup()
turtle.goto(-50, 0)
turtle.pendown()
turtle.begin_fill()
for _ in range(5):
　　turtle.forward(100)
　　turtle.left(144)
turtle.end_fill()

寫字

turtle.write(arg, move=False, align='left', font=('Arial', 8, 'normal'))

　　畫布上面也可以寫文字，參數設定方式如下：

arg – 文字內容。
move – 設為True時，畫筆會移動到文字的右下角。
align – 對齊方式，可為"left"(置左)、"center"(置中)或"right"(置右)。
font – 以元組的形式設定字體(font)、字體大小(font size)、以及字型(font type)

turtle.write("Hello 你好！", move=False, align="center", font=("Arial", 20, "bold"))

畫筆形狀

turtle.shape(name=None)

　　目前為止我們看到的畫筆筆頭預設都是箭頭的形狀，也可以換成以下這些形狀："arrow"、"turtle"、"circle"、"square"、"triangle"、"classic"。

既然這個模組名稱叫Turtle graphics，怎麼可以沒有小烏龜呢？讓小烏龜跑起來吧！這個範例中建立了五個Turtle物件，分別有不同的顏色、位置，並由亂數每次隨機選擇一隻小烏龜往前跑10步，就像是一個烏龜賽跑的遊戲，看看誰會先跑到終點！

註1：程式在初始化Turtle物件時同時傳入參數將畫筆設為"Turtle"，並隱藏畫筆，使畫面上看不到畫筆設定的轉換及移動至定位的過程，增加視覺上的流暢度。

註2：程式中引入了time模組中的sleep()方法，讓程式執行過程中停頓所設定的秒數，以避免動作之間過於密集。

import random
import time
turtle_list = []
turtle_color_list = ["green", "blue", "red", "yellow", "purple"]
turtle_start_x = -280
turtle_start_y = -200
for player in range(5):
　　turtle = Turtle(shape="turtle", visible=False)
　　turtle.color(turtle_color_list[player])
　　turtle.penup()
　　turtle.goto(turtle_start_x, turtle_start_y)
　　turtle.showturtle()
　　turtle_list.append(turtle)
　　turtle_start_y += 100
time.sleep(1)
is_race_on = True
while is_race_on:
　　time.sleep(0.04)
　　player = random.randint(0, 4)
　　turtle_list[player].forward(10)
　　if turtle_list[player].xcor() > 260:
　　　　is_race_on = False

程式範例

本文程式範例收錄於：
https://github.com/wjweng/marathon_python/blob/master/Day1_to_25/marathon_python_day24.py

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