2024-09-30|閱讀時間 ‧ 約 23 分鐘

The Nature of Code閱讀心得與Python實作：4.2 A Single Particle

在開始真正處理粒子系統之前，得先寫個用來描述單一粒子的類別。這個類別，就把它叫做Particle。

對我們而言，一個粒子就是一個在畫面上移動的獨立物體，它有位置、速度、加速度。所以，在Particle這個類別中，應該要有用來紀錄粒子的位置、速度、加速度等資訊的變數，以及更新這些資訊的方法。當然啦，把粒子顯示到畫面上的方法，也是一定要有的。這些林林總總的變數、方法，在先前第二章所建立的Mover類別中都有；既然如此，那就把Mover類別當成建造Particle類別的模板，稍微改一改，並加入需要的新功能就可以了。

有些粒子系統會利用發射器(emitter)來產生粒子，並藉以設定粒子的初始狀態，讓粒子系統可以呈現出不同的模擬效果。這也是這章在設計粒子系統時，所採用的方式。

粒子系統的粒子有個不同於mover的特點，那就是粒子會出生和死亡：當粒子從發射器生出來之後，最終會因為某個事件而消失不見。這裡的「某個事件」，可以是碰到其他物體、跑出畫面，或者是已經存在夠長的時間等。為了簡化起見，在我們的Particle類別中，會先只根據粒子存在的時間長短，來決定粒子是否消失。

粒子存在時間的長短，其實就是粒子的壽命。要讓由Particle類別所製造出來的粒子有壽命，最直接的做法就是利用計數器，當計數器的數值低於某個門檻值時，就代表那個粒子該消失了。要達到這個目的，可以設定一個變數並給個初始值，然後當更新粒子的狀態時，也同時更新變數內的數值。例如，設定

lifespan = 255

當更新粒子的狀態時，執行

lifespan -= 2

就這樣不斷地倒數計時下去，直到lifespan低於門檻值時，就可以判定粒子的壽命到了，該消失了。

綜合上面的討論，Particle類別可以設計成這樣：

class Particle:
        def __init__(self, x, y, mass):
            # 取得顯示畫面
            self.screen = pygame.display.get_surface()
            
            # 讓傳遞進來的數值來決定particle的質量
            self.mass = mass  
            
            # particle的質量越大，尺寸就會越大
            self.size = 16*self.mass
            self.radius = self.size/2
            
            # particle的壽命
            self.lifespan = 255
            
            # 讓傳遞進來的數值來決定particle的起始位置
            self.position = pygame.Vector2(x, y)
            
            # 讓particle有隨機的初始速度
            self.velocity = pygame.Vector2(random.uniform(-1, 1), random.uniform(-2, 0))
            
            # particle的初始加速度
            self.acceleration = pygame.Vector2(0, 0)
            
            # 設定particle所在surface的格式為per-pixel alpha
            self.surface = pygame.Surface((self.size, self.size), pygame.SRCALPHA)        
     
        def apply_force(self, force):
            self.acceleration += force/self.mass
    
        def update(self):
            self.velocity += self.acceleration
            self.position += self.velocity
            self.acceleration *= 0
            
            self.lifespan -= 2
    
        def show(self):
            # 使用具透明度的白色把particle所在的surface清空
            self.surface.fill((255, 255, 255, 0))
            
            # 畫出具有透明度的particle，並根據particle剩下的壽命長短來決定透明度
            color = (0, 0, 0, self.lifespan)
            center = (self.radius, self.radius)
            pygame.draw.circle(self.surface, color, center, self.radius)
            
            # 把particle所在的surface貼到最後要顯示的畫面上
            self.screen.blit(self.surface, self.position-center)
    
        def is_dead(self):
            return self.lifespan < 0

在這裡，我們用lifespan裡頭的數值來決定粒子的透明度，數值越小越透明；這樣隨著時間過去，粒子就會逐漸淡出畫面，最後完全看不見，就像是消失了一樣。

新加入的is_dead()方法，就是用來判斷粒子是不是壽命已到，該消失了。

下面這個例子，會在畫面上產生一個受重力作用而往下掉的粒子。隨著時間過去，粒子的顏色會越來越淡，最後消失不見。當粒子消失之後，會再產生一個新的粒子，繼續重複這個過程。

Example 4.1: A Single Particle

# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 4.1: A Single Particle")

WHITE = (255, 255, 255)

