им_КЛЕТК

ГУАП

КАФЕДРА № 41

ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

д-р физ.-мат. наук				Рождественский Ю.В
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1

РЕАЛИЗАЦИЯ ИГРЫ "ЖИЗНЬ" НА ОСНОВЕ КЛЕТОЧНОГО АВТОМАТА

по курсу: ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ гр. №	4116
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 2024

Цель работы: получить навыки имитационного моделирования с помощью клеточного автомата.

Ход работы

Реализована программа клеточного автомата с графическим интерфейсом. Создано игровое поле и определены основные правила автомата. Максимальный возраст клетки 5. С каждой итерацией возраст клетки увеличивается на 1.

Первое правило, пустая клетка становится зеленой или черной, если рядом есть три клетки соответствующего цвета (Рисунок 1-2).

Рисунок 1- Поле до первой итерации

Рисунок 2- Поле после первой итерации

Второе правило, если рядом с клеткой больше шести соседей, она становится пустой из-за перенаселения (Рисунок 3-4)

Рисунок 3- Поле до итерации

Рисунок 4- Поле после итерации

Третье правило, если клетка окружена двумя и больше соседями противоположного цвета, то она стареет в два раза быстрее (Рисунок 5-6).

Рисунок 5- Поле до начала итераций

Рисунок 6- Поле после итераций

Рисунок 7- Начальное состояние автомата

Рисунок 8- Состояние автомата на 85 итерации

Вывод: получены навыки имитационного моделирования с помощью клеточного автомата.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Код программы

import pygame

import pygame_gui

pygame.init()

WIDTH, HEIGHT = 1000, 550

GRID_SIZEX = 90 # Количество клеток по горизонтали

GRID_SIZEY = 50 # Количество клеток по вертикали

CELL_SIZEX = WIDTH // GRID_SIZEX # Ширина клетки

CELL_SIZEY = HEIGHT // GRID_SIZEY # Высота клетки

MAX_AGE = 5

# Цвета

GREEN = (0, 255, 0)

BLACK_COLOR = (0, 0, 0)

WHITE = (255, 255, 255)

BLACK = (0, 0, 0)

GRAY = (200, 200, 200)

screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT+50))

pygame.display.set_caption("Клеточный автомат")

EMPTY = 0

GREEN_CELL = 1

BLACK_CELL = 2

# Класс для клетки

class Cell:

def __init__(self, x, y):

self.x = x

self.y = y

self.state = EMPTY # Начальное состояние (пустая клетка)

self.age = 0 # Возраст клетки (сколько шагов она прожила)

def draw(self):

if self.state == GREEN_CELL:

pygame.draw.rect(screen, GREEN, (self.x * CELL_SIZEX, self.y * CELL_SIZEY, CELL_SIZEX, CELL_SIZEY))

elif self.state == BLACK_CELL:

pygame.draw.rect(screen, BLACK_COLOR, (self.x * CELL_SIZEX, self.y * CELL_SIZEY, CELL_SIZEX, CELL_SIZEY))

def update(self, grid):

# Увеличиваем возраст клетки

if self.state != EMPTY:

self.age += 1

# Если клетка окружена клетками противоположного цвета, возраст увеличивается на 2

opposite_color = GREEN_CELL if self.state == BLACK_CELL else BLACK_CELL

neighbors = [

grid[nx][ny].state for nx in range(max(0, self.x - 1), min(GRID_SIZEX, self.x + 2))

for ny in range(max(0, self.y - 1), min(GRID_SIZEY, self.y + 2))

if (nx, ny) != (self.x, self.y)

]

if neighbors.count(opposite_color) >= 2:

self.age += 1

# Проверка на смерть от старости

if self.age >= MAX_AGE:

self.state = EMPTY

self.age = 0

grid = [[Cell(x, y) for y in range(GRID_SIZEY)] for x in range(GRID_SIZEX)]

# Функция для выполнения шага итерации

def step_iteration():

new_grid = [[cell.state for cell in row] for row in grid]

for x in range(GRID_SIZEX):

for y in range(GRID_SIZEY):

cell = grid[x][y]

neighbors = [

grid[nx][ny].state for nx in range(max(0, x - 1), min(GRID_SIZEX, x + 2))

for ny in range(max(0, y - 1), min(GRID_SIZEY, y + 2))

if (nx, ny) != (x, y)

]

# Правило 1: Рождение

if cell.state == EMPTY:

if neighbors.count(GREEN_CELL) >= 3:

new_grid[x][y] = GREEN_CELL

elif neighbors.count(BLACK_CELL) >= 3:

new_grid[x][y] = BLACK_CELL

# Правило 2: Перенаселение

elif neighbors.count(GREEN_CELL) + neighbors.count(BLACK_CELL) > 6:

new_grid[x][y] = EMPTY

for x in range(GRID_SIZEX):

for y in range(GRID_SIZEY):

grid[x][y].state = new_grid[x][y]

grid[x][y].update(grid)

