The Nature of Code閱讀心得與Python實作：1.7 Motion with Vectors

在Example 1.2中，我們利用向量來寫模擬物體運動的程式。在程式中，我們先算出球的位置，然後在那個位置畫出球：

position += velocity
pygame.draw.circle(screen, BLACK, position, RADIUS)

這就是模擬物體運動的最基本做法，這個做法，可以歸納為如下的演算法：

Motion 101
1. 將位置向量加上速度以得到新的位置向量
2. 在新位置畫出物體

題外話。看到101這個數字，大概可以猜到代表的意思。不過，實在很好奇，為什麼是101，不是100或123？網上搜尋了一下，在維基百科：101 (number)找到了答案。

言歸正傳。在那個例子中，是把Motion 101相關的程式直接寫在主程式中，但這並不是個好做法。比較好的做法，是把這部分的程式封裝在一個類別中，以發揮物件導向設計的優勢。接下來，就來設計一個叫做Mover的類別，把這部分的程式封裝在其中。

在設計Mover這個類別時，必須考慮兩個問題：

1. Mover的物件裡頭包含了哪些資料？
2. Mover的物件具有哪些功能？

這兩個問題的答案就在Motion 101這個演算法中。

一個Mover的物件，應該含有兩份資料：位置及速度，也就是position和velocity這兩個向量。至於它應具備的功能，其實也很簡單，就是移動及現身被看見。我們會把移動相關的程式碼寫在update()這個方法中；而現身被看見，其實也就是在畫面上畫出物件樣貌，這部分的程式碼，則寫在show()這個方法中。程式碼如下：

def update(self):
    self.position += self.velocity

def show(self):
    pygame.draw.circle(self.screen, (0, 0, 0), self.position, 24)

在建立Mover的物件時，需要先設定，也就是初始化(initialize)的東西，如起始位置、初始速度等，就寫在__init__()中：

def __init__(self):
    # 取得顯示畫面的大小
    self.screen = pygame.display.get_surface()
    self.width, self.height = self.screen.get_size()
    
    # 設定物件的起始位置
    x = random.uniform(0, self.width)
    y = random.uniform(0, self.height)
    self.position = pygame.Vector2(x, y)
    
    # 設定物件的初始速度
    vx = random.uniform(-2, 2)
    vy = random.uniform(-2, 2)
    self.velocity = pygame.Vector2(vx, vy)

最後，我們要決定物件碰到邊界時，會怎麼反應。假設我們希望碰到邊界時，物件會繞一圈從另一邊跑出來，程式的寫法如下：

def check_edges(self):
    if self.position.x > self.width:
        self.position.x = 0
    elif self.position.x < 0:
        self.position.x = self.width

    if self.position.y > self.height:
        self.position.y = 0
    elif self.position.y < 0:
        self.position.y = self.height

這樣就完成了Mover這個類別的設計。

下面的例子，就是使用Mover這個類別產生一個物件mover，然後讓這個mover在畫面上移動。程式如下：

Example 1.7: Motion 101 (Velocity)

class Mover:
    def __init__(self):
        # 取得顯示畫面的大小
        self.screen = pygame.display.get_surface()
        self.width, self.height = self.screen.get_size()
        
        # 設定物件的起始位置
        x = random.uniform(0, self.width)
        y = random.uniform(0, self.height)
        self.position = pygame.Vector2(x, y)
        
        # 設定物件的初始速度
        vx = random.uniform(-2, 2)
        vy = random.uniform(-2, 2)
        self.velocity = pygame.Vector2(vx, vy)
    
    def update(self):
        self.position += self.velocity
        
    def show(self):
        pygame.draw.circle(self.screen, (0, 0, 0), self.position, 24)            

    def check_edges(self):
        if self.position.x > self.width:
            self.position.x = 0
        elif self.position.x < 0:
            self.position.x = self.width
    
        if self.position.y > self.height:
            self.position.y = 0
        elif self.position.y < 0:
            self.position.y = self.height
            
            
# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0

pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 1.7: Motion 101 (Velocity)")

WHITE = (255, 255, 255)

screen_size = (640, 360)
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

mover = Mover()

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(WHITE)    

    mover.update()
    mover.check_edges()
    mover.show()
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS) 

Motion 101這個例子其實挺單調的，因為那顆球永遠都是氣定神閒地以相同的速度移動著，既不會加速，也不會減速。想要讓球的移動方式更多變、更真實一些，就必須引入加速度(acceleration)這個大家耳熟能詳的物理量。