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

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

gravity = pygame.Vector2(0, 0.1)

particle = Particle(320, 50, 1)

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

    particle.apply_force(gravity)
    
    particle.update()
    if particle.is_dead():
        # 原來的粒子壽終正寢之後，生個新的粒子出來取代它
        particle = Particle(320, 50, 1)
    else:
        particle.show()    
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)

Exercise 4.1

def run(self, force):
    self.apply_force(force)
    self.update()
    self.show()

主程式部分，把

particle.apply_force(gravity)
particle.update()
particle.show()

改成

particle.run(gravity)

這樣子寫，除了主程式可以比較簡短之外，看不出來有什麼其他的好處；嚴格來說，這樣寫反而會帶來一些問題。其中一個不那麼嚴重的問題是，因為把三個方法綁在一起，當需要處理更多樣化的作用力時，會因為比較沒有彈性而綁手綁腳的。

除了比較沒彈性的問題之外，上述寫法另一個比較嚴重的問題，是可能會把已經壽終正寢應該移除的粒子，給顯示在畫面上。怎麼說呢？依照原書在的做法，當更新粒子狀態之後，緊接著就會把粒子顯示在畫面上，然後再移除壽命已到的粒子。這也就是說，即便粒子在更新狀態之後的lifespan值已經低於設定好的門檻值，它還是會被顯示在畫面上，然後才被移除；這樣子的處理順序，顯然是有問題的。

既然原書的寫法有上述的問題，所以在寫Example 4.1時，就採用不同的寫法來加以避免。什麼樣的寫法呢？其實也就是把處理的順序稍微調整一下而已：在更新粒子狀態之後，就把壽命已到的粒子移除，然後再把還活著的粒子顯示在畫面上。依照這樣子的順序來處理，就不會把壽命已到的粒子顯示出來了。

Exercise 4.2

class Particle:
    def __init__(self, x, y, mass):
        # 取得顯示畫面
        self.screen = pygame.display.get_surface()
        
        # 讓傳遞進來的數值來決定particle的質量
        self.mass = mass  
        
        # particle的質量越大，尺寸就會越大
        self.size = 16*self.mass
        self.radius = self.size/2
        
        # particle的壽命
        self.lifespan = 255
        
        # 讓傳遞進來的數值來決定particle的起始位置
        self.position = pygame.Vector2(x, y)
        
        # 讓particle有隨機的初始速度
        self.velocity = pygame.Vector2(random.uniform(-1, 1), random.uniform(-2, 0))
        
        # particle的初始加速度
        self.acceleration = pygame.Vector2(0, 0)

        # particle的角速度，單位是「度」。向右飛時順時針旋轉；向左飛時逆時針旋轉
        self.angular_velocity = -10*self.velocity.x
        
        # particle的初始角度，單位是「度」
        self.angle_deg = 0
        
        # 設定particle所在surface的格式為per-pixel alpha
        self.surface = pygame.Surface((self.size, self.size), pygame.SRCALPHA)         

    def apply_force(self, force):
        self.acceleration += force/self.mass   
 
    def update(self):
        self.velocity += self.acceleration
        self.position += self.velocity
        self.acceleration *= 0
        
        self.lifespan -= 2
        
        self.angle_deg += self.angular_velocity            
            
    def show(self):
        # 使用具透明度的白色把particle所在的surface清空
        self.surface.fill((255, 255, 255, 0))
        
        # 畫出具有透明度的particle，並根據particle剩下的壽命長短來決定透明度
        rect = pygame.Rect(0, 0, self.size, self.size)
        color = (0, 0, 0, self.lifespan)
        pygame.draw.rect(self.surface, color, rect)
        
        # 旋轉角度的單位需由弳度轉換為度
        rotated_surface = pygame.transform.rotate(self.surface, self.angle_deg)
        rect_new = rotated_surface.get_rect(center=self.position)
        
        # 把particle所在的surface貼到最後要顯示的畫面上
        self.screen.blit(rotated_surface, rect_new)    
        
    def is_dead(self):
        return self.lifespan < 0

        
# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Exercise 4.2")

WHITE = (255, 255, 255)

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

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

gravity = pygame.Vector2(0, 0.05)

particle = Particle(320, 50, 1)

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

    particle.apply_force(gravity)
    
    particle.update()
    if particle.is_dead():
        # 原來的粒子壽終正寢之後，生個新的粒子出來取代它
        particle = Particle(320, 50, 1)
    else:
        particle.show()
        
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)