# Функция для отрисовки сетки

def draw_grid():

for x in range(0, WIDTH, CELL_SIZEX):

pygame.draw.line(screen, GRAY, (x, 0), (x, HEIGHT), 1)

for y in range(0, HEIGHT, CELL_SIZEY):

pygame.draw.line(screen, GRAY, (0, y), (WIDTH, y), 1)

# Инициализация интерфейса

manager = pygame_gui.UIManager((WIDTH, HEIGHT+50))

# Кнопки

green_button = pygame_gui.elements.UIButton(relative_rect=pygame.Rect((10, HEIGHT+5), (100, 40)),

text='Зеленая',

manager=manager)

black_button = pygame_gui.elements.UIButton(relative_rect=pygame.Rect((120, HEIGHT+5), (100, 40)),

text='Черная',

manager=manager)

pause_button = pygame_gui.elements.UIButton(relative_rect=pygame.Rect((230, HEIGHT+5), (100, 40)),

text='Пуск',

manager=manager)

next_button = pygame_gui.elements.UIButton(relative_rect=pygame.Rect((340, HEIGHT+5), (100, 40)),

text='След. шаг',

manager=manager)

reset_button = pygame_gui.elements.UIButton(relative_rect=pygame.Rect((450, HEIGHT+5), (100, 40)),

text='Сброс',

manager=manager)

# Основной цикл

running = True

paused = True # Начинаем с паузы

current_iteration = 0

# Управление кнопками

selected_cell_type = GREEN_CELL

# Таймер для автоматической итерации

clock = pygame.time.Clock()

iteration_timer = 0

# Флаг для отслеживания зажатия кнопки мыши

mouse_held = False

# Переменные для подсчета клеток

green_cells_count = 0

black_cells_count = 0

# Основной цикл

while running:

time_delta = clock.tick(60) / 1.0 # Обновление времени

iteration_timer += time_delta

screen.fill(WHITE)

# Рисуем сетку

draw_grid()

# Обновляем подсчет клеток

green_cells_count = 0

black_cells_count = 0

for row in grid:

for cell in row:

if cell.state == GREEN_CELL:

green_cells_count += 1

elif cell.state == BLACK_CELL:

black_cells_count += 1

# Отображаем клетки

for row in grid:

for cell in row:

cell.draw()

# Отображение номера итерации

font = pygame.font.SysFont('Impact', 20)

iteration_text = font.render(f"Итерация: {current_iteration}", True, BLACK)

screen.blit(iteration_text, (560, HEIGHT+5))

# Отображение количества клеток

green_count_text = font.render(f"Зеленых: {green_cells_count}", True, BLACK)

screen.blit(green_count_text, (700, HEIGHT+5))

black_count_text = font.render(f"Черных: {black_cells_count}", True, BLACK)

screen.blit(black_count_text, (700, HEIGHT+28))

# Обработка событий

for event in pygame.event.get():

if event.type == pygame.QUIT:

running = False

# Обработка кликов мыши для установки клеток

if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:

if event.button == 1: # Левая кнопка мыши

mouse_x, mouse_y = event.pos

grid_x = mouse_x // CELL_SIZEX

grid_y = mouse_y // CELL_SIZEY

if grid_x < GRID_SIZEX and grid_y < GRID_SIZEY:

grid[grid_x][grid_y].state = selected_cell_type

grid[grid_x][grid_y].age = 0

mouse_held = True # Мышь зажата

if event.type == pygame.MOUSEMOTION and mouse_held:

# Если мышь зажата, ставим клетки по мере движения

mouse_x, mouse_y = event.pos

grid_x = mouse_x // CELL_SIZEX

grid_y = mouse_y // CELL_SIZEY

if grid_x < GRID_SIZEX and grid_y < GRID_SIZEY:

grid[grid_x][grid_y].state = selected_cell_type

grid[grid_x][grid_y].age = 0

if event.type == pygame.MOUSEBUTTONUP:

if event.button == 1: # Левая кнопка мыши

mouse_held = False # Мышь отпущена

# Обработка событий интерфейса

if event.type == pygame_gui.UI_BUTTON_PRESSED:

if event.ui_element == green_button:

selected_cell_type = GREEN_CELL

elif event.ui_element == black_button:

selected_cell_type = BLACK_CELL

elif event.ui_element == pause_button:

paused = not paused

elif event.ui_element == next_button:

step_iteration()

current_iteration += 1

elif event.ui_element == reset_button:

grid = [[Cell(x, y) for y in range(GRID_SIZEY)] for x in range(GRID_SIZEX)]

current_iteration = 0

manager.process_events(event)

manager.update(time_delta)

if not paused and iteration_timer >= 1.0:

step_iteration()

current_iteration += 1

iteration_timer = 0

manager.draw_ui(screen)

pygame.display.update()

pygame.quit()